電力系統(tǒng)中光學(xué)互感器的研究

摘 要：現(xiàn)代電力系統(tǒng)的兩大發(fā)展趨勢(shì)是大容量和超高壓，光學(xué)電流互感器和光學(xué)電壓互感器在其中具有廣闊的發(fā)展空間。本文通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)中光學(xué)互感器的工作原理進(jìn)行分析，總結(jié)了現(xiàn)階段我國(guó)光學(xué)互感器存在的突出問(wèn)題，并進(jìn)一步指明了未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；光學(xué)互感器；測(cè)量精度；運(yùn)行穩(wěn)定性

1 前言

光學(xué)互感器設(shè)計(jì)和使用中最重要的兩個(gè)指標(biāo)是測(cè)量的精度和運(yùn)行穩(wěn)定度，兩者之間存在一定的矛盾。同時(shí)溫漂問(wèn)題是制約光學(xué)互感器應(yīng)用的主要問(wèn)題。

2 電力系統(tǒng)中光學(xué)互感器研究進(jìn)展分析

2.1 光學(xué)電流互感器基本原理

光學(xué)電流傳感技術(shù)的研究主流是大多都是基于法拉第磁光效應(yīng)制作的，這種OCT測(cè)量電流的基本原理是電流變化會(huì)引起磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的線積分就能夠求得電流強(qiáng)度。但是偏振光的偏轉(zhuǎn)角是不能直接測(cè)量的，現(xiàn)實(shí)中常常使用馬呂斯定律，通過(guò)將不可測(cè)量的偏轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)化為能夠測(cè)量的偏振光信號(hào)，最終得到電流的變化。在光學(xué)電流互感器的設(shè)計(jì)中，檢偏器是偏振分束器，能夠在檢測(cè)偏振光的同時(shí)，將偏振光分解為兩個(gè)分量。光學(xué)電流互感器有多種實(shí)現(xiàn)形式，現(xiàn)階段最流行的有：塊狀光學(xué)電流互感器、全光纖式光學(xué)電流互感器、電子式電流互感器和集磁環(huán)式。其中全光纖式光學(xué)電流互感器將光纖纏繞在通電導(dǎo)體上，通過(guò)光纖的偏正特性實(shí)現(xiàn)電流的測(cè)量。電子式電流互感器與其他三種OCT結(jié)構(gòu)的互感器傳感原理差別較大，其原理是在高壓端測(cè)量電流，然后將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)，在地面實(shí)現(xiàn)信號(hào)的再次轉(zhuǎn)換，最終通過(guò)計(jì)算機(jī)的計(jì)算得到電流變化。

2.2 光學(xué)電壓互感器基本原理

按照工作原理進(jìn)行劃分，光學(xué)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(xué)電壓互感器的測(cè)量原理類似于普通的變壓器，其中鐵芯飽和可能引發(fā)鐵磁諧振，導(dǎo)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(fā)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(wú)法從根本上消除的。電容式光學(xué)電壓互感器主要應(yīng)用于高壓電力系統(tǒng)中，具有成本低、絕緣強(qiáng)度高、體積小和可靠性高等優(yōu)勢(shì)，但是缺點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確定不高。

2.3 光學(xué)互感器研究進(jìn)展

光學(xué)互感器興起于上世紀(jì)60年代，在八十年代和九十年代取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。現(xiàn)階段的OCT發(fā)展呈現(xiàn)出一種多用途和多類型發(fā)展的趨勢(shì)。我國(guó)對(duì)于該技術(shù)的研究較晚，最早由沈陽(yáng)變壓器研究所開(kāi)始研究，1993年研發(fā)的計(jì)量用OCT設(shè)備在廣東電網(wǎng)運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)OCT技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化階段。上世紀(jì)90年代至今的研究重點(diǎn)是雙折射對(duì)于測(cè)量的影響及溫度、振動(dòng)對(duì)于測(cè)量精度的干擾問(wèn)題。

3 光學(xué)互感器應(yīng)用于電力系統(tǒng)中存在的問(wèn)題

3.1 光學(xué)電流互感器存在的主要問(wèn)題

總結(jié)分析現(xiàn)階段光學(xué)電流互感器存在的主要問(wèn)題，以下幾方面影響最為突出：（1）運(yùn)行溫度影響測(cè)量精度，使得計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)難以達(dá)到。溫度的影響是通過(guò)磁光材料中雙折射現(xiàn)象導(dǎo)致的，通過(guò)對(duì)于輸出強(qiáng)度的影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在誤差，這就是光學(xué)互感器中最關(guān)鍵的問(wèn)題—溫漂問(wèn)題。不少研究人員提出通過(guò)溫度補(bǔ)償方案，但是傳感材料的加工性不理想，還可能引發(fā)運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題。（2）穩(wěn)定性不足，無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間使用的要求。互感器在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之后，會(huì)出現(xiàn)輸出光降低的問(wèn)題，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致測(cè)量性能的喪失，研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致該問(wèn)題的主要原因是環(huán)節(jié)多和光路長(zhǎng)。

