電流互感器是電力系統(tǒng)中進(jìn)行電能計(jì)量和繼電保護(hù)的重要設(shè)備，其精度及可靠性與電力系統(tǒng)的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)。然而隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加，運(yùn)行電壓等級(jí)也越來越高，目前我國電網(wǎng)的最高電壓等級(jí)已達(dá)500 kV,下一個(gè)電壓等級(jí)也許是750 kV或1　　000 kV。此時(shí)，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器暴露出一系列嚴(yán)重的缺點(diǎn)：電流互感器的絕緣結(jié)構(gòu)將非常復(fù)雜，造價(jià)也會(huì)急劇增加；由于電磁感應(yīng)式電流互感器所固有的磁飽和、鐵磁諧振、動(dòng)態(tài)范圍小、頻帶窄以及有油易燃易爆等缺點(diǎn)，已難以滿足新一代電力系統(tǒng)在線檢測(cè)、高精度故障診斷、電力數(shù)字網(wǎng)等的發(fā)展需要。尋求更理想的新型電流互感器已勢(shì)在必行，目前注意力已集中到光學(xué)傳感技術(shù)，即用光電子學(xué)的方法來發(fā)展所謂的光電式電流互感器（optical current transformer,簡稱OCT）［1］。與傳統(tǒng)的電磁式電流互感器相比，光電式電流互感器具有抗電磁干擾、不飽和、測(cè)量范圍大、頻帶寬、數(shù)字信號(hào)傳輸、體積小 、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。光電式電流互感器從傳感頭有無電源供電的角度可分為有源OCT和無源OCT兩大類。有源OCT又分為頻率調(diào)制式、脈沖調(diào)制式、數(shù)字調(diào)制式及強(qiáng)度調(diào)制式；無源OCT可分為全光纖式、光電混合式、塊狀玻璃式。盡管OCT已研究了20多年，經(jīng)過了大量的理論分析、實(shí)驗(yàn)研究及掛網(wǎng)運(yùn)行，但到目前為止還沒有一種大批量的商品化產(chǎn)品投放市場(chǎng)［2］。其根本原因在于：雖然原理、技術(shù)可行，但要在高電壓、高電磁干擾、高溫差變化等環(huán)境影響下長期、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行還需付出更多的努力。

　　本文的目的就是針對(duì)以上存在的問題，結(jié)合我國的國情，介紹作者在有源OCT和無源OCT方面做的一些研究，以利于加速我國在這方面的研究、開發(fā)和實(shí)用化進(jìn)程。

1　有源OCT

　　有源OCT就是基于傳統(tǒng)的電流互感器(TA)，利用有源器件調(diào)制技術(shù)，以光纖作為信號(hào)通道，把高壓側(cè)轉(zhuǎn)換的光信號(hào)傳到地面進(jìn)行信號(hào)處理，得到被測(cè)信號(hào)的裝置。這種互感器的特點(diǎn)是，既利用了光纖系統(tǒng)提供的高絕緣性的優(yōu)點(diǎn)，顯著地降低了電流互感器的制造成本、體積和重量，又充分發(fā)揮了被電力工業(yè)界廣泛接受的常規(guī)TA測(cè)量裝置的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還避免了傳感頭光路的復(fù)雜性及全光纖傳感頭線性雙折射、塊狀玻璃全反射相位差等技術(shù)難點(diǎn)。
　　早在70年代清華大學(xué)電機(jī)系就從事過有源OCT的研究，它在傳統(tǒng)TA基礎(chǔ)上，使用光輻射內(nèi)調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)OCT，光纖只用來傳遞被電流調(diào)制的光強(qiáng)信號(hào)，起電位隔離作用。在高壓母線上，串有2個(gè)TA，分別為供電TA和取樣TA，供電TA給處于高電位的傳感部分提供電源。由于這種方案在高壓母線上取供電電源，而母線電流變化很大，電源系統(tǒng)的可靠性較低；另外由于當(dāng)時(shí)光電子器件可靠性低、體積大，所以試制的樣品體積也較大，并且不適合長期的戶外運(yùn)行。目前，我們?cè)谠瓉硌芯?、?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)幾種有源OCT 的調(diào)制方式進(jìn)行比較，采用了一種先進(jìn)、實(shí)用的方案，它利用光功率推動(dòng)原理給高壓供電，并在高壓側(cè)采用數(shù)字調(diào)制方式。利用地面的強(qiáng)激光源，將光能通過光纖傳至高電位處，再由光電池將光能轉(zhuǎn)換為電能，并用此電能給有關(guān)的功能電路部分供電。近年來由于光電子學(xué)的迅速發(fā)展，高功率的半導(dǎo)體激光器以及光電轉(zhuǎn)換的光電池都達(dá)到了很高的指標(biāo)，給這種方案的實(shí)現(xiàn)帶來了很大的可能性。原理框圖如圖1所示。

