1、光電電流、電壓互感器的原理關(guān)鍵詞：光電電流互感器、光電電壓互感器、法拉第磁光效應(yīng)、光的干涉、偏振光、雙折射、普克爾效應(yīng)前言為適應(yīng)輸變電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)左性的需要及向大容量、數(shù)字化保護(hù)、控制的發(fā)展。 國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)、髙校、研究機(jī)構(gòu)花費(fèi)大量的資金、人力研究把光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于電力工業(yè)。自上世紀(jì)70年代日本、美國(guó)、法國(guó)、前蘇聯(lián)研究光電式互感器。光電式互感器的工作 原理與傳統(tǒng)的電磁式互感器是完全不同的。光電式互感器的動(dòng)態(tài)測(cè)量范用廣、體積小、重量 輕，不存在飽和現(xiàn)象，絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗電磁干擾性能好此外光電互感器的一個(gè)探頭的信 號(hào)通過(guò)信號(hào)處理可以得到測(cè)量與繼電保護(hù)用的信號(hào)。測(cè)量用的信號(hào)要求髙的準(zhǔn)確度，繼電

2、保 護(hù)用的信號(hào)要求高的頻率響應(yīng)，現(xiàn)在信號(hào)處理系統(tǒng)完全可以作到。（1）日本早在上世紀(jì)80年代已經(jīng)用光電互感器解決三相一體化氣體絕緣裝置（GIS）的小 型化問(wèn)題。日本關(guān)西電力公司與電新電機(jī)公司在住友電氣公司的協(xié)作下通過(guò)采用BSO元件 （鈕硅氧化物）在84kV氣體絕緣開(kāi)關(guān)裝巻（GIS）中采用了光電電流、電壓互感器，進(jìn)行 長(zhǎng)期的帶電試驗(yàn)。（2）在上世紀(jì)90年代美國(guó)的Tennessee Valley Authority與West-inghouse Electric Corporation在實(shí)際運(yùn)行條件下成功地采用光電電流互感器進(jìn)行髙準(zhǔn)確度測(cè)量及快 速的繼電保護(hù)任務(wù)。我國(guó)的淸華大學(xué)、華中理工大學(xué)、上海科技

3、大學(xué)也開(kāi)展這個(gè)領(lǐng)域的研究工作。清華大學(xué) 的光電電流互感器作為國(guó)家'八五科技攻關(guān)項(xiàng)目得出階段性的成果。華中理工大學(xué)研制的 光電電流互感器已于1993年12月在廣東新會(huì)市大澤變電所HOkV電網(wǎng)上試運(yùn)行。雖然經(jīng)過(guò)幾十年的研究，但是光電式互感器的商品化程度不高。究其原因輸變電設(shè)備的 環(huán)境惡劣、環(huán)境的溫度變化大，但是光電互感器的測(cè)量精度受環(huán)境溫度的影響較大，為保證 測(cè)量的準(zhǔn)確、運(yùn)行可靠需要采取各種措施減低溫度變化對(duì)光電互感器性能的影響。有些方案 在實(shí)驗(yàn)室中可行到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施有困難。此外，批量制造的工藝尚不成熟。隨著光學(xué)技術(shù)、微電 子技術(shù)、激光技術(shù)、光通訊技術(shù)的發(fā)展光電互感器的研究有較大的進(jìn)展。目前我

4、國(guó)有多條輸 電線路采用國(guó)外的光電互感器作為計(jì)雖及繼電保護(hù)的裝宜。一、光纖式電流互感器1、工作原理原理圖如圖所示。是基于單模光纖的法拉第（Faraday）磁光效應(yīng)。即偏振光通 過(guò)位于磁場(chǎng)中的單模光纖時(shí)光的偏振而會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。其旋轉(zhuǎn)角與磁場(chǎng)強(qiáng)度H、 光在磁場(chǎng)中通過(guò)的路程L、磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向與光傳播的方向之間的夾角、光 纖材料的費(fèi)爾徳常數(shù)（Verdet）o旋轉(zhuǎn)角的訃算公式：0 =V J H dl(1)L設(shè)被測(cè)的電流i通過(guò)被單模光纖纏繞的金屬導(dǎo)體，單模光纖繞金屬導(dǎo)體N 匝。每匝光纖是封閉的回路，根據(jù)全電流定律有：e =v O dT=V N ii二 e/V/N由于V、N是常數(shù)電流i與旋轉(zhuǎn)角0成線性關(guān)系，測(cè)岀