3.2光學(xué)電壓互感器存在的主要問(wèn)題

光學(xué)電壓互感器最主要的問(wèn)題是運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性不高，這主要是由于光學(xué)電壓互感器采用了更多的元器件和接頭，其中傳感頭的問(wèn)題是現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)。目前使用的電光晶體主要是BGO晶體，存在最主要的兩個(gè)問(wèn)題是沉淀和顏色，沉淀物會(huì)引發(fā)雙折射現(xiàn)象，同時(shí)帶來(lái)附加的延遲相位，但是現(xiàn)階段的工藝還不能完全解決BGO晶體的提純和提拉問(wèn)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(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度的降低。

4 電力系統(tǒng)中光學(xué)互感器研究方向分析

高品質(zhì)的光學(xué)互感器長(zhǎng)期以來(lái)一直是電力系統(tǒng)光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)30多年的探索與研究，已經(jīng)形成了基于不同原理和多種技術(shù)光學(xué)互感器結(jié)構(gòu)，但是仍有必要在原理、工藝和材料方法上進(jìn)一步研究，提高可靠性和實(shí)用化水平。

在原理上，進(jìn)一步深化光學(xué)測(cè)量技術(shù)機(jī)理研究，系統(tǒng)分析電光、磁光、彈光、熱光因了對(duì)光學(xué)互感器靈敏度影響；利用御磁、聚磁等技術(shù)提高測(cè)量精準(zhǔn)度和抗外部干擾問(wèn)題。在技術(shù)上，研究閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和相位補(bǔ)償方法，優(yōu)化光路設(shè)計(jì)，提高傳感頭的易加工性，解決溫度、振動(dòng)等制約互感器實(shí)用化問(wèn)題。在制作工藝領(lǐng)域，未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)，應(yīng)盡快解決塊狀介質(zhì)材料的粘合問(wèn)題，提升粘合質(zhì)量，同時(shí)改進(jìn)光纖元器件的融接問(wèn)題降低光路中的能量消耗。最后，在互感器制作材料領(lǐng)域，建議研發(fā)菲爾德長(zhǎng)度常數(shù)較高同時(shí)對(duì)于外界溫度變化不敏感的介質(zhì)和材料，以此來(lái)降低雙折射效應(yīng)的影響；與此同時(shí)，提升光學(xué)電子器件的可靠性，克服光源敏感器件溫漂和慢變的問(wèn)題。

光學(xué)互感器除具備自身動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍寬、無(wú)高壓絕緣等優(yōu)點(diǎn)外，可有效推動(dòng)智能設(shè)備和二次保護(hù)控制技術(shù)的進(jìn)步。利用設(shè)備體積小、重量輕、絕緣簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，便于與瓷柱式斷路器、GIS/HGIS等設(shè)備集成組合，提高設(shè)備安裝靈活性，有效節(jié)約變電站占地面積。利用光學(xué)測(cè)量的數(shù)字化和精準(zhǔn)化特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了變電站信息采集的數(shù)字化和傳輸光纖網(wǎng)絡(luò)化，簡(jiǎn)化了接線，提高了抗電磁干擾能力；有效支撐了繼電保護(hù)故障判別的速動(dòng)性、靈敏性和可靠性；促進(jìn)以暫態(tài)量和采樣值為判別基礎(chǔ)的新原理保護(hù)和電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)觀測(cè)技術(shù)的實(shí)用化。

5 結(jié)語(yǔ)

光學(xué)互感器是傳感光學(xué)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的具體體現(xiàn)，具有傳統(tǒng)互感器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。盡管現(xiàn)階段光學(xué)互感器在原理和制作工藝等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是距離可靠穩(wěn)定的運(yùn)行還有一段距離。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]肖智宏. 電力系統(tǒng)中光學(xué)互感器的研究與評(píng)述[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，（12）：148-154.

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

作者簡(jiǎn)介：

董蘊(yùn)慧（1996.04.27）；性別：女，籍貫：山東煙臺(tái)市蓬萊市，學(xué)歷：本科，畢業(yè)于山東科技大學(xué)；研究方向：電氣工程。