1、光纖電流互感器的發(fā)展 方志1,邱毓昌1,李雙2 (1.西安交通大學,西安市,710049;2.江蘇精科互感器公司,江蘇省宿遷市,223800) 摘要隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展,傳統(tǒng)的電磁式電流互感器暴露出越來越多的問題。而光纖電流互感器(OCT)的出現(xiàn)為這些問題的解決帶來了答案。OCT有如下優(yōu)點:不含油,尺寸小,絕緣結(jié)構(gòu)簡單,不會有安全隱患;不含鐵心,不會有磁飽和現(xiàn)象;測量帶寬和精度高;使用光纖傳輸信號,可以有效地防止電磁干擾;其輸出可以方便地與計算機接口。光纖電流互感器的發(fā)展,必將大大加速電力設(shè)備向小型化、綜合自動化和高可靠性方向的發(fā)展。 關(guān)鍵詞光纖電流互感器全光式光電電流互感器混合式光電電流互

2、感器 中圖分類號:TM452文獻標識碼:B文章編號:1000-7229(2002)12-0042-03 The Development of Optical Current Transducers Fang Zhi1,Qiu Yuchang1,Li Shuang2 (1.Xian Jiaotong University,Xian City,710049;2.Jiangsu Jingke Instrument Transformer Co.,Ltd

3、,Suqian CityJiangsu Province,223800) AbstractWith the development of modern power system the traditional electromagnetic current transformer has revealed more and more problems.While occurrence o

4、f optical current transducers (OCT) has resolved the problems.OCT has the following advantages:oilless,small size,simple insulation structure,no hidden trouble in safety;no magnetic saturation

5、60;phenomena due to no iron core;wide measuring range and high accuracy.Transmis sion with optical fiber can effectively prevent from electromagnetic inter ference and easily inter

6、face with com puter.The development of OCT will greatly speed up the trend of the power equipment in direction of small size, comprehensive automation and high reliabilit

7、y. Keywordsoptical current transducer;magnetic optical transducer;hybrid optical current transducer 互感器是電力系統(tǒng)中主要的保護和監(jiān)控設(shè)備之 一。隨著電力系統(tǒng)向高電壓、大容量發(fā)展,傳統(tǒng)的基于電磁感應(yīng)的原理制成的電磁式電流互感器暴露出越來越多的問題,主要問題有:含有鐵心,易飽和,對高頻信號響應(yīng)性較差,對線路上的暫態(tài)信號不能響應(yīng);絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸大,造價高,設(shè)備安裝檢修不方便;存在潛在危險,如果二次負載出現(xiàn)開路就會產(chǎn)生高電壓,危

8、害設(shè)備和人身的安全,含油的互感器還有爆炸的危險;另外,隨著數(shù)字技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用,為了使傳統(tǒng)的互感器和數(shù)字設(shè)備接口,需要在兩者之間加上電流變換器1。光電子和光纖通訊的發(fā)展,推動了新型光纖電流互感器(OCT)的研究與應(yīng)用。和傳統(tǒng)的電流互感器相比,OCT有如下優(yōu)點:不含油,尺寸小,絕緣結(jié)構(gòu)簡單,不會有安全隱患;不含鐵心,不會有磁飽和現(xiàn)象;測量帶寬和精度高;使用光纖傳輸信號,可以有效地防止電磁干擾;其輸出可以方便地與計算機接口。發(fā)達國家在60年代就開始了OCT的研究。到80年代末期和90年代初期已初具商品使用價值。ABB公司在這方面的研究取得了很大的進展。目前,ABB公司不僅有72.5800

9、kV的交流數(shù)字光電式OCT,而且有直流數(shù)字光電式OCT,并在多個地區(qū)掛網(wǎng)運行。在我國,清華大學和華中理工大學研制的光電式電流互感器也分別于1991年和1993年掛網(wǎng)運行2。 1光纖電流互感器的分類 光纖電流互感器主要分為以下2類:(1)全光式光電電流互感器(MOCT)。因為MOCT在高壓側(cè)不需要電源供電,所以也稱為無源型OCT。(2)混合式光電電流互感器(HOCT)。HOCT在高壓部分沒有光學元件,只是采用了有源電子線路,利用光纖的耐高壓特性,把光纖僅作為信號傳輸通道來研制光電式電流互感器。由于光纖的主要成分是二氧化硅(SiO2),它具有耐高壓等特性,將光纖用于信號的傳輸,使得電流互感器無論從