5、旋轉(zhuǎn)角0就可以計(jì) 算被測(cè)電流i .2、測(cè)量旋轉(zhuǎn)角0的原理如下：檢測(cè)通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)的線偏振光的光強(qiáng)的變化可以測(cè)出偏轉(zhuǎn)角0。圖中，光 源(激光器或LED) 1發(fā)岀光強(qiáng)穩(wěn)立的單色非偏振光朿。光朿經(jīng)過(guò)起偏器2后變成光強(qiáng)穩(wěn)左 的線偏振光。通過(guò)準(zhǔn)直透鏡3后，線偏振光導(dǎo)入光纖4。線偏振光通過(guò)處于磁場(chǎng)中的單模光 纖后偏振而發(fā)生旋轉(zhuǎn)(該磁場(chǎng)由被測(cè)電流i產(chǎn)生)，旋轉(zhuǎn)角的大小為0。由光纖出射的偏振 光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡6后進(jìn)入檢偏器7,檢偏器與起偏器之間的偏振之間的夾角為"，由檢偏器 出射的光朿被光電接收器接收，光束的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成光電流。該光電流的信號(hào)包含旋轉(zhuǎn)角()的 信息。光電接收器接收的光強(qiáng)為：j=jo cos

6、 (-e) cos (i)-e)J=Jo （1+Sin 2 0）/2因o值很小所以可以認(rèn)為Sin 2 o =2 oJ=Jo （1+ 29 ） /2考慮光學(xué)系統(tǒng)的光損耗a：J=a Jo - （1+ 2 9 ） /2J值由兩部分組成：a Jo :是直流分疑2a Jo 2 6:是交流分量2將光電探測(cè)器輸岀的光電流的交流分量除以直流分量即可汁算岀偏轉(zhuǎn)角（） 的值。a Jo 2 94-a Jo =2 92 2目前的電子技術(shù)是很容易處理上述信號(hào)，求岀偏轉(zhuǎn)角0。3、設(shè)計(jì)需要注意的問(wèn)題（1）光源的光強(qiáng)要穩(wěn)左，光強(qiáng)不應(yīng)受環(huán)境的影響。光源發(fā)出的應(yīng)是單色光，因?yàn)閂erdet常數(shù)與光的波長(zhǎng)有關(guān)。（2）單模光纖由于存在

7、機(jī)械應(yīng)力從而產(chǎn)生雙折射，光纖的雙折射將也會(huì)引起光束的偏振而的偏轉(zhuǎn)。這種附加的偏轉(zhuǎn)引尼測(cè)量的誤差。此外當(dāng)環(huán)境的溫度 發(fā)生變化時(shí)，光纖的應(yīng)力也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致雙折射的變化、最終使得所 測(cè)出的0角與被測(cè)的電流之間產(chǎn)生誤差。這是該系統(tǒng)存在的致命缺陷。為 了改進(jìn)需要采用雙折射很小的保偏光纖、或髙圓雙折射、橢圓雙折射光纖。 這種光纖制作復(fù)雜、價(jià)格昂貴、穩(wěn)定性差。（3）結(jié)構(gòu)上要使起偏器與檢偏器的偏振方向之間的夾角保持一致，夾角為45° ,使得系統(tǒng)的靈敏度最大（在同樣匝數(shù)的光纖條件下）。（4）該系統(tǒng)的要求光電探測(cè)器工作在線性范圉內(nèi)即輸出的光電流與輸入的光強(qiáng)成線性關(guān)系。（5）由于項(xiàng)中提到的問(wèn)題該方案只

