光学电流互感器的稳定性研究及改善

徐雪鹏

（吉林省电力勘测设计院，长春 130022）

随着现代电力系统由传统高压输送形式向超高压和大容量方向的升级发展，光学电流互感器也正逐渐走向成熟。近年来我国对智能化电网的整体升级改造，也大大推动了光学电流互感器这一新式设备的应用化进程。然而光学电流互感器虽然有着绝缘性更高，经济性更好等多方面的优势，但由于实际变电站的户外运行条件及技术原因，目前在我国（尤其是四季温差较大的东北部地区）光学电流互感器尚未在实际工程中广泛应用。根据到变电站运行的实际需求，缺乏长期运行稳定性是阻碍光学电流互感器实现大面积推广的最主要原因，因此，本文在综合分析光学电流互感器工作理论的基础上采用合理手段提高其稳定性。

1 光学电流互感器传感头的原理

工程光学电流互感器传感头的基本工作原理是利用法拉第磁光效应，即：线偏振光通过置于磁场中的晶体时，角度将发生偏转，偏转角φ可由公式（1）计算：

式中：L为光程长度；V为光学材料的维尔德常数；H为磁场强度。

由安培环路定律可推导出公式（2）：

式中：i为闭合环路中所通过的电流强度；Ω为闭合积分路径。

根据公式（2）可知，当想测得电流强度i时，只需通过测得线偏光的偏转角φ即可。对于φ的测定，可以根据马吕斯定律将偏转角和光强建立联系，即线偏振光在恒定磁场的作用下发生偏转，通过检偏器后的透射光强I0表达式为：

式中：α是检偏器方向与线偏振光方向之间的夹角；Ii是偏振光的光强。

将输出光强经过信号处理后得到的输出电压U0为：

式中I0（＋45°）与I0（－45°）表示当检偏器方向与偏振光方向分别呈±45°角时的输出光强。

通过上述公式推导可知，根据公式（3）、（4）可测量通过传感头内检偏器的光强大小计算得出线偏光偏转角大小，再根据公式（1）、（2）即可利用线偏光偏转角度得到闭合环路中通过的电流值大小，实现目前使用的传统电流互感器的功能。

2 影响光学电流互感器稳定性的因素

电力磁光材料中固有的线性双折射是影响光学电流互感器稳定性的最主要因素，当线性双折射存在时，描述传感头中法拉第磁光效应的琼斯矩阵表示如下：

式中：n代表传感头中第n个光纤臂，取值为1，2，3，…，n；An＝cos（Δn/2）＋jcos（xn）sin（Δn/2）；Bn＝sinxnsin（Δn/2）；（Δn/2）2＝（σ/2）2＋φn2，sinxn＝2φn/Δn；cosxn＝σ/Δn。φn代表在法拉第效应作用下偏振面所产生的旋转角，σ是相位延迟，相位延迟是由光纤臂中磁光材料本身的线性双折射所引起。由于相位延迟的存在，入射光线的线偏振光将转化为椭圆偏振光，使得测量精度发生变化，从而导致光学电流互感器运行稳定性受到影响［1］。

在线性双折射影响下，输出光强的测量值为I＝1/2〔1－2φn（sinΔn/Δn）〕。该值与理论计算值I＝1/2（1－sin 2φn）相比较，含有一个由Δn所决定的参数，当σ≪φn时，Δn约等于2φn，此时，最终测量值I≈1/2（1－sin 2φn），同理论分析值更加接近；而当σ≫φn的情况下，Δn约等于σ。此时实际测量结果I＝1/2〔1－2φn（sinσ/σ）〕，逐渐远离理论分析值。

由上公式述推导可以看出，σ值的存在将对测量结果产生较大影响，即降低了测量的可靠性，而且在实际应用中，σ的值是随着外界环境变化随时改变的，因此，从理论上证实了磁光材料中温度变化及线性双折射是影响实际运行中光学电流互感器稳定性的最主要因素。

3 改善光学电流互感器稳定性的方法

由理论分析可知，环境温度变化导致光学电流互感器传感头内磁光材料产生线性双折射是影响其运行稳定性的最主要原因。鉴于当今关于光学电流互感器的理论研究已经相当成熟，同时考虑到我国光学电流互感器所使用的磁光材料主要依赖进口，且该材料为人工合成，维尔德常数较为稳定且缺乏研发改进空间，因此，本文将从改善现有互感器传感头结构着手，尽可能提升光学电流互感器的运行稳定性。其优点在于无需对现有光学电流互感器材料和相关配套测量设备进行更换，实施起来较为简便，便于日后推广应用。

分析传统光学电流互感器传感头采用的“光绕电”光学传感结构的不足，在保证设备性能不变的前提下，考虑将现有光学电流互感器结构采用“电绕光”的形式进行改进，即在传感头中央设置一块形状规则的法拉第光学材料。在材料周围包绕通有电流的通电螺线管。这种结构相当于光路中的偏振光通过螺线管的轴方向进行电流测量。由对偶原理可知，这种改进后的“电绕光”式结构和传统“光绕电”式光学电流互感器在测量电流上的意义是完全等价的。经过改进后的传感头内部磁光结构见图1。

