由智能配電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，引出了光纖電流互感器的研制背景，簡(jiǎn)要介紹了其設(shè)計(jì)原理、產(chǎn)品特性及功能實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合典型工程應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)例分析。

　　智能配電網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

　　國(guó)家電網(wǎng)公司從20 世紀(jì)90 年代初就開(kāi)展了配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的試點(diǎn)工作，先后進(jìn)行了一系列大量的科技試點(diǎn)和運(yùn)行實(shí)踐活動(dòng)。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)、產(chǎn)品不斷革新。與一次側(cè)電網(wǎng)相比，智能配電網(wǎng)發(fā)展相對(duì)不快，主要原因如下：

　　(1)配電網(wǎng)涉及范圍廣、投資大。配電網(wǎng)所測(cè)控的對(duì)象包括開(kāi)閉站、環(huán)網(wǎng)柜、分段開(kāi)關(guān)、聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)等，需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的設(shè)備眾多，但由于經(jīng)濟(jì)等方面的限制，實(shí)際的測(cè)量設(shè)備安裝數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足需要。而且，由于設(shè)備性能、安裝環(huán)境等方面的原因，配網(wǎng)量測(cè)終端采集的數(shù)據(jù)受外界干擾較大，數(shù)據(jù)可用性不高。

　　(2)已建配電網(wǎng)的配電網(wǎng)自動(dòng)化終端安裝、電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)改造等實(shí)施難度大。

　　(3)在試點(diǎn)過(guò)程中存在不少誤區(qū)。如存在認(rèn)識(shí)偏差，過(guò)分追求狹義的故障處理功能(DA)，沒(méi)有建立整體全局觀，導(dǎo)致配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)綜合效益無(wú)從顯現(xiàn)。

　　(4)中心主站系統(tǒng)沒(méi)能很好地融合到綜合信息系統(tǒng)，沒(méi)能很好地服務(wù)于配電網(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行、維護(hù);缺乏對(duì)整個(gè)配電調(diào)度管理系統(tǒng)的統(tǒng)籌考慮，大大限制了配電自動(dòng)化系統(tǒng)的易用性和實(shí)用性。在過(guò)去近20 年的配電網(wǎng)自動(dòng)化改造當(dāng)中，真正整體實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)自動(dòng)化的區(qū)域非常少見(jiàn)，這與智能電網(wǎng)所要達(dá)到的目標(biāo)，出現(xiàn)了非常大的差距。

　　國(guó)家電網(wǎng)公司提出了智能配電網(wǎng)步步推進(jìn)的技術(shù)路線圖。配電網(wǎng)自動(dòng)化作為智能電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)也備受重視。

　　在新一輪以智能電網(wǎng)為核心的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，給出新建項(xiàng)目技術(shù)方案的同時(shí)，應(yīng)充分考慮到已建項(xiàng)目正處于運(yùn)行之中的特點(diǎn)，必須考慮到因?qū)嵤┡潆娋W(wǎng)自動(dòng)化改造而帶來(lái)的對(duì)運(yùn)行可靠性的影響，及前述配電網(wǎng)自動(dòng)化已存在的缺陷。配電網(wǎng)自動(dòng)化所需要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)主要是電流和電壓，其他數(shù)據(jù)基本上都可以通過(guò)電流和電壓數(shù)據(jù)計(jì)算來(lái)獲取，為此希望在智能電網(wǎng)范疇內(nèi)的配電網(wǎng)自動(dòng)化改造過(guò)程中，能夠結(jié)合目前存在的缺陷，找到一個(gè)盡量降低缺陷影響的新辦法和新思路。

　　2004 年IEC 60044-8 《互感器 電子式電流互感器》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)頒布以來(lái)，有的新建變電站采用了光纖電流互感器技術(shù)，光纖傳感技術(shù)已融入到智能變電站中。但是同時(shí)也必須認(rèn)識(shí)到，在高電壓等級(jí)所采用的光纖電流互感器技術(shù)，在穩(wěn)定性、抗干擾性能等多個(gè)方面，還存在很多問(wèn)題。目前尚不能做為成熟產(chǎn)品來(lái)應(yīng)用。

　　國(guó)內(nèi)10kV 網(wǎng)架的配電終端所采集的數(shù)據(jù)，都是基于傳統(tǒng)電磁原理的互感器，主網(wǎng)的先進(jìn)技術(shù)遲遲不能應(yīng)用到配電網(wǎng)領(lǐng)域。在配電網(wǎng)自動(dòng)化改造過(guò)程中，對(duì)已存在的一次系統(tǒng)加裝電流互感器，也成為一項(xiàng)比較耗時(shí)費(fèi)力的工作。為了破解這個(gè)困擾業(yè)界的難題，將新型傳感技術(shù)運(yùn)用到配電網(wǎng)自動(dòng)化的電流互感器當(dāng)中，替代傳統(tǒng)電流互感器就變得非常必要和迫切。

　　光纖電流互感器的提出及研制

　　光纖技術(shù)測(cè)量電流始于20 世紀(jì)60 年代，1963 年美國(guó)就已經(jīng)在230kV 變電站中掛網(wǎng)運(yùn)行。1979 年英國(guó)掛網(wǎng)運(yùn)行了全光纖互感器，1993 年我國(guó)在廣東電網(wǎng)運(yùn)行了華中科技大學(xué)研制的光纖電流互感器;進(jìn)入2000 年后，許繼集團(tuán)聯(lián)合華北電力大學(xué)，南瑞集團(tuán)聯(lián)合航天科技，ABB、西安創(chuàng)維等都在國(guó)內(nèi)電網(wǎng)上試運(yùn)行了光纖電流互感器;近幾年上海嘉定變電站等投運(yùn)了光傳感電流互感器。