圖1　有源OCT原理圖
Fig.1　Scheme diagram of active OCT

　　在此系統(tǒng)中，被測(cè)高壓電流信號(hào)經(jīng)一個(gè)特制的TA變換為適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)；再把電信號(hào)輸入調(diào)制器，用調(diào)制器的輸出去驅(qū)動(dòng)光源，以便用數(shù)字方法調(diào)制作為載波的光波。在光源處實(shí)現(xiàn)電—光變換，把電信號(hào)變?yōu)閿y帶信息的光信號(hào)。光源采用發(fā)光二極管LED。光信號(hào)通過光纖傳到接收部分，在此，光纖作為傳輸媒介。在接收部分，先由光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光—電轉(zhuǎn)換，把帶有信息的光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，光電探測(cè)器采用PIN光電二極管。然后把光電探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后再進(jìn)行解調(diào)，以得到和原始信息相近的信號(hào)。圖中高壓側(cè)的供電電源由地面500 mW的半導(dǎo)體激光二極管LD用光纖把能量推動(dòng)到高壓側(cè)，經(jīng)過高轉(zhuǎn)換效率（40%左右）的光電池PPC把光能變?yōu)殡娔?，通過DC/DC變換電路處理、整定后，可得到穩(wěn)定的約80 mW供電電源功率，傳感頭的后級(jí)電路都采用CMOS器件，以降低電路的功耗。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，傳感頭部分的電路消耗功率約為50 mW。
　　在低壓區(qū)的接收部分是一個(gè)信號(hào)解調(diào)電路，它先將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過前級(jí)放大和解調(diào)后，一路送入D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬信號(hào)的還原，另一路直接送入計(jì)算機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器件進(jìn)行信號(hào)的處理和計(jì)算，并采用軟件方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行誤差矯正。這樣，系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和誤差將大大減小。另外，隨著近年來對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備要求的不斷提高，提供數(shù)字化的電流信號(hào)已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，接收部分的數(shù)字通道正是適應(yīng)這種發(fā)展的產(chǎn)物。

2　無源OCT

　　無源OCT就是傳感頭部位沒有電源供電的光電電流測(cè)量裝置。無源OCT多采用法拉第磁光效應(yīng)和干涉原理，以前者為主。無源OCT的特點(diǎn)是：整個(gè)系統(tǒng)的線性度比較好，靈敏度可以做得較高；絕緣性能好。它的難點(diǎn)是精度和穩(wěn)定性易受溫度、振動(dòng)的影響。利用法拉第磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的無源OCT有全光纖式、光電混合式和塊狀玻璃式。全光纖式的OCT，光纖本身就是傳感元件，結(jié)構(gòu)比較簡單，但光纖線性雙折射的問題一直是困擾著它的主要難點(diǎn)；光電混合式的精度受到一定的限制。目前使用最為普遍的是塊狀玻璃式無源OCT，國外掛網(wǎng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行也都是此類型，它是最有實(shí)用化可能的類型之一，故而我們也采用此方案。
　　采用法拉第磁光效應(yīng)進(jìn)行電流測(cè)量的原理是磁光材料在外加磁場(chǎng)和光波電場(chǎng)共同作用下產(chǎn)生的非線性極化過程。當(dāng)一束線偏振光通過置于磁場(chǎng)中的磁光材料時(shí)，線偏振光的偏振面就會(huì)線性地隨著平行于光線方向的磁場(chǎng)大小發(fā)生旋轉(zhuǎn)；通過測(cè)量通流導(dǎo)體周圍線偏振光偏振面的變化，就可間接地測(cè)量出導(dǎo)體中的電流值。用算式表示為：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

式中　θ為線偏振光偏振面的旋轉(zhuǎn)角度；V為磁光材料的Verdet常數(shù)；l為磁光材料中的通光路徑；H為電流I在光路上產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
　　由于磁場(chǎng)強(qiáng)度H由電流I產(chǎn)生，式(1)右邊的積分只跟電流I及磁光材料中的通光路徑與通流導(dǎo)體的相對(duì)位置有關(guān)，故式(1)可表示為：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　θ=VKI　　　　　　　　　　　　　　(2)

