电力系统中光电电流互感器研究

图1　有源OCT原理图
Fig.1　Scheme diagram of active OCT

　　在此系统中，被测高压电流信号经一个特制的TA变换为适当的电信号；再把电信号输入调制器，用调制器的输出去驱动光源，以便用数字方法调制作为载波的光波。在光源处实现电—光变换，把电信号变为携带信息的光信号。光源采用发光二极管LED。光信号通过光纤传到接收部分，在此，光纤作为传输媒介。在接收部分，先由光电探测器实现光—电转换，把带有信息的光信号变为电信号，光电探测器采用PIN光电二极管。然后把光电探测器输出的信号经放大后再进行解调，以得到和原始信息相近的信号。图中高压侧的供电电源由地面500 mW的半导体激光二极管LD用光纤把能量推动到高压侧，经过高转换效率（40%左右）的光电池PPC把光能变为电能，通过DC/DC变换电路处理、整定后，可得到稳定的约80 mW供电电源功率，传感头的后级电路都采用CMOS器件，以降低电路的功耗。经过实验测试，传感头部分的电路消耗功率约为50 mW。
　　在低压区的接收部分是一个信号解调电路，它先将光信号转换成电信号，经过前级放大和解调后，一路送入D/A转换器进行模拟信号的还原，另一路直接送入计算机或数字信号处理器件进行信号的处理和计算，并采用软件方法对信号进行误差矫正。这样，系统的不稳定性和误差将大大减小。另外，随着近年来对继电保护设备要求的不断提高，提供数字化的电流信号已经成为大势所趋，接收部分的数字通道正是适应这种发展的产物。

2　无源OCT

　　无源OCT就是传感头部位没有电源供电的光电电流测量装置。无源OCT多采用法拉第磁光效应和干涉原理，以前者为主。无源OCT的特点是：整个系统的线性度比较好，灵敏度可以做得较高；绝缘性能好。它的难点是精度和稳定性易受温度、振动的影响。利用法拉第磁光效应实现的无源OCT有全光纤式、光电混合式和块状玻璃式。全光纤式的OCT，光纤本身就是传感元件，结构比较简单，但光纤线性双折射的问题一直是困扰着它的主要难点；光电混合式的精度受到一定的限制。目前使用最为普遍的是块状玻璃式无源OCT，国外挂网实验运行也都是此类型，它是最有实用化可能的类型之一，故而我们也采用此方案。
　　采用法拉第磁光效应进行电流测量的原理是磁光材料在外加磁场和光波电场共同作用下产生的非线性极化过程。当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的偏振面就会线性地随着平行于光线方向的磁场大小发生旋转；通过测量通流导体周围线偏振光偏振面的变化，就可间接地测量出导体中的电流值。用算式表示为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

式中　θ为线偏振光偏振面的旋转角度；V为磁光材料的Verdet常数；l为磁光材料中的通光路径；H为电流I在光路上产生的磁场强度。
　　由于磁场强度H由电流I产生，式(1)右边的积分只跟电流I及磁光材料中的通光路径与通流导体的相对位置有关，故式(1)可表示为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　θ=VKI　　　　　　　　　　　　　　(2)

式中　K为只跟磁光材料中的通光路径和通流导体的相对位置有关的常数，当通光路径为围绕通流导体1周时，K=1，故只要测定θ的大小就可测出通流导体中的电流。
　　由于目前尚无高精确度测量偏振面旋转的检测器，通常将线偏振光的偏振面角度变化的信息转化为光强变化的信息，然后通过光电探测器将光信号变为电信号，并进行放大、处理，以正确反映最初的电流信息。一般采用检偏器来实现将角度信息转化为光强信息。
　　闭环式块状玻璃传感头结构如图2所示。经过对多种磁光材料的实验、分析比较［3］，最后选用温度特性好、Verdet常数较高的ZF6重铅玻璃作为传感头磁光材料。在传感头结构设计上主要考虑2个问题：一是线偏振光在2种不同界面上发生全反射时，电矢量相互垂直的2个分量之间产生相位差，即所谓的“全反射相位差”，影响测量精确度；二是温度、应力等环境因素对互感器的影响。对于第1个问题采用几何相位补偿法［4］，让光在改变光路方向时经过2次全反射，前后2次全反射的入射面相互垂直，使相互垂直的2个分量经过2次全反射后相移的大小相同，而总的相位差恰巧被抵消为零。对于第2个问题采用下列措施解决：①用刚性的热良导体材料封闭玻璃传感头，良导体对外界温度的变化能起到均匀的作用；②在良导体壳体与块状玻璃头之间采用与ZF6热膨胀系数相近的材料作为过渡介质，这样既可避免外壳与玻璃传感头膨胀系数不一样带来的应力问题，又可降低传感头与外界的热量交换速度；③选择适当的基准面，采用柔性的固定方法，消除固定形变应力［5］。

图2　磁光无源OCT传感头结构图
Fig.2　Configuration of magnetooptic
non-active OCT sensing head