8、是在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)電流的測(cè)量，無(wú)法在戶外掛網(wǎng)運(yùn)行。二、封閉光學(xué)玻璃塊型電流互感器利用封閉光學(xué)玻璃塊用繞通電導(dǎo)體來(lái)測(cè)量電流的方案的測(cè)量原理與光纖電流:手地互感器的原理是相同是利用法拉第磁光效應(yīng)進(jìn)行電流的測(cè)量。1、測(cè)量原理圖由光源1發(fā)出的單色光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2、起偏器3形成線偏振光后，進(jìn)入光環(huán)的 一臂4、到達(dá)4的端部后反射至另一臂5 ,光束如此傳播經(jīng)過(guò)臂6、臂7,由 臂7出射后通過(guò)檢偏器8、透鏡9被光電探測(cè)器10接收。由光電探測(cè)器輸岀 光電流，通過(guò)信號(hào)處理單元可以測(cè)岀光環(huán)所用繞的通電導(dǎo)體中通過(guò)的電流。光環(huán)可由四塊光學(xué)玻璃膠合成整體或整塊光學(xué)玻璃加工而成。由全電流泄律偏轉(zhuǎn)角0由以下公式計(jì)算：e =v O

9、dT=V i光電流信號(hào)的處理及被測(cè)電流i的汁算方法同與全光纖的電流互感器。2、傳感頭設(shè)計(jì)要考慮的問(wèn)題光朿經(jīng)過(guò)光環(huán)傳感頭中間將存在6次反射。光在反射面（反射而兩邊的折 射率不同）上反射后，電矢量的兩個(gè)相互垂直的分量之間將產(chǎn)生相位差線偏振會(huì)變 成橢圓偏振光將降低測(cè)量精度。需要對(duì)此相位差進(jìn)行補(bǔ)償。一般采用有幾何補(bǔ)償， 即使得反射的次數(shù)為偶數(shù)。此外奇數(shù)次反射的電矢量中的平行于入射面的分量在偶 數(shù)次反射時(shí)成為垂直于入射而的分量。奇數(shù)次反射的電矢量中的：垂直于入射而 的分量在偶數(shù)次反射時(shí)成為平行于入射而的分量。相互垂直的兩個(gè)分量經(jīng)過(guò)偶次反 射后相位差相同。從傳感頭輸出的光朿的這兩個(gè)分量的相位差為零。玻碉的

10、材料應(yīng)選擇雙折射小、內(nèi)應(yīng)力小。全光纖電流互感器中溫度對(duì)測(cè)量 精度的影響在光環(huán)傳感頭中同樣存在。但是，對(duì)玻璃材料而言溫度變化引起的雙折 射較全光纖小，同時(shí)對(duì)晶體而言存在著一個(gè)特征方向，當(dāng)光束沿該特征方向入射時(shí) 溫度變化對(duì)光環(huán)傳感頭的雙折射的影響大大減小。（3）選擇Verdet常數(shù)較大的材料。（4）當(dāng)采用膠合的方法制造的光環(huán)傳感頭，光學(xué)膠的折射率應(yīng)與光學(xué)材料接 近，對(duì)光環(huán)傳感頭的密封性要好，以免濕氣對(duì)光學(xué)膠的影響。光環(huán)傳感頭的加工要求很髙使得成本大為提高。3、光環(huán)傳感頭的樣機(jī)盡管光環(huán)傳感頭的加工難度較大，但是在光學(xué)加工的工廠還是可以加工出來(lái)。 列外英抗干擾性強(qiáng)、磁場(chǎng)利用率高、溫度的影響較小，前期的

11、光電電流互感器 大多采用光環(huán)傳感頭式的電流互感器。我國(guó)華中理工大學(xué)在廣東新會(huì)掛網(wǎng)的光 電電流互感器采用該方案。1*三、光纖干涉式光電電流互感器1、光的干涉依據(jù)光的波動(dòng)理論，設(shè)兩朿振動(dòng)方向相同、波長(zhǎng)相同、頻率相同的光波的振動(dòng) 方程為：Si=ai sin( 31+(1)i)=ai sin( 31+2 n di/ X)S?=a2 sin( 31+ <1)2)=a? sin( 31+2 乳止/ 入 +(I)o)兩束光相疊加形成同一周期的合振動(dòng)：S=Si+S2=A sin( 31+()tg()=(aisin(I)i+ a2sin(I)2)/ (aicos(I)1+ azcos(1> 2)A*