式中　K為只跟磁光材料中的通光路徑和通流導(dǎo)體的相對(duì)位置有關(guān)的常數(shù)，當(dāng)通光路徑為圍繞通流導(dǎo)體1周時(shí)，K=1，故只要測(cè)定θ的大小就可測(cè)出通流導(dǎo)體中的電流。
　　由于目前尚無高精確度測(cè)量偏振面旋轉(zhuǎn)的檢測(cè)器，通常將線偏振光的偏振面角度變化的信息轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)變化的信息，然后通過光電探測(cè)器將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，并進(jìn)行放大、處理，以正確反映最初的電流信息。一般采用檢偏器來實(shí)現(xiàn)將角度信息轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信息。
　　閉環(huán)式塊狀玻璃傳感頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。經(jīng)過對(duì)多種磁光材料的實(shí)驗(yàn)、分析比較［3］，最后選用溫度特性好、Verdet常數(shù)較高的ZF6重鉛玻璃作為傳感頭磁光材料。在傳感頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要考慮2個(gè)問題：一是線偏振光在2種不同界面上發(fā)生全反射時(shí)，電矢量相互垂直的2個(gè)分量之間產(chǎn)生相位差，即所謂的“全反射相位差”，影響測(cè)量精確度；二是溫度、應(yīng)力等環(huán)境因素對(duì)互感器的影響。對(duì)于第1個(gè)問題采用幾何相位補(bǔ)償法［4］，讓光在改變光路方向時(shí)經(jīng)過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個(gè)分量經(jīng)過2次全反射后相移的大小相同，而總的相位差恰巧被抵消為零。對(duì)于第2個(gè)問題采用下列措施解決：①用剛性的熱良導(dǎo)體材料封閉玻璃傳感頭，良導(dǎo)體對(duì)外界溫度的變化能起到均勻的作用；②在良導(dǎo)體殼體與塊狀玻璃頭之間采用與ZF6熱膨脹系數(shù)相近的材料作為過渡介質(zhì)，這樣既可避免外殼與玻璃傳感頭膨脹系數(shù)不一樣帶來的應(yīng)力問題，又可降低傳感頭與外界的熱量交換速度；③選擇適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)面，采用柔性的固定方法，消除固定形變應(yīng)力［5］。

圖2　磁光無源OCT傳感頭結(jié)構(gòu)圖
Fig.2　Configuration of magnetooptic
non-active OCT sensing head

　　原理圖如圖3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。圖中曲線是在額定電流為1200 A時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)0.1級(jí)TA比較所得的比差和角差結(jié)果。電流在80 A～2　　300 A、額定電流為1200 A時(shí)，比差值在0.2級(jí)精度，電流小于80 A時(shí)比差變差。這主要是噪聲及互感器靈敏度所限。同時(shí)把傳感頭放在-20 ℃～70 ℃的溫度范圍內(nèi)，它的比差變化均小于0.3%。無源磁光式OCT的優(yōu)點(diǎn)是精度高、線性度好、測(cè)量范圍大、體積小、重量輕，在220 kV電壓下整個(gè)傳感器的重量約為20 kg。

圖3　磁光式無源OCT原理圖
Fig.3　Scheme diagram
of magnetooptic non-active OCT

圖4　磁光式無源OCT的比差
Fig.4　Ratio errors of magnetooptic non-active OCT

圖5　磁光式無源OCT相位差
Fig.5　Phase errors of magnetooptic non-active OCT

3　討論

　　經(jīng)過20多年的努力,人們對(duì)全光纖OCT的優(yōu)點(diǎn)及存在的問題已有了正確的認(rèn)識(shí)，進(jìn)行了較深入的研究，并嘗試了許多方法，解決光纖內(nèi)雙折射給互感器帶來的不良影響。盡管3M公司聲稱已研制成功了無偏光纖，但到目前為止還沒有見到真正商品化的全光纖OCT。所以在這個(gè)問題沒有徹底解決以前，全光纖OCT還很難應(yīng)用于實(shí)際工程。然而，全光纖OCT是光纖電流測(cè)量技術(shù)的最終發(fā)展趨勢(shì)。
　　塊狀玻璃OCT經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)和精密加工，用高Verdet常數(shù)、溫度特性良好的磁光材料，并利用幾何相位補(bǔ)償技術(shù)抵消全反射相位差，同時(shí)在光路結(jié)構(gòu)上做進(jìn)一步的改進(jìn)，爭取使環(huán)境影響降為最低，從而具有體積小、重量輕、靈敏度高、價(jià)格低、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此，它是全光學(xué)電流互感器實(shí)用化的首選產(chǎn)品。
　　有源OCT既利用了現(xiàn)有的實(shí)用技術(shù)，又利用了光纖的優(yōu)點(diǎn)，因此它的實(shí)用化速度會(huì)更快。目前，需要解決的主要任務(wù)是：高壓側(cè)電子線路在戶外長期穩(wěn)定運(yùn)行及免維護(hù)問題。
　　電力系統(tǒng)的在線測(cè)量、數(shù)字化繼電保護(hù)、控制、故障診斷及電力系統(tǒng)光纖網(wǎng)的發(fā)展，需要OCT。傳統(tǒng)TA的頻帶窄、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍小、故障飽和等缺點(diǎn)已不適應(yīng)新一代電力系統(tǒng)的發(fā)展，這將更加激發(fā)人們加快OCT商品化生產(chǎn)的熱情。

4　結(jié)論

　　本文對(duì)電力系統(tǒng)中的光電電流測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了分析，討論了作者所從事的數(shù)字調(diào)制式有源OCT和閉環(huán)塊狀玻璃式無源OCT的工作原理、實(shí)驗(yàn)情況及其主要特點(diǎn)。盡管在研究開發(fā)方面，取得了一些成果，但要真正實(shí)現(xiàn)實(shí)用化商品生產(chǎn)，還需要從原理、工藝、材料方法上做進(jìn)一步的努力，光電電流互感器的時(shí)代一定會(huì)到來。