光學(xué)電流互感器的穩(wěn)定性研究及改善

徐雪鵬

（吉林省電力勘測設(shè)計(jì)院，長春 130022）

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)由傳統(tǒng)高壓輸送形式向超高壓和大容量方向的升級發(fā)展，光學(xué)電流互感器也正逐漸走向成熟。近年來我國對智能化電網(wǎng)的整體升級改造，也大大推動了光學(xué)電流互感器這一新式設(shè)備的應(yīng)用化進(jìn)程。然而光學(xué)電流互感器雖然有著絕緣性更高，經(jīng)濟(jì)性更好等多方面的優(yōu)勢，但由于實(shí)際變電站的戶外運(yùn)行條件及技術(shù)原因，目前在我國（尤其是四季溫差較大的東北部地區(qū)）光學(xué)電流互感器尚未在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用。根據(jù)到變電站運(yùn)行的實(shí)際需求，缺乏長期運(yùn)行穩(wěn)定性是阻礙光學(xué)電流互感器實(shí)現(xiàn)大面積推廣的最主要原因，因此，本文在綜合分析光學(xué)電流互感器工作理論的基礎(chǔ)上采用合理手段提高其穩(wěn)定性。

1 光學(xué)電流互感器傳感頭的原理

工程光學(xué)電流互感器傳感頭的基本工作原理是利用法拉第磁光效應(yīng)，即：線偏振光通過置于磁場中的晶體時，角度將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角φ可由公式（1）計(jì)算：

式中：L為光程長度；V為光學(xué)材料的維爾德常數(shù)；H為磁場強(qiáng)度。

由安培環(huán)路定律可推導(dǎo)出公式（2）：

式中：i為閉合環(huán)路中所通過的電流強(qiáng)度；Ω為閉合積分路徑。

根據(jù)公式（2）可知，當(dāng)想測得電流強(qiáng)度i時，只需通過測得線偏光的偏轉(zhuǎn)角φ即可。對于φ的測定，可以根據(jù)馬呂斯定律將偏轉(zhuǎn)角和光強(qiáng)建立聯(lián)系，即線偏振光在恒定磁場的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過檢偏器后的透射光強(qiáng)I0表達(dá)式為：

式中：α是檢偏器方向與線偏振光方向之間的夾角；Ii是偏振光的光強(qiáng)。

將輸出光強(qiáng)經(jīng)過信號處理后得到的輸出電壓U0為：

式中I0（＋45°）與I0（－45°）表示當(dāng)檢偏器方向與偏振光方向分別呈±45°角時的輸出光強(qiáng)。

通過上述公式推導(dǎo)可知，根據(jù)公式（3）、（4）可測量通過傳感頭內(nèi)檢偏器的光強(qiáng)大小計(jì)算得出線偏光偏轉(zhuǎn)角大小，再根據(jù)公式（1）、（2）即可利用線偏光偏轉(zhuǎn)角度得到閉合環(huán)路中通過的電流值大小，實(shí)現(xiàn)目前使用的傳統(tǒng)電流互感器的功能。

2 影響光學(xué)電流互感器穩(wěn)定性的因素

電力磁光材料中固有的線性雙折射是影響光學(xué)電流互感器穩(wěn)定性的最主要因素，當(dāng)線性雙折射存在時，描述傳感頭中法拉第磁光效應(yīng)的瓊斯矩陣表示如下：

式中：n代表傳感頭中第n個光纖臂，取值為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代表在法拉第效應(yīng)作用下偏振面所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角，σ是相位延遲，相位延遲是由光纖臂中磁光材料本身的線性雙折射所引起。由于相位延遲的存在，入射光線的線偏振光將轉(zhuǎn)化為橢圓偏振光，使得測量精度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光學(xué)電流互感器運(yùn)行穩(wěn)定性受到影響［1］。

在線性雙折射影響下，輸出光強(qiáng)的測量值為I＝1/2〔1－2φn（sinΔn/Δn）〕。該值與理論計(jì)算值I＝1/2（1－sin 2φn）相比較，含有一個由Δn所決定的參數(shù)，當(dāng)σ?φn時，Δn約等于2φn，此時，最終測量值I≈1/2（1－sin 2φn），同理論分析值更加接近；而當(dāng)σ?φn的情況下，Δn約等于σ。此時實(shí)際測量結(jié)果I＝1/2〔1－2φn（sinσ/σ）〕，逐漸遠(yuǎn)離理論分析值。

