光電式電流互感器在高壓電能表中的應(yīng)用研究

摘 要：隨著電網(wǎng)中非線性負(fù)荷的增加，常規(guī)電能表已無法準(zhǔn)確計(jì)量電能。針對當(dāng)前傳統(tǒng)電能表用電流互感器測量范圍小、易飽和等問題，提出將光電式電流互感器元件應(yīng)用于高壓電能表。文章介紹了高壓電能計(jì)量、光電式電流互感器研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上，提出光電式新型高壓電能表在實(shí)際運(yùn)行中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光電式電流互感器；高壓電能表；應(yīng)用

隨著電網(wǎng)中非線性負(fù)荷的增加，產(chǎn)生的諧波現(xiàn)象日益加劇，常規(guī)的電能表已無法滿足計(jì)量諧波電能的需求。目前常規(guī)電能表一般采用傳統(tǒng)電磁式電流互感器進(jìn)行電流信號轉(zhuǎn)換，而傳統(tǒng)電磁式電流互感器帶鐵芯、測量范圍小、易飽和，且易受電磁干擾。光電式電流互感器作為一種新型的電流互感器，涉及光電、光纖傳感技術(shù)和非線性光學(xué)信號等技術(shù)，具有傳統(tǒng)互感器所不具備的優(yōu)勢。

文章提出將光電式電流互感器應(yīng)用于高壓電能表，介紹了高壓電能計(jì)量、光電式電流互感器研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上，提出光電式新型高壓電能表在實(shí)際運(yùn)行中的應(yīng)用。

1 高壓電能計(jì)量現(xiàn)狀

目前，高供電能計(jì)量裝置使用較多的是結(jié)合高壓電壓互感器、高壓電流互感器、二次回路和電能表相連接的裝置。這種計(jì)量方式存在一定的弊端：（1）故障隱患多，測量一個計(jì)量點(diǎn)需要多臺互感器，尤其是電壓互感器，受系統(tǒng)中多個因素（如電磁諧振、過電壓操作等等）影響，易出現(xiàn)熔斷器被熔斷甚至爆炸的現(xiàn)象；（2）耗能過高；（3）裝置體積過大，多臺互感器之間要求一定安全距離，同時還要求外部接地，占地面積較大，安裝費(fèi)用多；（4）無法直接讀取電量，需根據(jù)互感器的倍率計(jì)算，不利于管理；（5）綜合誤差很大，計(jì)量裝置各組成部分都有系統(tǒng)誤差，安裝過程中還會造成人為誤差；（6）無法防止竊電，回路部分線路裸露在外面，易發(fā)生竊電現(xiàn)象。

2 光電式電流互感器

光電式電流互感器是一種集光纖傳感技術(shù)、光電技術(shù)、非線性光學(xué)及信號處理等多個學(xué)科的理論和應(yīng)用于一體的新型互感器。利用光纖將一次側(cè)的電流信號傳輸?shù)蕉蝹?cè)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

光電式電流互感器（OCT）涉及多個學(xué)科，包括光纖傳感和光電技術(shù)、非線性光學(xué)信號處理等理論。我國對該項(xiàng)技術(shù)的研究起步較晚，于80年代開始進(jìn)行理論研究，90年代后與國外電力公司協(xié)同合作，正式掛網(wǎng)試行，目前我國OCT距離發(fā)達(dá)國家的仍有差距。

OCT可以分為有源型和無源型兩種。有源型OCT又叫做電子式光纖電流互感器，高壓側(cè)采用電子器件制成傳感頭，利用光纖技術(shù)將高壓側(cè)光信號傳遞到低壓側(cè)。按信號調(diào)制方式和傳感頭處采樣方式又可分為調(diào)幅電子式OCT、壓頻轉(zhuǎn)換采樣式OCT、ADC式OCT三種。有源型OCT結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)成本低、精度高、設(shè)備安裝檢修和維護(hù)簡便，運(yùn)行時也非常安全，穩(wěn)定性好，適用于自動化的高壓電能計(jì)量。無源型OCT是不需要供電電源的測量裝置，采用法拉第磁光效應(yīng)原理，它的缺點(diǎn)是精度、穩(wěn)定性易受溫度、震動的影響。結(jié)合有源OCT和無源OCT特性，高壓電能表宜采用有源光電式電流互感器。

