电流互感器与光电式互感器的发展研究

电流互感器与光电式互感器的发展研究

张一平

（中国铁路兰州局集团有限公司供电处甘肃兰州730000）

摘要：随着传感器技术的发展，出于运行安全和测量精确性的考虑，可以采用一些比较先进的传感器。特别是随着光电子技术的迅速发展，科技人员已研制出利用光学传感技术和电子学原理相结合的电子式电流互感器，简称光电互感器。本文电磁式电流互感器和电子式电流互感器性能进行了对比。

关键词：电流互感器；光电式互感器；运行安全；测量精确性

前言

经过40多年的互感器发展史，可以说国内互感器行业通过几个阶段的发展已在国际上处于领先地位。互感器行业的发展必须以科技进步为先导，加强科学研究。特别是对互感器行业的关键问题应列出课题，以沈变所为中心，集中行业的技术力量，加强与科研单位及大专院校的合作，共同进行研究，从而不断推动互感器行业的技术进步和发展。

在牵引变电所电流互感器运行过程中常见的故障有，一是电流互感器一次、二次线圈对地和之间绝缘老化引起的接地短路故障，二是电流互二次开路引发的隐患。2007年，某牵引变电所馈线断路器流互故障，由于运行人员未能及时发现，该断路器跳闸后盲目合闸，致使流互故障波及整个变电所二次设备，扩大故障范围，严重烧损该变电所二次设备。

一、电磁式电流互感器

电磁式电流互感器其原理：一次绕组串联在电力线路中，二次绕组外部回路接有测量仪器或继电保护及自动控制装置，利用利用变压器原、副边电流成比例的特点制成，其工作原理、等值电路也与一般变压器相同，只是其原边绕组串联在被测电路中，且匝数很少；副边绕组接电流表、继电器电流线圈等低阻抗负载，近似短路。原边电流（即被测电流）和副边电流取决于被测线路的负载，而与电流互感器的副边负载无关。由于副边接近于短路，所以原、副边电压U1和Uc2都很小，励磁电流I0也很小。电流互感器运行时，副边不允许开路。因为一旦开路，原边电流均成为励磁电流，使磁通和副边电压大大超过正常值而危及人身和设备安全。因此，电流互感器副边回路中不许接熔断器，也不允许在运行时未经旁路就拆下电流表、继电器等设备。这种结构要求在铁芯与绕组间以及一、二次绕组之间有足够耐压强度的绝缘层，以保证所有的低压设备与高电压相隔离。

电磁式电流互感器运行特点分析：现在广泛应用的是电磁式电流互感器，其常见的饱和状态主要有两种：稳态饱和与暂态饱和，其中稳态饱和主要是因为一次电流值太大，进入电流互感器饱和区域，导致二次电流与一次电流不成正比。暂态饱和，则是因为大量的非周期分量的存在，导致进入电流互感器饱和区域。又因电磁型电流互感器的铁心具有饱和非线性，当系统发生短路故障时，高幅值的短路电流使互感器饱和、输出的二次电流严重畸变，造成保护拒动，使供电系统发生严重事故。互感器的饱和引起波形畸变，而且其频带响应特性较差，频带窄，系统高频响应差，而导致新型的基于高频暂态分量的快速保护的实现存在困难等一系列隐患。

二、光电式电流互感器

1.光电式电流互感器包括有源型电子式电流互感器、无源磁光玻璃电子式电流互感器两种，有源型电子式电流互感器特点是一次传感器为空心线圈，高压侧电子器件需要由电源供电方能工作，无源磁光玻璃型电子式电流互感器特点是一次传感器为磁光玻璃，无需电源供电。其工作示意图见下：

2.电子式电流互感器工作原理

法拉第磁光效应：如果通过一次导线的电流为I，导线周围所产生的磁场强度为H，当一束线偏阵光通过该磁场时，线偏阵光的偏振角度会发生偏振，其偏振角θ的计算公式为：

式中：V为磁光玻璃的菲尔德常数（该参数与玻璃的材料有关），L为光线在磁光玻璃中的通光路径长度。

3.法拉第磁光效应原理示意图

4.二次处理系统

三、传统的电磁感应式电流互感器相比，光电式电流互感器具有以下优点

（1）优良的绝缘性能，造价低。电磁感应式电流互感器绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上升。在光电式电流互感器中，高压侧信息是通过由绝缘材料做成的玻璃光纤而传输到低压侧的，其绝缘结构简单，造价一般随电压等级升高呈线性地增加。

（2）不含铁心，不存在磁饱和、铁磁谐振等问题。光电式电流互感器运行暂态响应好、稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。

（3）电磁感应式电流互感器二次回路不能开路，低压侧存在开路高电压危险。由于光电式电流互感器的高压与低压之间只存在光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，因此可保证高压回路与二次回路在电气上完全隔离，低压侧没有因开路而产生高压的危险，同时因没有磁耦合，消除了电磁干扰对互感器性能的影响。

（4）暂态响应范围大，测量精度高。电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流越来越大。电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，并在一个通道同时满足高精度计量和继电保护的需要。光电式电流互感器有很宽的动态范围，一个测量通道额定电流可测到几十安培至几千安培，过电流范围可达几万安培。因此既可同时满足计量和继电保护的需要，又可免除电磁感应式电流互感器多个测量通道的复杂结构。

（5）频率响应范围宽。光电式电流互感器传感头部分的频率响应取决于光纤在传感头上的渡越时间，实际能测量的频率范围主要决定于电子线路部分。现代光电式电流互感器的结构已经可以测出高压电力线路上的谐波。而电磁感应式电流互感器是难以进行这诸多方面工作的。

（6）没有因充油而产生的易燃、易爆炸等危险。光电式电流互感器绝缘结构简单，可以不采用油绝缘，在结构设计上就可避免这方面的危险。

（7）体积小、重量轻。光电式互感器的传感头本身的重量一般小于1KG。

（8）适应了电气参数计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流。光电式电流互感器一般以数字量输出，这将最佳地适应日趋广泛采用的微机保护、电气参数计量数字化及自动化发展的潮流。

四、光电式电流互感器发展状况

自1994年ABB公司推出有源型光电式电流互感器以来，该技术获得了长足发展，其电压等级由原来的72.5～765kV，发展到现在的500kV、1000kV高压电网计量用的光电式电流互感器，并且还进行500kV以下直到6.6kV电压等级的GIS用光电式电流互感器。我国在这方面也取得了一定进展，特别是近几年，在吸收国外经验的基础上，已有部分厂家生产光电式电流互感器。

结束语

目前国内在光电式电流互感器的研究方面，特别是高电压等级上还面临一些问题，如温度和应力引起的双折射现象及其降低方法，长期运行时的稳定性和精度方面还需要更进一步的试验和现场试用。我们期待着光电式电流互感器技术的日趋成熟和推广应用将使供配电网的测量、计量技术技术进入一个崭新的时代。

参考文献：

[1]李朝阳；110kV无源型磁光电流互感器[J]；农村电气化；2006年10期

[2]李朝阳；无源型磁光电流互感器在110kV线路的应用[J]；供用电；2006年06期

[3]王学伟，姜圳，张礼勇，费正生；电流平衡式无源积分型时分割乘法器功率测量误差分析[J]；仪器仪表学报；2001年05期

[4]张兴旺，陈小玲，郑孜；有源光电式电流互感器高压侧供电方案的研究[J]；南昌工程学院学报；2008年03期

[5]聂一雄，尹项根，李伟，黄德修；有源光电式互感器工作电源设计[J]；电力自动化设备；2003年12期