12、A=ai*ai+a2*a2+2aia2Cos( <1)2-(I)i)=ai*ai+a2*a2+2aia2cos (di-d?) 2 肌 / 入 <b 0如果振動(dòng)的相位差(I)2-(I)1在整個(gè)時(shí)間內(nèi)是恒左值，則合振動(dòng)的總光強(qiáng)隨相位差<1)2-(I)1或光程差di-d2的變化而變化，合振動(dòng)的光強(qiáng)由極小值(aia2)*(ai-a?)變到極大值(ai+a2)* (ai+a?)光波的這種性質(zhì)稱(chēng)之為干涉。如果兩束相干光的振幅相同即ai=a2=aA=2acos (di-d?) :n / 入 +()o/2若 <1>()=0A=2acos(di-d2)兀 / 入當(dāng)(di-d2)=

13、m X時(shí)合振動(dòng)的光強(qiáng)為A*A=4a*a得到光強(qiáng)的最大值，當(dāng)(di-d2)= (m+1/2)入時(shí)合振動(dòng)的光強(qiáng)為a*a=o得到光強(qiáng)的最小值，m為正整數(shù)干涉的圖案為明暗相間的條紋，兩個(gè)條紋之間的光程差（相位差）為光波的波長(zhǎng)入或相位差為兀。2、光纖干涉電流測(cè)疑原理測(cè)量原理如下：被測(cè)電流通過(guò)導(dǎo)體（母線），在導(dǎo)體外套有一個(gè)儒可夫斯基線圈，線圈的兩岀 線端接于電致伸縮晶體，在晶體上繞有單模光纖。當(dāng)電致伸縮晶體的軸向兩端 施加電壓時(shí)晶體徑向的尺寸將發(fā)生變化，徑向的尺寸變化與所施加的電壓大小 成比例。電致伸縮晶體徑向的尺寸變化導(dǎo)致纏繞英上的光纖長(zhǎng)度的變化，引起 光纖中轉(zhuǎn)播的光束的光程的變化。利用上述的變化關(guān)系可

14、以測(cè)出通過(guò)導(dǎo)體的電 流。傳感頭的原理圖如下：激光器作為入射光的光源，其所發(fā)岀的光是單色光。激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)單 模光纖進(jìn)入耦合器/分朿器分別進(jìn)入測(cè)試臂光纖繞組及參考臂光纖繞組，測(cè)試臂 光纖繞組繞于圓柱形電致伸縮晶體上，圓柱形電致伸縮晶體的兩個(gè)電極分別接 于儒可夫斯基線圈的兩輸岀端，儒可夫斯基線圈套于通電導(dǎo)體母線）夕卜。當(dāng)導(dǎo) 體中通過(guò)電流時(shí)在儒可夫斯基線圈的輸出端產(chǎn)生電勢(shì)V,電勢(shì)的大小比例于導(dǎo) 體中通過(guò)的電流i。V * i電勢(shì)V施加到圓柱形電致伸縮晶體的兩個(gè)電極上引起圓柱形電致伸縮晶體 徑向尺寸的變化DD 8 VL的變化引起測(cè)試臂光纖的長(zhǎng)度變化L,引起光程的變化L 8 D參考臂的光纖長(zhǎng)度未發(fā)生變

