光電式互感器

關(guān)于光電式互感器第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日第四節(jié)光電式互感器一種新型的互感器，他們利用半導(dǎo)體集成電路技術(shù)、激光技術(shù)、光纖傳輸技術(shù)開發(fā)研制出了光電式電流互感器（OCT）和光電式電壓互感器（OVT）以及組合式光電互感器（OMU）。

第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日光電式互感器的優(yōu)點具有傳統(tǒng)式互感器不可比擬的優(yōu)點：體積小，重量輕；無鐵心、不存在磁飽和和鐵磁諧振問題；暫態(tài)響應(yīng)范圍大，頻率響應(yīng)寬；抗電磁干擾性能佳；無油化結(jié)構(gòu)，絕緣可靠、價格低；便于向數(shù)字化、微機化發(fā)展。第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日光電式互感器的一般結(jié)構(gòu)第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日光電式互感器的一般結(jié)構(gòu)

包括一次傳感器及變換器、傳輸系統(tǒng)、二次變換器及合并單元。二次輸出分模擬量和數(shù)字量兩類。

數(shù)字輸出一般是經(jīng)合并單元將多個傳感器的采樣量合并變?yōu)閿?shù)字量輸出。一個合并單元最多可輸入7個電流傳感器和5個電壓傳感器的采樣量。供給測量和繼電保護(hù)的數(shù)字量一般分別輸出。

第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日光電式電流互感器的二次輸出光電式電流互感器模擬量輸出為二次電壓，其額定值的標(biāo)準(zhǔn)值以方均根值U表示為：22.5mV、150mV、200mV、225mV、4V。其中，額定二次電壓4V僅用于測量目的。額定負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)值以電阻表示為：2kΩ、20kΩ、2MΩ。

第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日光電式電壓互感器的二次輸出光電式電壓互感器模擬量輸出二次電壓額定值以方均根值U表示為：1.625V、3.25V、6．5V、100V。輸出容量當(dāng)二次電壓小于10V時，以VA表示的標(biāo)準(zhǔn)值為0.001、0.01、0.1、0.5。當(dāng)二次電壓大于10V時，以VA表示的標(biāo)準(zhǔn)值為1、2.5、5、10、15、25、30。第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日光電式電壓互感器的數(shù)字量輸出

光電式互感器的數(shù)字量輸出：IEC60044-8規(guī)定由串行、單向、一發(fā)多收、點對點鏈路送出。發(fā)信的是合并單元，收信的可能有保護(hù)、測量儀表、監(jiān)控單元及過程總線等。

第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日2.4.1光電式電流互感器（OCT）光電式電流互感器發(fā)展到本世紀(jì)末，其原理與結(jié)構(gòu)普遍集中到有源型、無源型及全光纖型三類。

第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日

一、有源型光電電流互感器

高壓側(cè)電流信號通過采樣線圈將電信號傳遞給發(fā)光元件而變成光信號，再由光纖傳遞到低電位側(cè)，進(jìn)行逆變換成電信號后放大輸出。高壓側(cè)電子器件的電源來源于光供電方式、母線電流供電方式、電池供電方式以及超聲電源供電方式。

第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日有源型光電電流互感器方框圖和原理圖第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日有源型光電電流互感器工作原理高壓區(qū)信號的處理：被測高壓電流信號經(jīng)過傳感頭（Rogowski線圈）變換為適當(dāng)?shù)碾娦盘?；再把電信號輸入調(diào)制器，用調(diào)制器的輸出去驅(qū)動光源（發(fā)光二極管LED），以便用數(shù)字方法調(diào)制作為載波的光波。在光源處實現(xiàn)電—光變換，把電信號變?yōu)閿y帶信息的光信號。光信號通過傳輸媒介光纖傳到接受部分。

第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日有源型光電電流互感器工作原理低壓區(qū)信號的處理：在低壓區(qū)的接收部分是一個信號解調(diào)電路，它先由光電探測器（PIN光電二極管）實現(xiàn)光—電轉(zhuǎn)換，把攜帶信息的光信號變?yōu)殡娦盘?。然后把光電探測器輸出的信號經(jīng)過前級放大后再進(jìn)行解調(diào)，然后一路送入D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬信號的還原，另一路直接送入計算機或數(shù)字信號處理器件進(jìn)行信號的處理和計算，并采用軟件方法對信號進(jìn)行誤差矯正。

第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日有源型光電電流互感器的傳感頭不是光學(xué)元件，而是采用空心線圈（即Rogowski線圈）。工作原理仍基于電磁感應(yīng)原理，但與常規(guī)電磁互感器不同，它的線圈骨架為一非磁性材料。第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日有源型光電電流互感器的傳感頭它的感應(yīng)輸出為：

其中N，S分別為小線圈匝數(shù)、截面積；L為線圈骨架周長；μ0為真空磁導(dǎo)率；I為被測電流。對線圈輸出進(jìn)行模擬或數(shù)字積分處理，則其輸出為：

Vi直接反映了被測電流I的大小，通過測量Vi，即可測得被測電流I。

第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日二、無源型光電電流互感器

無源型光電電流互感器的特點是：整個系統(tǒng)的線性度比較好，靈敏度可以做得較高；絕緣性能好。它的缺點是精度和穩(wěn)定性易受溫度、振動的影響。

第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日法拉第磁光效應(yīng)的基本原理當(dāng)一束線偏振光通過置于磁場中的磁光材料時，線偏振光的偏振面就會線性地隨著平行于光線方向的磁場大小發(fā)生旋轉(zhuǎn)；通過測量通流導(dǎo)體周圍線偏振光偏振面的變化，就可間接地測量出導(dǎo)體中的電流值。

