光學電流互感器在繼電保護中的應用

【摘要】傳統(tǒng)的電磁式電流互感器在高壓輸電線的繼電保護應用中由于其檢測原理所帶來的弊端越來越明顯，已經(jīng)無法適應現(xiàn)在高壓輸電對繼保裝置的要求。與此同時基于法拉利磁光效應的光學電流互感器，由于其測量精度、可靠性較高，完全可以勝任如今高壓輸電的要求，所以成為了繼電保護領域的研究熱點。

【關鍵詞】電流互感器;OCT;繼電保護

在電力系統(tǒng)中，對電力設備的運行情況進行監(jiān)視和測量是保證各種電氣設備的安全和有效運行的前提。電磁式電流互感器由于其簡單的構造，穩(wěn)定的運行，較低的成本，在電力系統(tǒng)中應用較廣泛。但是，傳統(tǒng)的電流互感器由于其工作原理的限制無法滿足電力系統(tǒng)大容量和高電壓的要求。

為了滿足電力系統(tǒng)的發(fā)展提出的最新要求，新型的電流互感器的發(fā)展就變得格外重要，其中光學電流互感器（Optical Current Transducer，簡稱OCT）由于其獨特的工作原理和良好的通訊能力逐漸的在電力系統(tǒng)中嶄露頭角。

1.OCT的基本原理

光學電流傳感原理是基于法拉利磁光原理。由于電流在傳輸?shù)倪^程中會在導線周圍產(chǎn)生交變的磁場，通過對磁場強度的測量然后對其線積分就可得到電流的大小。根據(jù)法拉利磁光效應，線偏振光在與其傳播方向平行的外界磁場的作用下通過晶體或光學玻璃時，其偏振面將發(fā)生偏轉，偏轉角H為：

其中，L是磁光材料的磁導率;V為磁光材料的Verdet常數(shù);H磁光材料周圍的磁場強度;L為通過磁光材料的偏振光的光程長度。當偏振光圍繞i形成回路時，通過計算就可得出電流的大小。

其中，N為線偏振光圍繞i的環(huán)路數(shù)。

2.光學電流互感器的構成

OCT數(shù)字信號處理單元先將光學電流傳感器采樣的模擬信號經(jīng)光纖傳輸?shù)紻SP系統(tǒng)處理，最后傳到繼電保護單元，再判斷是否有保護動作。由于光纖傳輸可以絕緣高低壓系統(tǒng)和實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)由高壓向低壓的高速傳輸，所以節(jié)約了大量的絕緣設備并且讓高速數(shù)字信號處理器實現(xiàn)了信息處理的實時性，保護動作更加迅速和精確。

為了能與傳統(tǒng)的模擬接口兼容，光學電流互感器需要一個模擬量輸出接口。本文選用TMS320C32數(shù)字信號處理芯片。該芯片最高主頻為O.1MHz，可實現(xiàn)16為采集信號的輸入和輸出;具有雙路異步串行通訊功能和看門狗電路為未來硬件和軟件的升級提供有效的支持;有較高的穩(wěn)定性，能在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。

在低壓端安裝功率放大器就可得到額定的電流和功率。同時要保證輸出電流的相位、幅值等性質(zhì)與傳統(tǒng)電流互感器一樣。這樣，光學電流互感器系統(tǒng)可以實現(xiàn)與傳統(tǒng)的電流互感器和電壓互感器以及其他模擬儀表和裝置的無縫連接。使得現(xiàn)場總線技術可以經(jīng)由光學電流互感器實現(xiàn)點對點和多個點對點的高效通訊，大大的簡化了復雜的二次接線，實現(xiàn)了信息的共享。

3.光學電流互感器與繼電保護裝置的連接

光傳感頭將檢測的電流信號經(jīng)過光纖傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)叫盘柼幚韱卧?，再由信息合并單元將信息合并后，由主從中央處理器處理后送到各個終端。

傳統(tǒng)的電磁互感器只能輸出5A或1A的模擬量電流，由于現(xiàn)代的電力系統(tǒng)的微機保護系統(tǒng)需要數(shù)字信號的輸入，傳統(tǒng)的電磁互感器需要經(jīng)過復雜的外圍電路進行模數(shù)轉換才能提供有效的信號給保護裝置。這種復雜的二次接線不但降低了信號的精度而且使得微機保護的可靠性降低。

而擁有數(shù)字信號處理單元的光學電流互感器可以提供多種數(shù)字信號給控制單元，簡化了外圍電路，提高了檢測、計量和控制系統(tǒng)的精確度和可靠性，減少了系統(tǒng)故障的誤報警。與此同時，使得二次設備集成化，將改變電力保護設備的整體構造和保護方式。

（1）光接收模塊

光接收模塊實現(xiàn)光電信號的轉換，將由光信號傳感器傳輸來的信號轉換為電信號，該模塊可以處理6通道的信號，最后將信號傳輸?shù)叫盘柼幚韱卧?。光接收模塊的技術要求主要是信號幅值的變化時間和時鐘精度以及脈沖寬度失真的大小。

（2）中央處理單元

中央處理單元對傳輸來的信號進行處理和判斷并發(fā)出控制信號，在整個繼電保護系統(tǒng)中起到核心作用。為了保障處理信號的高效和穩(wěn)定，該單元采用雙中央處理器，其中主處理器采用具有以太網(wǎng)接口的MCF5272處理器。由于擁有以太網(wǎng)接口和較高容量的緩沖區(qū)，處理器可以接受完整的采樣信號不會出現(xiàn)信號丟失的情況，從而實現(xiàn)高速的信號運算和控制信號傳輸?shù)膶崟r性，大大提高了繼電保護系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

從CPU采用型號為80C196KC的處理器，實現(xiàn)人機接口和通訊的任務和其他輔助的功能為未來模塊的升級留有空間。雙口RAM模塊實現(xiàn)兩個CPU之間數(shù)據(jù)的交換。

4.總結

由于光學電流互感器不存在飽和問題，杜絕了傳統(tǒng)電磁式電流互感器經(jīng)常出現(xiàn)的誤動作。另外，光學電流互感器采用的高速的數(shù)字信號處理器和光學傳感器提高了信息處理的精度。可以預見，光學電流互感器將在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應用。

參考文獻

[1]李煒.基于自適應技術的組合式光學電流互感器的研究：（碩士學位論文）.北京：華北電力大學，2002.

[2]邸榮光，劉仕兵.光電式電流互感器技術的研究現(xiàn)狀與發(fā)展.電力自動化設備，2006，26（8）：98-100.

[3]王政平，孫偉民，N.Ning等一種新型多環(huán)光路光學電流傳感器的研究.光子學報.1996，25（9）：831-835.