全光纤电子式电流互感器的原理及应用研究

月Vol．39No．5 May2011

全光纤电子式电流互感器的原理及应用研究

李淮海1，李峰1，华小兵2

（1．淮北供电公司，安徽淮北235000；2．国电南瑞南京中德保护控制系统有限公司，南京210061）

摘要：介绍了有源型和无源型两种典型的电子式电流互感器的工作原理。重点介绍了全光纤电子式电流互感器的技术原理及特点，以及在智能变电站中同GIS组合安装应用方式。

关键词：电子式电流互感器；法拉第效应；全光纤电子式电流互感器

作者简介：李淮海（19-），男，硕士，高级工程师，副总经理，从事输变电工程和智能变电站技术研究工作。

中图分类号：TM452文献标志码：B文章编号：1001-9529（2011）05-0776-02

The Principles and Application Research on All-optical Electronic Current Transformers

LI Huai-hai1，LI Feng1，HUA Xiao-bing2

（1．Huaibei Power Supply Company，Huaibei235000，Anhui，China；

2．Guodian Nanrui Nanjing Zhongde Protection Control System Co．，Ltd．，Nanjing210061，China）

Abstract：The paper introduces the operating principles of both active and passive electronic current transducers，es-pecially explores the technological principles and features of all-optical electronic current transformers and its applica-tions combined with GIS in intelligent substations．

Key words：electronic current transformer；Faraday Effect；all-optical ECT

1电子式电流互感器工作原理

电力系统一直采用基于电磁感应原理的电磁式电流互感器测量一次侧电流，为二次计量及保护等设备提供电流及电压信号。其缺点在于：（1）绝缘结构在高电压时体积大、成本高、可靠性下降；（2）线性度差，动态范围小。电流较大时，CT会出现饱和从而影响保护设备正确识别故障，而且需要保护和测控计量多套绕组；（3）无法测量直流，不能很好的反应故障时的暂态特性；（4）电流互感器的二次负载对精度有影响，输出没有数字化，不能很好的同保护和测量接口；（5）二次回路需要安装较多电力控缆。

电子式电流互感器无铁芯、绝缘结构简单可靠、体积小、质量小、线性度好、无饱和现象、输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口的电力互感器，符合智能变电站建设及技术要求。电子式电流互感器可分为有源型和无源型两类。

有源型电子式电流互感器主要有Rogowski 线圈式，工作原理仍基于电磁感应原理，在一次端通过将电信号转化为光信号通过光纤传输。由于采用了非磁性材料，有源型电子式电流互感器很好的解决了饱和问题；二次输出采用数字输出，不会出现二次回路开路。但是由于依然采用电磁感应原理，所以无法测量直流电流，不能很好地反应故障时的暂态特性；同时安装需要一次导体穿过中心，对安装要求严格；而且由于传感头部分需要电源和转换电子回路，抗干扰差，可靠性降低，维护也比较麻烦。

早期的电子式电流互感器多是有源型，随着技术的发展，国内已经有厂家设计出了基于自励源的有源型电子式电流互感器，不需要额外供电，通过在传感头增加LPCT线圈取源。

无源电子式电流互感器采用法拉第效应磁光效应，在一次部分不需要电源，而且传感头采用本身就是绝缘的全光纤或者磁光玻璃，真正做到了一次部分免维护。

法拉弟效应是指当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的偏振面会线性地随着平行于光学方向的磁场的大小发生旋转，旋转角为θ。

对于闭环磁光材料，由安培环路定理李淮海，等全光纤电子式电流互感器的原理及应用研究0777

θ=∫l VH d l=V i

式中V———磁光材料的费尔德（Verdet）常数；l———光通过的路径；H———被测电流在光路上产生的磁场强

度；i———载流导体中流过的交流电流。

旋转角θ与被测电流i成正比，利用检偏器将角度θ的变化转换为输出光强的变化，经光电变换及相应的信号处理便可求被测电流i。基于法拉第效应的无源型电流互感器可以准确的测量直流电流，线性度好，动态范围大。采用法拉第效应磁光效应的全光纤电子式电流互感器保护和测量可共用，只需在输出时按照保护和测量要求的格式分别输出即可。

2全光纤电子式电流互感器原理

电流传感的灵敏度正比于材料的费尔德常数，但通常费尔德常数越大，温度系数越大，故互感器灵敏度受到温度变化的影响。同时，光学元件内部的残余应力产生随温度变化的线性双折射，当光学玻璃和光纤受到振动和其它机械扰动时，等效于引入应力，同样引起线性双折射。线性双折射的存在降低了传感头的灵敏度，且使灵敏度随振动和温度而变化，影响了整个系统精度和稳定性。因此光学效应实际上是各种效应综合的结果。但是随着光学测量技术的发展，目前国内已经有厂家很好的解决了以上问题：在磁光法拉第效应的基础上，综合利用了光纤传感技术和闭环控制技术，很好地克服了其他电子式电流互感器的缺点（原理见图1）

。

图1全光纤电子式电流互感器原理图

其特点在于：（1）闭环控制（负反馈）技术扩大了准确度下的动态范围。采用基于全数字闭环控制技术，对各种可能出现的偏差进行校正，真正达到一个完善的自适应控制系统，从原理和实现的手段上保证了电子式互感器的精度和动态范围；（2）共光路、差动信号解调方式提高了抗干扰能力。光信号输入输出端在同一点，采用同一个光路，即使来自外界的温度变化，振动以及电磁场辐射等因素的干扰，同一光路路径受干扰源的影响出现的误差也会互相抵消，从而提高了产品的稳定性。

目前基于这种技术的全光纤电子式电流互感器已经得到了很好的推广应用，最早2008年已经在安徽淮北变电站挂网运行，一直稳定运行至今。全光纤电子式电流互感器安装结构灵活，有效为智能变电站建设减少了占地面积。全光纤电子式互感器可以同GIS组合安装，GIS组合安装时互感器不进入气室，不改变GIS整体气密性能。安装处于GIS壁筒零电位处，运行安全可靠。淮北110kV桓谭智能变电站就采用了NAE系列全光纤电子式电流互感器。安装示意图见图2

。

图2NAE系列全光纤电子式电流互感器安装示意图

3结语

全光纤电子式电流互感器采用光学测量原理，避免了电磁干扰，提高了电子式电流互感器的可靠性；采用闭环控制技术，提高了测量精度及范围，为后端的智能变电站高级应用提供了丰富的数据；采用光学材料隔离一次二次设备，有效的降低绝缘成本，提高了设备运行的可靠性；全光纤电子式电流互感器是智能变电站建设的理想产品，代表了互感器发展方向，必将在智能变电站建设中大规模推广应用。

收稿日期：2011-04-02

本文编辑：杨林青