10、重量上還是從體積上都有很大的改善。由于HOCT在高壓側(cè)是需要電源供電的,所以也稱為有源型OCT。 2MOCT 2.1MOCT的原理 MOCT的工作原理為普遍采用的法拉第磁光效應(yīng)。當一束線偏振光通過置于磁場中的磁光材料時,線偏振光的偏振面就會線性隨著平行于光線方向的磁場的大小發(fā)生旋轉(zhuǎn)。通過測量載流導體周圍線性偏振光偏振面的旋轉(zhuǎn)角度,就可間接地測量出導體中的電流值。如圖1所示,為線偏振光偏振面的旋轉(zhuǎn)角度, H為光路上的磁場強度,J、E為對應(yīng)于各部分光的光強及其電矢量,磁光效應(yīng)可表示為: =VHdl(1) 式中V磁光材料的Verdet常數(shù); l磁光材料中的通光路徑。 對閉環(huán)式MOCT,因光路閉合,有

11、: =VHdl(2)由安培環(huán)路定律可得:=VI(3) 式中I載流導體中的電流。 設(shè)起偏器的輸出光強為Ji,起偏器與檢偏器的夾角為,檢偏器的輸出光強為J0,由馬呂定律可得如下關(guān)系: J0=Jicos2(+)=Ji21+cos(2+2)=Ji21+cos2-Ji2sin(2)·2+J0(4) 式中光路中的光強衰減系數(shù); J02的高階項。 設(shè)Jdc=Ji21+cos2Jac=-Ji2sin(2)·2,其中Jac為交流分量,它包含了電流信息。為了消除光強大小的影響,將它除以直流分量Jdc得到:JacJdc=-tan·2(5)當=45°時,對應(yīng)于(4)式對最靈敏,

12、動態(tài)范圍最大。對于閉環(huán)式MOCT,由(3)式和(5)式有:I=-Jac2Jdc·Vtan(6) (6)式右邊的Jac、Jdc可由光電轉(zhuǎn)換測定,其他為常數(shù)。因此,只要測定Jac、Jdc就可測出載流導體中的電流。圖2為ABB公司生產(chǎn)的MOCT的結(jié)構(gòu)示意圖。整個系統(tǒng)由3部分組成:光發(fā)射部分、光路部分和光接收部分。其工作原理是:LED發(fā)出的光信號經(jīng)過光纖傳送到高電位的光學傳感器中,在導體被測電流產(chǎn)生的磁場作用下,使線性偏振光的偏振平面發(fā)生偏轉(zhuǎn),線性偏振光經(jīng)過檢偏器轉(zhuǎn)換成含有偏轉(zhuǎn)角度信息的光強度信號,再經(jīng)過光纖傳送到低電位的接收部分,通過光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?再把這個電信號進行一定的處理,得到被

13、測電流。 2.2MOCT的主要研究問題 雖然MOCT已經(jīng)達到實用化的程度,但是要取代傳統(tǒng)的CT它還存在一些問題。主要問題有以下 4個方面: (1)雙折射效應(yīng)的影響。雙折射效應(yīng)對MOCT的影響主要是使入射到磁光材料的線性偏振光變成橢圓偏振光,從而使檢偏器的輸出光強度變化不與被測電流成正比。這大大影響了MOCT的靈敏度和測量精度。目前,關(guān)于雙折射問題的研究很多,但都是針對某一種類型的MOCT。對于通用的MOCT,至今還沒有找到實用的解決方法,仍需繼續(xù)進行研究。 (2)干擾問題。在測量的過程中,由于MOCT采用的是磁光效應(yīng)的原理,因而它所測的導體就會受到導體周圍的磁場的影響而產(chǎn)生干擾問題,進而造成一