15、化，因此當(dāng)測(cè)試臂光纖岀射的光與參考臂出射的 光通過(guò)耦合器/分束器8疊加時(shí)在8處產(chǎn)生干涉。產(chǎn)生干涉的光出射后被光電探測(cè)接收，經(jīng) 過(guò)信號(hào)處理單元處理后，可以計(jì)算岀被測(cè)的電流i 。3、系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)隨著光通訊技術(shù)的發(fā)展，激光器、單模光纖、耦合器/分束器等光學(xué)元件的發(fā)展 非常迅速，因此系統(tǒng)中用到的光學(xué)元件在市場(chǎng)上可以方便地買(mǎi)到。儒可夫斯基線圈是沒(méi)有磁性材料，不存在磁飽和現(xiàn)象。儒可夫斯基線圈輸出的電 勢(shì)與通過(guò)母線的電流成比例，線性度好。干涉圖形是明暗相間的條紋，光強(qiáng)的變化是周期函數(shù)，信號(hào)處理方便。由于溫度變化引起的的光程差的變化對(duì)于參考臂、測(cè)試臂是相同的，因此互相可 以抵消。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單4、需要解決的問(wèn)題儒可夫

16、斯基線圈輸出的電勢(shì)受到英幾何尺寸的影響，而溫度的變化將影響到儒 可夫斯基線圈的幾何尺寸。因此，要考慮溫度的補(bǔ)償問(wèn)題。（2）測(cè)試臂上的光纖與圓柱形電致伸縮晶體熱膨脹系數(shù)應(yīng)接近以免由于熱膨脹系數(shù) 的不一致引起測(cè)量渓差。四、五、干涉法光電電壓互感器干涉法測(cè)量電流的方法同樣可以用于測(cè)量電壓。測(cè)量的原理圖如下：設(shè)高壓母線對(duì)地的被測(cè)電壓為V。圓柱形電致伸縮晶體及其兩個(gè)電極之間形成一電 容，設(shè)英電容量為Cl,圓柱形電致伸縮晶體的低壓端與地之間串連一個(gè)電容（電 容的電感應(yīng)為0）,電容量為C2。加在圓柱形電致伸縮晶體兩極的電壓為：V)=C2*V/ (C)+C2)標(biāo)左出 C2/ (Cl+C2)測(cè)岀Vi可以計(jì)算岀被

17、測(cè)電壓V值。Vi值可以直接由測(cè)量的光程差中計(jì)算 出。六、利用普克爾效應(yīng)的光電電壓互感器1、普克爾效應(yīng)某些務(wù)向同性的晶體在電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，即沿晶體的不同晶軸 的光的折射率產(chǎn)生差異。因而，使得光沿不同的晶軸傳播的速度不同，產(chǎn)生光 程差，而折射率之差與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。晶體的這種效應(yīng)稱(chēng)之為普克爾效應(yīng)。2、光電電壓互感器的工作原理光電電壓互感器就是通過(guò)測(cè)量普克爾效應(yīng)產(chǎn)生的雙折射所造成的相位差，訃算 出電場(chǎng)強(qiáng)度即彼測(cè)的電壓值。其原理圖如下：光源1發(fā)出一朿光，經(jīng)透鏡2、起偏器3成為線偏振光，其偏振方向與普克爾 晶體4的兩個(gè)相互垂直的光軸X、Y成45° o普克爾晶體元件的厚度為L(zhǎng),施

18、加電壓兩而的距離為血并施加電壓為V,線偏振光通過(guò)上述普克爾晶體元件 在X、Y軸上的分量產(chǎn)生相位差丫。Y =2 兀 *no*no*no* Y 22*L*V/ 入 /dY : x、y軸上分量的相位差：no：普克爾晶體元件的正常折射率丫22：普克爾晶體元件的普克爾系數(shù)(enW)入：波長(zhǎng)(cm)L：光通過(guò)普克爾晶體元件的幾何路程(cm)d :施加電壓V兩極板之間的距離（cm）v/d :施加的電場(chǎng)強(qiáng)度（V/cm）由普克爾晶體元件出射光經(jīng)過(guò)1/4波片5后相位差為丫 +肌/2。由1/4波片出射的光經(jīng)過(guò)振動(dòng)方向與起偏器的振動(dòng)方向垂直的檢偏器6后被光電 探測(cè)器8接收，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理單元可以計(jì)算岀通過(guò)普克爾 晶體元件后的相位差，也同時(shí)計(jì)算出被施加的電壓值即被測(cè)的電壓值。普克爾晶體可以采用LiNbO3（規(guī)酸鋰