　　以上的技術(shù)和產(chǎn)品主要集中在高電壓等級(jí)的主網(wǎng)，在中壓領(lǐng)域開(kāi)展光纖傳感技術(shù)研究，國(guó)內(nèi)尚未有實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品。

　　而在國(guó)外，擁有150 萬(wàn)客戶(hù)的丹麥最大電力公司 DONG Energy 在2002 年提出需求：“希望能有產(chǎn)品在不停電、不破壞現(xiàn)有運(yùn)行設(shè)備的條件下，具有檢測(cè)中壓電纜線路故障和電流的精確測(cè)量功能?！苯?jīng)廣泛調(diào)查后發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上沒(méi)有符合條件的標(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)品，為此，DONG Energy 發(fā)起并聯(lián)合丹麥大學(xué)光學(xué)實(shí)驗(yàn)室及相關(guān)機(jī)構(gòu)，組織了公司專(zhuān)攻技術(shù)與工程應(yīng)用。2004 年，光纖電流互感器在DONG Energy 實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，配電終端以光纖互感器為基礎(chǔ)，具有“技術(shù)先進(jìn)、功能實(shí)用、安裝便捷、適應(yīng)智能電網(wǎng)需求、可靠性高”等特點(diǎn)，目前在全世界20 多個(gè)國(guó)家的配電網(wǎng)領(lǐng)域得到實(shí)際運(yùn)行應(yīng)用。

　　經(jīng)過(guò)了工程實(shí)踐和不斷完善，以光纖電流互感器為主體組成的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，已成為一個(gè)專(zhuān)業(yè)的、相對(duì)成熟的技術(shù)產(chǎn)品體系。

　　光纖傳感配電終端通過(guò)光纖電流互感器來(lái)采集運(yùn)行時(shí)的電流量，配合FTU/DTU所采集的電壓量，可以將有功功率、無(wú)功功率、頻率等信息進(jìn)行精確計(jì)算，以及判斷短路故障電流、接地故障和故障距離等，采集精度高，計(jì)算量準(zhǔn)確;還有多路信號(hào)采集回路及控制輸出回路;通過(guò)通信模塊，以網(wǎng)絡(luò)RJ 45、無(wú)線GPRS 及串行RS 485/232為物理接口， 以IEC 60870-5-101/104 和CDT 協(xié)議和配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)主站實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交互。也可以通過(guò)IEC 61850 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)光纖電流互感器獨(dú)立發(fā)布數(shù)據(jù)。

　　光纖電流互感器的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)基本原理

　　當(dāng)一束線偏振光在介質(zhì)中傳播時(shí)，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場(chǎng)，則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度β 與磁感應(yīng)強(qiáng)度B 和光穿越介質(zhì)的長(zhǎng)度d 的乘積成正比，即β=VBd ，比例系數(shù)V 稱(chēng)為費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場(chǎng)方向。上述現(xiàn)象稱(chēng)為法拉第磁光效應(yīng)。

　　光纖電流互感器基本結(jié)構(gòu)

　　LED 發(fā)出的光源，經(jīng)過(guò)光學(xué)準(zhǔn)直鏡頭以后，形成平行光進(jìn)入起偏器，經(jīng)過(guò)起偏器以后轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，當(dāng)線偏振光經(jīng)過(guò)安裝在導(dǎo)線上的磁光晶體時(shí)，導(dǎo)線中的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將使光的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的偏振光通過(guò)檢偏器，檢測(cè)出偏振面旋轉(zhuǎn)的角度。

　　經(jīng)過(guò)檢偏器以后的變化了光強(qiáng)的光，經(jīng)過(guò)第二光纖后由光處理模塊上的光電探測(cè)器接收，并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)相關(guān)電路檢出其光強(qiáng)變化，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理、信息提取等智能過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)體內(nèi)電流強(qiáng)度的檢測(cè)。圖1 為光纖電流互感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

　　圖1 光纖電流互感器基本結(jié)構(gòu)示意圖

　　光纖電流互感器的實(shí)現(xiàn)方法

　　光電檢測(cè)原理主要通過(guò)以下幾部分實(shí)現(xiàn)：光學(xué)器件：包括光傳感頭、絕緣件、夾具、定制光纖等;

　　光電處理模塊：包括發(fā)光器件、光接收器件、光電轉(zhuǎn)換、計(jì)算及分析判斷。圖2 為光電檢測(cè)原理框圖。

　　光纖電流互感器的特點(diǎn)如下：

　　(1)量程寬、精度高、頻帶寬、響應(yīng)快，可同時(shí)滿(mǎn)足測(cè)量和保護(hù)需要。

　　(2)安裝維護(hù)便利，不損壞、不切割已有設(shè)備。

　　(3)全絕緣、耐高溫，無(wú)二次開(kāi)路危險(xiǎn)。

　　(4)短路故障測(cè)距，提高供電系統(tǒng)可靠性。

　　(5)節(jié)能環(huán)保，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

　　圖2 光電檢測(cè)原理框圖