第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日法拉第磁光效應(yīng)的基本原理

用算式表示為：式中θ—線偏振光偏振面的旋轉(zhuǎn)角度；

V—磁光材料的維爾德（verdet）常數(shù)；

L—磁光材料中的通光路徑；

H—電流I在光路上產(chǎn)生的磁場強度。第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日法拉第磁光效應(yīng)的基本原理上式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)體的相對位置有關(guān)，故式可表示為：

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，K=1。只要測定θ的大小就可測出通流導(dǎo)體中的電流。

第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日閉環(huán)式塊狀玻璃傳感頭原理圖

第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日改進(jìn)后的雙正交反射方案

第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日磁光式無源型光電電流互感器原理圖

第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日全光纖型光電電流互感器

全光纖型光電電流互感器為無源型，傳感頭由光纖本身制成。優(yōu)點是傳感頭結(jié)構(gòu)最簡單，比無源型易于制造，精度及壽命與可靠性比無源型要高。

缺點是光纖是保偏光纖，比普通光纖特殊，要做出有高穩(wěn)定性的光纖很困難，且造價昂貴。

第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日2.4.2光電式電壓互感器（OVT）

一、光電式電壓互感器（OVT）的基本原理光電式電壓互感器（OVT）的基本原理主要分為：基于電光效應(yīng)基于逆壓電效應(yīng)基于分壓效應(yīng)

第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日1.基于電光效應(yīng)的電壓互感器

光學(xué)的電光效應(yīng)（Pockels效應(yīng)）:

某些晶體在沒有外電場作用時，其各向同性，光率體為一圓柱體。在外電場作用下，導(dǎo)致其入射光折射率改變，這種折射率的變化將使某一方向入射晶體的偏振光產(chǎn)生的電光相位延遲，且延遲量與外加電場強度成正比。其表達(dá)式為：

Δn—入射光的折射率；E—外加電場強度；K—常數(shù)。

第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日測量光的折射率工作原理圖第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日測量光的折射率

通常是通過干涉法進(jìn)行間接測量其基本結(jié)構(gòu)主要由傳感頭、信號傳輸光纖和測量系統(tǒng)組成

第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日BGO光纖電壓傳感頭的工作原理和結(jié)構(gòu)

第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日BGO光纖電壓傳感頭的工作原理和結(jié)構(gòu)它由起偏器、l／4λ波長片、BGO晶體、檢偏器構(gòu)成。光纖傳輸?shù)淖匀还饨?jīng)透鏡準(zhǔn)直，由起偏器變成線偏振光。經(jīng)l／4λ波片將偏振光再變成圓偏振光。由于加在BGO晶體上的電壓或電場的作用，這個圓偏振光又變成橢圓偏振光，經(jīng)檢偏器檢偏后的光信號，其調(diào)制度相當(dāng)于交流電壓或電場。因而，加在BGO上的電信號就可以通過檢測光信號來測量。

第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日（2）基于逆壓電效應(yīng)的電壓互感器

逆壓電效應(yīng)：當(dāng)壓電晶體受到外加電場作用時，晶體除了產(chǎn)生極化現(xiàn)象外，同時形狀也產(chǎn)生微小變化即產(chǎn)生應(yīng)變。利用逆壓電效應(yīng)引起晶體形變轉(zhuǎn)化為光信號的調(diào)制并檢測光信號，則可以實現(xiàn)電場（或電壓）的光學(xué)傳感。

第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日

逆壓電效應(yīng)的電壓互感器結(jié)構(gòu)原理

第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日逆壓電效應(yīng)的電壓互感器的特點采用石英晶體作為敏感器件，晶體圓柱表面纏繞橢圓芯雙模光纖。當(dāng)交流電壓施加在晶體上時，引起晶體的交變形變，這種形變由橢圓形雙模光纖感知，光纖的兩種空間模式在傳播中將經(jīng)過調(diào)制的光學(xué)相位差通過弱相干干涉法測量得到。除了石英晶體外，這種傳感器是一種不需要類似準(zhǔn)直儀、起偏器、波片等光學(xué)分離元件的全光纖傳感器。具有較低的復(fù)雜性，且成本低。

第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日（3）基于分壓效應(yīng)的電壓互感器

母線電壓經(jīng)電容器串聯(lián)而取得分壓，經(jīng)傳感器的Pockels晶體，把電信號轉(zhuǎn)換為光信號，光信號由光纖傳送到信號處理器，把光信號再轉(zhuǎn)換為電信號，輸出電壓。通常有兩種取壓方法，即從高電位端取壓和從低電位端取壓。

第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日2.4.3組合式光電互感器（OMU）

組合式光學(xué)電壓電流互感器包括：基于Pockels電光效應(yīng)和法拉第磁光效應(yīng)的組合式光電互感器基于Rogowski空心線圈和電容分壓原理的組合式光電互感器。第三十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日基于Pockels電光效應(yīng)和法拉第磁光效應(yīng)的組合式光電互感器

把Pockels晶體縱向電光效應(yīng)的光電電壓互感器和火石玻璃法拉第磁光效應(yīng)的