光电电流、电压互感器及原理

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1、光电电流、电压互感器的原理关键词：光电电流互感器、光电电压互感器、法拉第磁光效应、光的干涉、偏振光、双折射、普克尔效应前言为适应输变电系统运行的可靠性、稳定性的需要及向大容量、数字化保护、控制的发展。国内外许多企业、高校、研究机构花费大量的资金、人力研究把光学技术应用于电力工业。自上世纪70年代日本、美国、法国、前苏联研究光电式互感器。光电式互感器的工作原理与传统的电磁式互感器是完全不同的。光电式互感器的动态测量范围广、体积小、重量轻，不存在饱和现象，绝缘结构简单，抗电磁干扰性能好.此外光电互感器的一个探头的信号通过信号处理可以得到测量与继电保护用的信号。测量用的

2、信号要求高的准确度，继电保护用的信号要求高的频率响应，现在信号处理系统完全可以作到。（1）日本早在上世纪80年代已经用光电互感器解决三相一体化气体绝缘装置（GIS）的小型化问题。日本关西电力公司与电新电机公司在住友电气公司的协作下通过采用BSO元件（铋硅氧化物）在84kV气体绝缘开关装置（GIS）中采用了光电电流、电压互感器，进行长期的带电试验。（2）在上世纪90年代美国的TennesseeValleyAuthority与West-inghouseElectricCorporation在实际运行条件下成功地采用光电电流互感器进行高准确度测量及快速的继电保护任务。我

3、国的清华大学、华中理工大学、上海科技大学也开展这个领域的研究工作。清华大学的光电电流互感器作为国家‘八五’科技攻关项目得出阶段性的成果。华中理工大学研制的光电电流互感器已于1993年12月在广东新会市大泽变电所110kV电网上试运行。虽然经过几十年的研究，但是光电式互感器的商品化程度不高。究其原因输变电设备的环境恶劣、环境的温度变化大，但是光电互感器的测量精度受环境温度的影响较大，为保证测量的准确、运行可靠需要采取各种措施减低温度变化对光电互感器性能的影响。有些方案在实验室中可行到现场实施有困难。此外，批量制造的工艺尚不成熟。随着光学技术、微电子技术、激光技术、光

4、通讯技术的发展光电互感器的研究有较大的进展。目前我国有多条输电线路采用国外的光电互感器作为计量及继电保护的装置。一、光纤式电流互感器1、工作原理原理图如图所示。是基于单模光纤的法拉第（Faraday）磁光效应。即偏振光通过位于磁场中的单模光纤时光的偏振面会发生旋转。其旋转角与磁场强度H、光在磁场中通过的路程L、磁场强度的方向与光传播的方向之间的夹角Φ、光纤材料的费尔德常数(Verdet)。旋转角的计算公式：9θ=V∫H·dl……..(1)L设被测的电流i通过被单模光纤缠绕的金属导体，单模光纤绕金属导体N匝。每匝光纤是封闭的回路，根据全电流定律有：θ=V∮H·dl=

5、V·N·ii=θ/V/N由于V、N是常数电流i与旋转角θ成线性关系，测出旋转角θ就可以计算被测电流i.：1、测量旋转角θ的原理如下:检测通过测试系统的线偏振光的光强的变化可以测出偏转角θ。图中，光源（激光器或LED）1发出光强稳定的单色非偏振光束。光束经过起偏器2后变成光强稳定的线偏振光。通过准直透镜3后，线偏振光导入光纤4。线偏振光通过处于磁场中的单模光纤后偏振面发生旋转（该磁场由被测电流i产生）,旋转角的大小为θ。由光纤出射的偏振光经过准直透镜6后进入检偏器7，检偏器与起偏器之间的偏振之间的夹角为ψ，由检偏器出射的光束被光电接收器接收，光束的光强转换成光电流。

6、该光电流的信号包含旋转角θ的信息。光电接收器接收的光强为：J=J0·COS（ψ-θ）·COS（ψ-θ）9设ψ=π/4J=J0·（1+Sin2θ）/2因θ值很小所以可以认为Sin2θ≈2θJ=J0·（1+2θ）/2考虑光学系统的光损耗α：J=αJ0·（1+2θ）/2J值由两部分组成：αJ0：是直流分量2αJ0·2θ：是交流分量2将光电探测器输出的光电流的交流分量除以直流分量即可计算出偏转角θ的值。αJ0·2θ÷αJ0=2θ22目前的电子技术是很容易处理上述信号，求出偏转角θ。1、设计需要注意的问题⑴光源的光强要稳定，光强不应受环境的影响。光源发出的应是单色光，因为V

7、erdet常数与光的波长有关。⑵单模光纤由于存在机械应力从而产生双折射，光纤的双折射将也会引起光束的偏振面的偏转。这种附加的偏转引起测量的误差。此外当环境的温度发生变化时，光纤的应力也会发生变化，导致双折射的变化、最终使得所测出的θ角与被测的电流之间产生误差。这是该系统存在的致命缺陷。为了改进需要采用双折射很小的保偏光纤、或高圆双折射、椭圆双折射光纤。这种光纤制作复杂、价格昂贵、稳定性差。⑶结构上要使起偏器与检偏器的偏振方向之间的夹角保持一致，夹角为45°，使得系统的灵敏度最大（在同样匝数的光纤条件下）。⑷该系统的要求光电探测器工作在线性范围内即输出的光电流与输入

8、的光强成线