由上公式述推導(dǎo)可以看出，σ值的存在將對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，即降低了測量的可靠性，而且在實(shí)際應(yīng)用中，σ的值是隨著外界環(huán)境變化隨時改變的，因此，從理論上證實(shí)了磁光材料中溫度變化及線性雙折射是影響實(shí)際運(yùn)行中光學(xué)電流互感器穩(wěn)定性的最主要因素。

3 改善光學(xué)電流互感器穩(wěn)定性的方法

由理論分析可知，環(huán)境溫度變化導(dǎo)致光學(xué)電流互感器傳感頭內(nèi)磁光材料產(chǎn)生線性雙折射是影響其運(yùn)行穩(wěn)定性的最主要原因。鑒于當(dāng)今關(guān)于光學(xué)電流互感器的理論研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，同時考慮到我國光學(xué)電流互感器所使用的磁光材料主要依賴進(jìn)口，且該材料為人工合成，維爾德常數(shù)較為穩(wěn)定且缺乏研發(fā)改進(jìn)空間，因此，本文將從改善現(xiàn)有互感器傳感頭結(jié)構(gòu)著手，盡可能提升光學(xué)電流互感器的運(yùn)行穩(wěn)定性。其優(yōu)點(diǎn)在于無需對現(xiàn)有光學(xué)電流互感器材料和相關(guān)配套測量設(shè)備進(jìn)行更換，實(shí)施起來較為簡便，便于日后推廣應(yīng)用。

分析傳統(tǒng)光學(xué)電流互感器傳感頭采用的“光繞電”光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)的不足，在保證設(shè)備性能不變的前提下，考慮將現(xiàn)有光學(xué)電流互感器結(jié)構(gòu)采用“電繞光”的形式進(jìn)行改進(jìn)，即在傳感頭中央設(shè)置一塊形狀規(guī)則的法拉第光學(xué)材料。在材料周圍包繞通有電流的通電螺線管。這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于光路中的偏振光通過螺線管的軸方向進(jìn)行電流測量。由對偶原理可知，這種改進(jìn)后的“電繞光”式結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)“光繞電”式光學(xué)電流互感器在測量電流上的意義是完全等價(jià)的。經(jīng)過改進(jìn)后的傳感頭內(nèi)部磁光結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 改進(jìn)后的“電繞光”式傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖

采用改進(jìn)后的“電繞光”式結(jié)構(gòu)后，最直觀的特點(diǎn)在于傳感頭內(nèi)的光路得到了最大化精簡，原有的多次折射形式光路被單一的直通光路所取代，消除了傳統(tǒng)傳感頭結(jié)構(gòu)中的反射面及多層光路結(jié)構(gòu)，完全去除了偏振光在不規(guī)則形狀光路中因多次折射、反射產(chǎn)生的光學(xué)誤差，也減少了因光路過于復(fù)雜所帶來的線性雙折射負(fù)面影響。由于在這種結(jié)構(gòu)下，磁光材料用量縮減到僅使用一塊磁光晶體，也就不存在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，由于多塊磁光玻璃相互拼接，在結(jié)合面處由多余膠體所產(chǎn)生的光路誤差，從制造工藝的角度將光學(xué)環(huán)節(jié)誤差降到了最低。同時，周邊環(huán)境的溫度變化對于單塊晶體的形變影響也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于多塊晶體的整體結(jié)合系統(tǒng)，從物理角度提高了傳感頭針對溫度變化的運(yùn)行穩(wěn)定性。

通過理論分析可知，改進(jìn)后的螺線管包繞光路結(jié)構(gòu)能夠有效改善因溫度和線性雙折射所引起的測量誤差及穩(wěn)定性問題，但該方案依然存在著一定的缺點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)角度來說，該方案通電導(dǎo)體周圍所產(chǎn)生的電磁場將由磁光材料內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)楦采w磁光材料本身，導(dǎo)致傳感頭對外界電磁場環(huán)境的變化更為敏感，受外界電磁干擾能力將有明顯降低。

由于通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)使得傳感頭受周邊溫度環(huán)境的影響減小，因此完全可以使用簡單的物理手段來改善光學(xué)電流互感器的缺點(diǎn)。比如為外置的傳感頭覆蓋上專門的隔離電磁場用鎧裝外殼，也可以通過對戶外光學(xué)電流互感器加蓋專門的小型操作間，總體來說，這種改進(jìn)后的“電繞光”式傳感頭結(jié)構(gòu)是利遠(yuǎn)大于弊的。