14、定的測量誤差而影響測量結(jié)果。 (3)溫度的影響。MOCT的重要部件是Farady晶體,而晶體的特性隨溫度的變化會有一些變化,從而給測量系統(tǒng)帶來一定的誤差。 (4)振動問題。當測量的光學系統(tǒng)受到干擾時,就會產(chǎn)生振動。振動產(chǎn)生的主要原因有電路的開關(guān)動作、環(huán)境或人為干擾等。 3HOCT 3.1HOCT的原理 HOCT是利用空心線圈或帶鐵芯的線圈采樣電流信號,然后通過光纖把采樣到的信號傳送到低壓側(cè)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。由于帶鐵芯的線圈的固有缺點,所以現(xiàn)在通常采用空心Rogowski線圈作為電流采樣線圈。由于沒有鐵芯,不存在鐵磁飽和問題,測量范圍幾乎不受限制,這種傳感器可達到0.1%的測量精度。 圖3為Rog

15、owski線圈的結(jié)構(gòu)示意圖,整個線圈均勻地繞在一個非磁性材料的骨架上,線圈的總匝數(shù)為N,線圈的橫截面積為A,被測電流從線圈中心穿過,由電磁感應(yīng)在二次線圈中得到電壓信號。通過線圈的電流在線圈上感應(yīng)的電動勢和導體中流過電流的變化率成正比,即:E=Hdidt(7)式中,H=4×10-7NA為線圈的靈敏度。如果線圈的輸出和一個積分器連接,則積分器的輸出就和所要測量的電流成正比。理論證明:只要線圈繞制均勻,則無論母線位于環(huán)形線圈內(nèi)任何位置,互感系數(shù)始終是一個常數(shù),空心環(huán)形線圈的感應(yīng)電動勢反映穿心母線電流大小。另外,Rogowski線圈是靠電磁感應(yīng)原理來測量電流的,較強的外磁場將對其二次繞組和測

16、量回路產(chǎn)生干擾,故需屏蔽Ro-gowski線圈,以減小測量誤差。圖4為一種采用Rogowski線圈作為傳感頭來取電流信號的HOCT的結(jié)構(gòu)示意圖。其測量原理為:當被測電流i通過Rogowski線圈時,在線圈出線端感應(yīng)出電勢e,e與初級電流i的變化率di/dt 成比例。該信號經(jīng)積分器得到一個與i成比例的電壓信號;接著在高壓端把這個信號通過發(fā)射電路把這個電壓信號變成頻率調(diào)制光脈沖信號。再把這個光脈沖信號通過光纖傳到低電位,在低電位端,經(jīng)接收電路變換把光信號解調(diào)為電信號,對信號進行處理,還原成所測量的電流信號。 3.2HOCT的主要研究問題 HOCT的技術(shù)難點之一是傳感頭取信號繞組(即采樣繞組)的制作

17、。采樣繞組可以用傳統(tǒng)的電流互感器,但用傳統(tǒng)互感器仍然存在磁飽和問題。由于傳感頭信號電源輸出容量很小,所以Rogowski線圈已能滿足要求。因此,如何設(shè)計低功率輸出、結(jié)構(gòu)簡單、線性度良好的Rogowski線圈在這種互感器的研究和設(shè)計中就顯得尤為重要。另外,由于Rogowski線圈輸出的為電流信號,而后邊的電子電路處理的是電壓信號,所以在這種互感器中通常需要一個積分器把電流信號變換為電壓信號,因此如何選擇合適的積分器也是這種互感器設(shè)計時應(yīng)該考慮的一個主要問題。HOCT高壓側(cè)的電子電路需要有電源供應(yīng)才能夠正常運行,由于高壓側(cè)和低壓側(cè)沒有電磁聯(lián)系,因此如何解決高壓側(cè)的電源問題是HOCT的一個難點。目前

18、解決電源問題的方法有以2.5振打力應(yīng)均布無論采用何種振打機構(gòu)及在選擇振擊點時,都應(yīng)使整個電極板面上各點的振打加速度分布均勻,既不至于過大,同時板面上的最小振打加速度處也應(yīng)有清灰所需要的振打力。在這方面,聲波清灰器優(yōu)于機械振打裝置。 2.6設(shè)備的使用壽命及維修 增效型、低噪音、多用途聲波清灰器無機械傳動機構(gòu),在冷、熱狀態(tài)下運行都不會出現(xiàn)機械故障。低頻、高能聲波對極板、極線表面和電除塵器內(nèi)壁沒有任何機械損傷和腐蝕。這種聲波清灰器耗氣量低、有效作用范圍廣、性能穩(wěn)定、免維修,是良好的節(jié)能、環(huán)保產(chǎn)品,是先進、可靠的聲波清灰器。電除塵器內(nèi)部,如氣流均布板、內(nèi)壁、管撐、拉桿、瓷套和內(nèi)部寬、窄走道等構(gòu)件,與陽