图1 改进后的“电绕光”式传感头结构示意图

采用改进后的“电绕光”式结构后，最直观的特点在于传感头内的光路得到了最大化精简，原有的多次折射形式光路被单一的直通光路所取代，消除了传统传感头结构中的反射面及多层光路结构，完全去除了偏振光在不规则形状光路中因多次折射、反射产生的光学误差，也减少了因光路过于复杂所带来的线性双折射负面影响。由于在这种结构下，磁光材料用量缩减到仅使用一块磁光晶体，也就不存在传统结构中，由于多块磁光玻璃相互拼接，在结合面处由多余胶体所产生的光路误差，从制造工艺的角度将光学环节误差降到了最低。同时，周边环境的温度变化对于单块晶体的形变影响也远远小于多块晶体的整体结合系统，从物理角度提高了传感头针对温度变化的运行稳定性。

通过理论分析可知，改进后的螺线管包绕光路结构能够有效改善因温度和线性双折射所引起的测量误差及稳定性问题，但该方案依然存在着一定的缺点。从结构角度来说，该方案通电导体周围所产生的电磁场将由磁光材料内部转变为覆盖磁光材料本身，导致传感头对外界电磁场环境的变化更为敏感，受外界电磁干扰能力将有明显降低。

由于通过改进结构使得传感头受周边温度环境的影响减小，因此完全可以使用简单的物理手段来改善光学电流互感器的缺点。比如为外置的传感头覆盖上专门的隔离电磁场用铠装外壳，也可以通过对户外光学电流互感器加盖专门的小型操作间，总体来说，这种改进后的“电绕光”式传感头结构是利远大于弊的。

4 利用仿真平台验证

在确定改进后光学电流互感器传感头结构的基础上，利用ANSOFT、ANSYS 等软件分别建立了对应的传感头数学仿真模型，并独立设置了温度调节模块与电磁场调节模块，通过调节温度控制模块和额定电压百分比来模拟在各种温度环境下，各电压等级变电站的光学电流互感器运行测量误差。电流互感器误差根据GB 1208—2006《电流互感器》规定，采用比差和角差对比。

4.1 极限温度下光学电流互感器的仿真模拟

考虑到光学电流互感器在我国的实际环境应用范围，分别模拟在室外极限工况条件（－40～＋60℃）［2］下改进后传感头的比差和角差曲线，见图2、图3。

按照JJG 313—2010《测量用电流互感器检定规程》及JJG 314—2010《测量用电压互感器检定规程》规定。0.2级电压互感器和电流互感器在50Hz，额定电压或额定电流下，其最大比差应小于0.2%，小于10′。由图2、图5对比可以看出，改进传感头结构后的光学电流互感器在环境温度60 ℃时，误差明显高于环境温度－40 ℃时的误差，稳定性随温度上升而变差，符合理论规律，但所测误差均在0.2级电流互感器允许的误差范围内，能够满足运行需求。

图2 环境温度－40 ℃时的改进传感头比差值与角差值曲线

图3 环境温度＋60 ℃时的改进传感头比差值与角差值曲线

4.2 周期温度下光学电流互感器的仿真模拟

在测得极限工况条件下的误差曲线后，依次模拟环境连续温度为：＋20 ℃、＋40 ℃、＋60 ℃、＋40℃、＋20 ℃、0 ℃、－20 ℃、－30 ℃、－20 ℃、0 ℃、20 ℃，环境温度曲线随时间周期变化见图4。

图4 温度曲线变化周期

在图4温度周期变化基础上，得出改进后光学电流传感器传感头的周期测量误差曲线（见图5）。

由误差曲线可知，经过改进后的通电螺线管包绕光路结构传感头的光学电流互感器在合理工况范围内，环境温度随时间变化，比差值的绝对值始终小于0.2%，角差值的绝对值也小于10′，符合JJG 313—2010及JJG 314—2010 规定，满足变电站实际运行需求。误差随温度变化波动较小，相比起“光绕电”式传统结构光学电流互感器，稳定性有了明显提高。

图5 环境温度周期变化时改进传感头的比差值与角差值曲线

5 结论

通过对现有光学电流互感器进行理论分析，总结出影响光学电流互感器运行稳定性的最主要因素在于环境温度变化导致磁光材料中线性双折射产生波动。在此基础上通过对光学电流传感器传感头部分的研究，拟定从改善传感头磁光结构入手改善其长期运行稳定性，并提出了改进后的“电绕光”式传感头结构。利用ANSOFT、ANSYS等软件搭建仿真平台，对改进后传感头进行了各种条件下的运行模拟。结果表明本文所提出的改进式光学电流互感器传感头结构，不仅能够有效提高其长期运行稳定性及抗干扰性，且完全满足我国电力行业对于电流互感器误差的标准JJG 313—2010 及JJG 314—2010的规定。

［1］ 李红斌.光学电流传感器传感头的研究［J］.光学学报，1997，17（7）：946－949.

［2］ 于文斌，李岩松，张国庆，等.光学电流互感器的性能分析与实验研究［J］.哈尔滨工业大学学报，2006，38（3）：353－356.