3 光電式新型高壓電能表的應(yīng)用

3.1 光電式新型高壓電能表的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作原理

光電式新型高壓電能表包括三個組成部分，高壓側(cè)組成部分、光纖傳輸部分、低壓側(cè)組成部分，光電式互感器位于高壓側(cè)部分。

光電式新型的高壓電能表采用了光電式互感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁式互感器，利用較弱的輸出電流進(jìn)行高壓電能計(jì)量。高壓電流傳感器的取樣回路與高壓側(cè)電流的微電流信號成正比，而高壓電壓傳感器的取樣回路與高壓側(cè)電壓的微電壓信號成正比，采集到微電壓和微電流信號后，經(jīng)處理傳送到電能計(jì)量的單元，瞬間乘法器將電壓和電流相乘輸出一個直流電壓，這個電壓與采集時間段內(nèi)的平均功率成正比，經(jīng)變頻器變換為相對應(yīng)的脈沖序列，再進(jìn)行分頻后顯示出實(shí)時的電量。計(jì)量裝置的工作電源采用電容取流電路提供的電源，設(shè)計(jì)時計(jì)量單元與傳感器結(jié)合在一起，改變了傳統(tǒng)方式，按模塊要求將傳感器輸出的信號輸入到系統(tǒng)中直接得到可用的弱信號，不用進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)電壓的二次轉(zhuǎn)換。在高壓側(cè)即可完成計(jì)量，通過光纖將數(shù)據(jù)傳送到低壓側(cè)，利用傳感器將高壓側(cè)的電流電壓信號轉(zhuǎn)變成弱信號傳送到低壓側(cè)，保留了傳統(tǒng)的讀取數(shù)據(jù)形式。

3.2 光電式新型高壓電能表的優(yōu)點(diǎn)

3.2.1 安全性能高

與傳統(tǒng)的電磁式互感器比較起來，光電式互感器將高壓側(cè)和低壓側(cè)完全分離開來，采用光作為能量來源，因此高低壓被完全地分離開，從而安全等級提高，電能表的安全性能也有所加強(qiáng)。

3.2.2 抗干擾能力強(qiáng)

傳統(tǒng)的電磁式互感器的絕緣難度很大，應(yīng)用到高壓電力系統(tǒng)中時要求更高，需要增加很多輔助設(shè)備，導(dǎo)致總體體積增加、重量加重、花費(fèi)增多，一旦出現(xiàn)問題，還要投入更多的資金維護(hù)。光電式的新型電能表由于采用光信號進(jìn)行信息傳輸，可以簡化互感器中的絕緣結(jié)構(gòu)，摒棄傳統(tǒng)的電能表中比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，具備了更好的絕緣性能，性價(jià)比也有所增加，提升了自身抗干擾能力，從而測量的數(shù)據(jù)更加精確。

3.2.3 無磁飽和、諧振問題

傳統(tǒng)的鐵磁式互感器在使用中會出現(xiàn)鐵芯飽和現(xiàn)象，這時勵磁電流便會超過規(guī)定的額定電流，從而產(chǎn)生大量的熱量，嚴(yán)重時甚至?xí)龜嗑€路，從而影響電壓表的正常工作。光電式的互感器中不存在鐵芯，故不會出現(xiàn)磁飽和或是鐵磁諧振現(xiàn)象，測量范圍也更大，同時減小了故障發(fā)生率。

3.2.4 無噪音、污染小

因單個互感器的測量范圍有限，傳統(tǒng)的高壓電能表為保證測量范圍和精度，需要多個電磁式互感器進(jìn)行工作，設(shè)備增加后不僅花費(fèi)更多資金，同時多項(xiàng)設(shè)備共同運(yùn)行也會產(chǎn)生更多的噪音和污染。而光電式新型高壓電能表在工作時噪音更小，光電式的信號傳輸要比傳統(tǒng)模式便捷，不需要多個互感器，減少了金屬使用，也減少了污染。

3.2.5 體積小、重量輕

新型的光電式高壓電能表由于采用了光電式互感器會大大減小其自身體積，光纖等材料的應(yīng)用更是能減輕電能表的重量，從而節(jié)省了運(yùn)輸費(fèi)用。若是實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了故障或是其他問題，維護(hù)更方便。

3.2.6 適應(yīng)智能化需要

目前，國內(nèi)外的電力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)都在向著數(shù)字化、信息化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。作為電力系統(tǒng)中用于計(jì)量電能的裝置，電能表需朝智能化發(fā)展。傳統(tǒng)的電磁式互感器應(yīng)用的電能表已無法適應(yīng)智能化要求，光電式的新型電能表應(yīng)運(yùn)而生，將之發(fā)展成數(shù)字化信息化的新型高端電氣設(shè)備。

4 結(jié)束語

光電式電能表的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)電能表中計(jì)量精度低、安全性差、體積過大、質(zhì)量過重、抗干擾能力差等諸多問題，同時還能進(jìn)一步將高壓電能表引入智能信息化的領(lǐng)域。但是我國的光電式新型高壓電能表還沒能根據(jù)各地區(qū)的不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行普及，還需要進(jìn)一步的繼續(xù)研發(fā)，爭取實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)的高壓電能表光電化。

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