19、極板同等電位(即正極),用聲波清灰器經(jīng)常清理這些構(gòu)件的表面,起到增大陽極參與收塵面積的作用。機械振打裝置在電除塵器內(nèi)運行較長時間后,除塵效率將下降。最主要的原因是由于振打清灰效果不佳,使電極表面“日積月累”,沉積一層永久性的灰膜。作為導電載體的Na、Li等堿金屬離子逐漸被消耗,使板面塵層的比電阻增大,造成電暈封閉,運行狀況惡化,必須對電極表面進行人工清理或高壓水沖洗。若用人工清理,只有等到停爐后,工人進入除塵器內(nèi)進行;這里工作條件極差,工人勞動強度大,并且因設(shè)備內(nèi)空間太大,構(gòu)件又排布緊湊而難以徹底清理;若用高壓水沖洗,沖洗后必須馬上烘干,否則內(nèi)部構(gòu)件將很快銹蝕;并且高壓水沖洗必須等到停爐后,待

20、電場慢慢冷卻后才能進行(防止驟冷使極板變形),且極板中部高壓水沖洗效果差;在運行期間出現(xiàn)電暈封閉時,不能用高壓水沖洗。 3聲波清灰器與機械振打裝置的配置 研究和實驗的結(jié)果表明:電除塵器在保留原機械振打的情況下,在一電場多裝聲波清灰器,可減少機械振打的時間和次數(shù);二電場少裝聲波清灰器,可適當減少機械振打的時間和次數(shù);三、四電場少裝或不裝聲波清灰器,原機械振打時間和次數(shù)不變。聲波清灰器和原機械振打裝置分區(qū)、間隔清灰,能取得令人滿意的效果。 傳統(tǒng)的機械振打存在一些弊病,這些弊病可用聲波清灰器克服。如將聲波清灰器與機械振打裝置的優(yōu)點結(jié)合起來,讓兩者各自的優(yōu)勢互補,可取得最佳效果。 4結(jié)束語 用聲波清灰

21、方式可替代高壓水沖洗,可避免極板、極線及其他構(gòu)件的銹蝕,提高設(shè)備的使用壽命。用聲波清灰器清灰無需進入電場內(nèi)部清理,可大大減輕工人的勞動強度,提高生產(chǎn)效率。采用聲波清灰與原有機械振打相結(jié)合的清灰方式能使電除塵設(shè)備提高除塵效率和延長高效投入的時間,提高設(shè)備使用壽命,能充分發(fā)揮它的社會效益、環(huán)保效益和經(jīng)濟效益。 5參考文獻 1張茂軍.振片式聲波清灰器在窯尾電除塵器上的應(yīng)用.水泥,2001 (11) 2張茂軍,臧念思,等.聲波清灰器在電除塵器上的應(yīng)用.電力建設(shè), 2002(8) 電磁感應(yīng)產(chǎn)生(見圖4);(2)由低壓側(cè)將電能轉(zhuǎn)換成光能,然后通過光纖將能量傳輸?shù)礁邏簜?cè);(3)在高壓側(cè)用電池解決電源問題。

22、4結(jié)論 目前,不論是MOCT還是HOCT的發(fā)展,都已經(jīng)從原理性階段過渡到與電力系統(tǒng)相結(jié)合的階段,有許多國家和地區(qū)已經(jīng)到了掛網(wǎng)運行的階段。預(yù)計在未來的幾年內(nèi),光纖電流互感器將在電力系統(tǒng)中大量使用。隨著電力設(shè)備向小型化、綜合自動化和高可靠性方向發(fā)展,對電力設(shè)備提出了更高的要求。而光纖電流互感器的發(fā)展,必將大大加速這一進程。 5參考文獻 1Emerging Technologies Working Group, Fiber Optic SensorWorking Group. Optical Current Transducer for Power S