电力系统中光学互感器的研究

摘 要：现代电力系统的两大发展趋势是大容量和超高压，光学电流互感器和光学电压互感器在其中具有广阔的发展空间。本文通过对电力系统中光学互感器的工作原理进行分析，总结了现阶段我国光学互感器存在的突出问题，并进一步指明了未来一段时期内发展的方向。

关键词：电力系统；光学互感器；测量精度；运行稳定性

1 前言

光学互感器设计和使用中最重要的两个指标是测量的精度和运行稳定度，两者之间存在一定的矛盾。同时温漂问题是制约光学互感器应用的主要问题。

2 电力系统中光学互感器研究进展分析

2.1 光学电流互感器基本原理

光学电流传感技术的研究主流是大多都是基于法拉第磁光效应制作的，这种OCT测量电流的基本原理是电流变化会引起磁场强度的变化，通过测量磁场强度的线积分就能够求得电流强度。但是偏振光的偏转角是不能直接测量的，现实中常常使用马吕斯定律，通过将不可测量的偏转角信号转化为能够测量的偏振光信号，最终得到电流的变化。在光学电流互感器的设计中，检偏器是偏振分束器，能够在检测偏振光的同时，将偏振光分解为两个分量。光学电流互感器有多种实现形式，现阶段最流行的有：块状光学电流互感器、全光纤式光学电流互感器、电子式电流互感器和集磁环式。其中全光纤式光学电流互感器将光纤缠绕在通电导体上，通过光纤的偏正特性实现电流的测量。电子式电流互感器与其他三种OCT结构的互感器传感原理差别较大，其原理是在高压端测量电流，然后将电流信号转换为数字信号，在经过光电转换电路转变为脉冲信号，在地面实现信号的再次转换，最终通过计算机的计算得到电流变化。

2.2 光学电压互感器基本原理

按照工作原理进行划分，光学电压互感器可以分为电磁式和电容式两种，其中电磁式光学电压互感器的测量原理类似于普通的变压器，其中铁芯饱和可能引发铁磁谐振，导致高压绕组电流迅速升高，最终烧毁电压互感器。这种铁磁谐振引发的两大原因是互感器本身的非线性电感和断路器的断口电容，是无法从根本上消除的。电容式光学电压互感器主要应用于高压电力系统中，具有成本低、绝缘强度高、体积小和可靠性高等优势，但是缺点是测量准确定不高。

2.3 光学互感器研究进展

光学互感器兴起于上世纪60年代，在八十年代和九十年代取得了突飞猛进的发展。现阶段的OCT发展呈现出一种多用途和多类型发展的趋势。我国对于该技术的研究较晚，最早由沈阳变压器研究所开始研究，1993年研发的计量用OCT设备在广东电网运行，标志着我国OCT技术进入实用化阶段。上世纪90年代至今的研究重点是双折射对于测量的影响及温度、振动对于测量精度的干扰问题。

3 光学互感器应用于电力系统中存在的问题

3.1 光学电流互感器存在的主要问题

总结分析现阶段光学电流互感器存在的主要问题，以下几方面影响最为突出：（1）运行温度影响测量精度，使得计量标准难以达到。温度的影响是通过磁光材料中双折射现象导致的，通过对于输出强度的影响，导致测量结果存在误差，这就是光学互感器中最关键的问题—温漂问题。不少研究人员提出通过温度补偿方案，但是传感材料的加工性不理想，还可能引发运行稳定性问题。（2）稳定性不足，无法满足长时间使用的要求。互感器在长时间运行之后，会出现输出光降低的问题，严重情况下可能导致测量性能的丧失，研究发现，导致该问题的主要原因是环节多和光路长。

3.2光学电压互感器存在的主要问题

光学电压互感器最主要的问题是运行稳定性和可靠性不高，这主要是由于光学电压互感器采用了更多的元器件和接头，其中传感头的问题是现阶段研究的重点。目前使用的电光晶体主要是BGO晶体，存在最主要的两个问题是沉淀和颜色，沉淀物会引发双折射现象，同时带来附加的延迟相位，但是现阶段的工艺还不能完全解决BGO晶体的提纯和提拉问题。另一方面，传感头位于室外，收到温度的影响较为明显，这在一定程度上也会导致测量精度的降低。

4 电力系统中光学互感器研究方向分析

高品质的光学互感器长期以来一直是电力系统光学测量领域的研究热点。经过30多年的探索与研究，已经形成了基于不同原理和多种技术光学互感器结构，但是仍有必要在原理、工藝和材料方法上进一步研究，提高可靠性和实用化水平。

在原理上，进一步深化光学测量技术机理研究，系统分析电光、磁光、弹光、热光因了对光学互感器灵敏度影响；利用御磁、聚磁等技术提高测量精准度和抗外部干扰问题。在技术上，研究闭环控制结构和相位补偿方法，优化光路设计，提高传感头的易加工性，解决温度、振动等制约互感器实用化问题。在制作工艺领域，未来一段时期内，应尽快解决块状介质材料的粘合问题，提升粘合质量，同时改进光纤元器件的融接问题降低光路中的能量消耗。最后，在互感器制作材料领域，建议研发菲尔德长度常数较高同时对于外界温度变化不敏感的介质和材料，以此来降低双折射效应的影响；与此同时，提升光学电子器件的可靠性，克服光源敏感器件温漂和慢变的问题。

光学互感器除具备自身动态测量范围宽、无高压绝缘等优点外，可有效推动智能设备和二次保护控制技术的进步。利用设备体积小、重量轻、绝缘简单等特点，便于与瓷柱式断路器、GIS/HGIS等设备集成组合，提高设备安装灵活性，有效节约变电站占地面积。利用光学测量的数字化和精准化特点，实现了变电站信息采集的数字化和传输光纤网络化，简化了接线，提高了抗电磁干扰能力；有效支撑了继电保护故障判别的速动性、灵敏性和可靠性；促进以暂态量和采样值为判别基础的新原理保护和电力系统动态观测技术的实用化。

5 结语

光学互感器是传感光学在电力系统中应用的具体体现，具有传统互感器无法比拟的优势。尽管现阶段光学互感器在原理和制作工艺等方面取得了长足的进步，但是距离可靠稳定的运行还有一段距离。

参考文献：

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作者简介：

董蕴慧（1996.04.27）；性别：女，籍贯：山东烟台市蓬莱市，学历：本科，毕业于山东科技大学；研究方向：电气工程。