電力系統中光學互感器的研究

摘 要：現代電力系統的兩大發展趨勢是大容量和超高壓，光學電流互感器和光學電壓互感器在其中具有廣闊的發展空間。本文通過對電力系統中光學互感器的工作原理進行分析，總結了現階段我國光學互感器存在的突出問題，并進一步指明了未來一段時期內發展的方向。

關鍵詞：電力系統；光學互感器；測量精度；運行穩定性

1 前言

光學互感器設計和使用中最重要的兩個指標是測量的精度和運行穩定度，兩者之間存在一定的矛盾。同時溫漂問題是制約光學互感器應用的主要問題。

2 電力系統中光學互感器研究進展分析

2.1 光學電流互感器基本原理

光學電流傳感技術的研究主流是大多都是基于法拉第磁光效應制作的，這種OCT測量電流的基本原理是電流變化會引起磁場強度的變化，通過測量磁場強度的線積分就能夠求得電流強度。但是偏振光的偏轉角是不能直接測量的，現實中常常使用馬呂斯定律，通過將不可測量的偏轉角信號轉化為能夠測量的偏振光信號，最終得到電流的變化。在光學電流互感器的設計中，檢偏器是偏振分束器，能夠在檢測偏振光的同時，將偏振光分解為兩個分量。光學電流互感器有多種實現形式，現階段最流行的有：塊狀光學電流互感器、全光纖式光學電流互感器、電子式電流互感器和集磁環式。其中全光纖式光學電流互感器將光纖纏繞在通電導體上，通過光纖的偏正特性實現電流的測量。電子式電流互感器與其他三種OCT結構的互感器傳感原理差別較大，其原理是在高壓端測量電流，然后將電流信號轉換為數字信號，在經過光電轉換電路轉變為脈沖信號，在地面實現信號的再次轉換，最終通過計算機的計算得到電流變化。

2.2 光學電壓互感器基本原理

按照工作原理進行劃分，光學電壓互感器可以分為電磁式和電容式兩種，其中電磁式光學電壓互感器的測量原理類似于普通的變壓器，其中鐵芯飽和可能引發鐵磁諧振，導致高壓繞組電流迅速升高，最終燒毀電壓互感器。這種鐵磁諧振引發的兩大原因是互感器本身的非線性電感和斷路器的斷口電容，是無法從根本上消除的。電容式光學電壓互感器主要應用于高壓電力系統中，具有成本低、絕緣強度高、體積小和可靠性高等優勢，但是缺點是測量準確定不高。

2.3 光學互感器研究進展

光學互感器興起于上世紀60年代，在八十年代和九十年代取得了突飛猛進的發展。現階段的OCT發展呈現出一種多用途和多類型發展的趨勢。我國對于該技術的研究較晚，最早由沈陽變壓器研究所開始研究，1993年研發的計量用OCT設備在廣東電網運行，標志著我國OCT技術進入實用化階段。上世紀90年代至今的研究重點是雙折射對于測量的影響及溫度、振動對于測量精度的干擾問題。

3 光學互感器應用于電力系統中存在的問題

3.1 光學電流互感器存在的主要問題

總結分析現階段光學電流互感器存在的主要問題，以下幾方面影響最為突出：（1）運行溫度影響測量精度，使得計量標準難以達到。溫度的影響是通過磁光材料中雙折射現象導致的，通過對于輸出強度的影響，導致測量結果存在誤差，這就是光學互感器中最關鍵的問題—溫漂問題。不少研究人員提出通過溫度補償方案，但是傳感材料的加工性不理想，還可能引發運行穩定性問題。（2）穩定性不足，無法滿足長時間使用的要求。互感器在長時間運行之后，會出現輸出光降低的問題，嚴重情況下可能導致測量性能的喪失，研究發現，導致該問題的主要原因是環節多和光路長。

3.2光學電壓互感器存在的主要問題

光學電壓互感器最主要的問題是運行穩定性和可靠性不高，這主要是由于光學電壓互感器采用了更多的元器件和接頭，其中傳感頭的問題是現階段研究的重點。目前使用的電光晶體主要是BGO晶體，存在最主要的兩個問題是沉淀和顏色，沉淀物會引發雙折射現象，同時帶來附加的延遲相位，但是現階段的工藝還不能完全解決BGO晶體的提純和提拉問題。另一方面，傳感頭位于室外，收到溫度的影響較為明顯，這在一定程度上也會導致測量精度的降低。

4 電力系統中光學互感器研究方向分析

高品質的光學互感器長期以來一直是電力系統光學測量領域的研究熱點。經過30多年的探索與研究，已經形成了基于不同原理和多種技術光學互感器結構，但是仍有必要在原理、工藝和材料方法上進一步研究，提高可靠性和實用化水平。

在原理上，進一步深化光學測量技術機理研究，系統分析電光、磁光、彈光、熱光因了對光學互感器靈敏度影響；利用御磁、聚磁等技術提高測量精準度和抗外部干擾問題。在技術上，研究閉環控制結構和相位補償方法，優化光路設計，提高傳感頭的易加工性，解決溫度、振動等制約互感器實用化問題。在制作工藝領域，未來一段時期內，應盡快解決塊狀介質材料的粘合問題，提升粘合質量，同時改進光纖元器件的融接問題降低光路中的能量消耗。最后，在互感器制作材料領域，建議研發菲爾德長度常數較高同時對于外界溫度變化不敏感的介質和材料，以此來降低雙折射效應的影響；與此同時，提升光學電子器件的可靠性，克服光源敏感器件溫漂和慢變的問題。

光學互感器除具備自身動態測量范圍寬、無高壓絕緣等優點外，可有效推動智能設備和二次保護控制技術的進步。利用設備體積小、重量輕、絕緣簡單等特點，便于與瓷柱式斷路器、GIS/HGIS等設備集成組合，提高設備安裝靈活性，有效節約變電站占地面積。利用光學測量的數字化和精準化特點，實現了變電站信息采集的數字化和傳輸光纖網絡化，簡化了接線，提高了抗電磁干擾能力；有效支撐了繼電保護故障判別的速動性、靈敏性和可靠性；促進以暫態量和采樣值為判別基礎的新原理保護和電力系統動態觀測技術的實用化。

5 結語

光學互感器是傳感光學在電力系統中應用的具體體現，具有傳統互感器無法比擬的優勢。盡管現階段光學互感器在原理和制作工藝等方面取得了長足的進步，但是距離可靠穩定的運行還有一段距離。

參考文獻：

[1]陳剛，趙雙雙，陳銘明，徐敏銳，王立輝. 光學電流互感器技術在電力系統中的應用[J]. 電氣應用，2014，（20）：86-89.

[2]肖智宏. 電力系統中光學互感器的研究與評述[J]. 電力系統保護與控制，2014，（12）：148-154.

[3]溫海燕，雷林緒，張朝陽，平海濤. 電力系統用光學電壓互感器的原理及研究現狀[J]. 光纖與電纜及其應用技術，2013，（04）：1-5+19.

作者簡介：

董蘊慧（1996.04.27）；性別：女，籍貫：山東煙臺市蓬萊市，學歷：本科，畢業于山東科技大學；研究方向：電氣工程。