由智能配電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題，引出了光纖電流互感器的研制背景，簡要介紹了其設(shè)計原理、產(chǎn)品特性及功能實現(xiàn)，并結(jié)合典型工程應(yīng)用進行了實例分析。
智能配電網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀及存在問題
國家電網(wǎng)公司從20 世紀90 年代初就開展了配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的試點工作，先后進行了一系列大量的科技試點和運行實踐活動。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)所測控的對象包括開閉站、環(huán)網(wǎng)柜、分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)等，需要進行監(jiān)測的設(shè)備眾多，但由于經(jīng)濟等方面的限制，實際的測量設(shè)備安裝數(shù)量遠遠無法滿足需要。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)自動化終端安裝、電動操動機構(gòu)改造等實施難度大。
(3)在試點過程中存在不少誤區(qū)。如存在認識偏差，過分追求狹義的故障處理功能(DA)，沒有建立整體全局觀，導(dǎo)致配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)綜合效益無從顯現(xiàn)。
(4)中心主站系統(tǒng)沒能很好地融合到綜合信息系統(tǒng)，沒能很好地服務(wù)于配電網(wǎng)的規(guī)劃、運行、維護;缺乏對整個配電調(diào)度管理系統(tǒng)的統(tǒng)籌考慮，大大限制了配電自動化系統(tǒng)的易用性和實用性。在過去近20 年的配電網(wǎng)自動化改造當(dāng)中，真正整體實現(xiàn)了配電網(wǎng)自動化的區(qū)域非常少見，這與智能電網(wǎng)所要達到的目標(biāo)，出現(xiàn)了非常大的差距。
國家電網(wǎng)公司提出了智能配電網(wǎng)步步推進的技術(shù)路線圖。配電網(wǎng)自動化作為智能電網(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)自動化系統(tǒng)建設(shè)過程中，給出新建項目技術(shù)方案的同時，應(yīng)充分考慮到已建項目正處于運行之中的特點，必須考慮到因?qū)嵤┡潆娋W(wǎng)自動化改造而帶來的對運行可靠性的影響，及前述配電網(wǎng)自動化已存在的缺陷。配電網(wǎng)自動化所需要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)主要是電流和電壓，其他數(shù)據(jù)基本上都可以通過電流和電壓數(shù)據(jù)計算來獲取，為此希望在智能電網(wǎng)范疇內(nèi)的配電網(wǎng)自動化改造過程中，能夠結(jié)合目前存在的缺陷，找到一個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)準頒布以來，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。但是同時也必須認識到，在高電壓等級所采用的光纖電流互感器技術(shù)，在穩(wěn)定性、抗干擾性能等多個方面，還存在很多問題。目前尚不能做為成熟產(chǎn)品來應(yīng)用。
國內(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)自動化改造過程中，對已存在的一次系統(tǒng)加裝電流互感器，也成為一項比較耗時費力的工作。為了破解這個困擾業(yè)界的難題，將新型傳感技術(shù)運用到配電網(wǎng)自動化的電流互感器當(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)測量電流始于20 世紀60 年代，1963 年美國就已經(jīng)在230kV 變電站中掛網(wǎng)運行。1979 年英國掛網(wǎng)運行了全光纖互感器，1993 年我國在廣東電網(wǎng)運行了華中科技大學(xué)研制的光纖電流互感器;進入2000 年后，許繼集團聯(lián)合華北電力大學(xué)，南瑞集團聯(lián)合航天科技，ABB、西安創(chuàng)維等都在國內(nèi)電網(wǎng)上試運行了光纖電流互感器;近幾年上海嘉定變電站等投運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的主網(wǎng)，在中壓領(lǐng)域開展光纖傳感技術(shù)研究，國內(nèi)尚未有實際應(yīng)用產(chǎn)品。
而在國外，擁有150 萬客戶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)有運行設(shè)備的條件下，具有檢測中壓電纜線路故障和電流的精確測量功能?！苯?jīng)廣泛調(diào)查后發(fā)現(xiàn)市場上沒有符合條件的標(biāo)準定型產(chǎn)品，為此，DONG Energy 發(fā)起并聯(lián)合丹麥大學(xué)光學(xué)實驗室及相關(guān)機構(gòu)，組織了公司專攻技術(shù)與工程應(yīng)用。2004 年，光纖電流互感器在DONG Energy 實現(xiàn)了現(xiàn)場運行，配電終端以光纖互感器為基礎(chǔ)，具有“技術(shù)先進、功能實用、安裝便捷、適應(yīng)智能電網(wǎng)需求、可靠性高”等特點，目前在全世界20 多個國家的配電網(wǎng)領(lǐng)域得到實際運行應(yīng)用。
經(jīng)過了工程實踐和不斷完善，以光纖電流互感器為主體組成的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)，已成為一個專業(yè)的、相對成熟的技術(shù)產(chǎn)品體系。
光纖傳感配電終端通過光纖電流互感器來采集運行時的電流量，配合FTU/DTU所采集的電壓量，可以將有功功率、無功功率、頻率等信息進行精確計算，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，計算量準確;還有多路信號采集回路及控制輸出回路;通過通信模塊，以網(wǎng)絡(luò)RJ 45、無線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)自動化系統(tǒng)主站實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交互。也可以通過IEC 61850 協(xié)議，實現(xiàn)光纖電流互感器獨立發(fā)布數(shù)據(jù)。
光纖電流互感器的設(shè)計原理及實現(xiàn)基本原理
當(dāng)一束線偏振光在介質(zhì)中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度β 與磁感應(yīng)強度B 和光穿越介質(zhì)的長度d 的乘積成正比，即β=VBd ，比例系數(shù)V 稱為費爾德常數(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)和磁場方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第磁光效應(yīng)。
光纖電流互感器基本結(jié)構(gòu)
LED 發(fā)出的光源，經(jīng)過光學(xué)準直鏡頭以后，形成平行光進入起偏器，經(jīng)過起偏器以后轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，當(dāng)線偏振光經(jīng)過安裝在導(dǎo)線上的磁光晶體時，導(dǎo)線中的電流產(chǎn)生的磁場將使光的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的偏振光通過檢偏器，檢測出偏振面旋轉(zhuǎn)的角度。
經(jīng)過檢偏器以后的變化了光強的光，經(jīng)過第二光纖后由光處理模塊上的光電探測器接收，并把它轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)過相關(guān)電路檢出其光強變化，再經(jīng)過信號處理、信息提取等智能過程，從而實現(xiàn)對導(dǎo)體內(nèi)電流強度的檢測。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現(xiàn)方法
光電檢測原理主要通過以下幾部分實現(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、計算及分析判斷。圖2 為光電檢測原理框圖。
光纖電流互感器的特點如下：
(1)量程寬、精度高、頻帶寬、響應(yīng)快，可同時滿足測量和保護需要。
(2)安裝維護便利，不損壞、不切割已有設(shè)備。
(3)全絕緣、耐高溫，無二次開路危險。
(4)短路故障測距，提高供電系統(tǒng)可靠性。
(5)節(jié)能環(huán)保，促進可持續(xù)發(fā)展。
圖2 光電檢測原理框圖