4 利用仿真平臺驗(yàn)證

在確定改進(jìn)后光學(xué)電流互感器傳感頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用ANSOFT、ANSYS 等軟件分別建立了對應(yīng)的傳感頭數(shù)學(xué)仿真模型，并獨(dú)立設(shè)置了溫度調(diào)節(jié)模塊與電磁場調(diào)節(jié)模塊，通過調(diào)節(jié)溫度控制模塊和額定電壓百分比來模擬在各種溫度環(huán)境下，各電壓等級變電站的光學(xué)電流互感器運(yùn)行測量誤差。電流互感器誤差根據(jù)GB 1208—2006《電流互感器》規(guī)定，采用比差和角差對比。

4.1 極限溫度下光學(xué)電流互感器的仿真模擬

考慮到光學(xué)電流互感器在我國的實(shí)際環(huán)境應(yīng)用范圍，分別模擬在室外極限工況條件（－40～＋60℃）［2］下改進(jìn)后傳感頭的比差和角差曲線，見圖2、圖3。

按照J(rèn)JG 313—2010《測量用電流互感器檢定規(guī)程》及JJG 314—2010《測量用電壓互感器檢定規(guī)程》規(guī)定。0.2級電壓互感器和電流互感器在50Hz，額定電壓或額定電流下，其最大比差應(yīng)小于0.2%，小于10′。由圖2、圖5對比可以看出，改進(jìn)傳感頭結(jié)構(gòu)后的光學(xué)電流互感器在環(huán)境溫度60 ℃時，誤差明顯高于環(huán)境溫度－40 ℃時的誤差，穩(wěn)定性隨溫度上升而變差，符合理論規(guī)律，但所測誤差均在0.2級電流互感器允許的誤差范圍內(nèi)，能夠滿足運(yùn)行需求。

圖2 環(huán)境溫度－40 ℃時的改進(jìn)傳感頭比差值與角差值曲線

圖3 環(huán)境溫度＋60 ℃時的改進(jìn)傳感頭比差值與角差值曲線

4.2 周期溫度下光學(xué)電流互感器的仿真模擬

在測得極限工況條件下的誤差曲線后，依次模擬環(huán)境連續(xù)溫度為：＋20 ℃、＋40 ℃、＋60 ℃、＋40℃、＋20 ℃、0 ℃、－20 ℃、－30 ℃、－20 ℃、0 ℃、20 ℃，環(huán)境溫度曲線隨時間周期變化見圖4。

圖4 溫度曲線變化周期

在圖4溫度周期變化基礎(chǔ)上，得出改進(jìn)后光學(xué)電流傳感器傳感頭的周期測量誤差曲線（見圖5）。

由誤差曲線可知，經(jīng)過改進(jìn)后的通電螺線管包繞光路結(jié)構(gòu)傳感頭的光學(xué)電流互感器在合理工況范圍內(nèi)，環(huán)境溫度隨時間變化，比差值的絕對值始終小于0.2%，角差值的絕對值也小于10′，符合JJG 313—2010及JJG 314—2010 規(guī)定，滿足變電站實(shí)際運(yùn)行需求。誤差隨溫度變化波動較小，相比起“光繞電”式傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光學(xué)電流互感器，穩(wěn)定性有了明顯提高。

圖5 環(huán)境溫度周期變化時改進(jìn)傳感頭的比差值與角差值曲線

5 結(jié)論

通過對現(xiàn)有光學(xué)電流互感器進(jìn)行理論分析，總結(jié)出影響光學(xué)電流互感器運(yùn)行穩(wěn)定性的最主要因素在于環(huán)境溫度變化導(dǎo)致磁光材料中線性雙折射產(chǎn)生波動。在此基礎(chǔ)上通過對光學(xué)電流傳感器傳感頭部分的研究，擬定從改善傳感頭磁光結(jié)構(gòu)入手改善其長期運(yùn)行穩(wěn)定性，并提出了改進(jìn)后的“電繞光”式傳感頭結(jié)構(gòu)。利用ANSOFT、ANSYS等軟件搭建仿真平臺，對改進(jìn)后傳感頭進(jìn)行了各種條件下的運(yùn)行模擬。結(jié)果表明本文所提出的改進(jìn)式光學(xué)電流互感器傳感頭結(jié)構(gòu)，不僅能夠有效提高其長期運(yùn)行穩(wěn)定性及抗干擾性，且完全滿足我國電力行業(yè)對于電流互感器誤差的標(biāo)準(zhǔn)JJG 313—2010 及JJG 314—2010的規(guī)定。

［1］ 李紅斌.光學(xué)電流傳感器傳感頭的研究［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，1997，17（7）：946－949.

［2］ 于文斌，李巖松，張國慶，等.光學(xué)電流互感器的性能分析與實(shí)驗(yàn)研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38（3）：353－356.