光学玻璃电流互感器研究进展.doc

光学玻璃电流互感器研究进展 王政平，康 崇，张雪原，郑志胜，林火养 （哈尔滨工程大学理学院，哈尔滨市南岗区一曼街2号， 邮编：150001） 曾皞阳，杨会民 （中国东北电网有限公司哈尔滨超高压局） 王启胜 （中国联通哈尔滨分公司） 摘要：介绍了电子式电流互感器分类，块状光学玻璃电流互感器(BGOCT)的基本工作原理，回顾了BGOCT系统自身参数如反射相移、线性双折射等对BGOCT性能影响、工作环境对BGOCT系统的影响及信号处理技术方面的研究结果，并评估了可能的努力方向。 关键词：光学玻璃电流互感器；Faraday效应；反射相移；线性双折射 中图分类号：TM452 文献标识码：A 0. 引言 随着电网电压提高到超高压、甚高压，传统的电流互感器（Current Transformer:CT）已暴露出铁心易饱和，绝缘越来越困难，绝缘费用昂贵，充油易爆等内在的缺点。与其CT相比，电子式电流互感器（Electronic Current Transformer: ECT）具有优良的绝缘性能，无磁饱和问题，动态测量范围大，测量精度高，抗电磁干扰能力强，频率相应宽等截然相反的优点。因而得到了各国电力行业相关部门单位的极大关注，在近年来得到不断发展。 电子电流互感器是指利用备有电子器件的光学器件、或空心线圈（带有或没有内嵌积分器）、或是带有集成负载的铁芯线圈的、独立的或配有电子器件的电流—电压转换器。其中利用光学器件对电流传感的或传输信号的ECT称为光学电流互感器(Optical Current Transformer: OCT)。对OCT可有不同的分类方法。按照高压区工作单元是否需要供电，OCT通常可分为有源型和无源型两大类；按照传感机理和传感头的具体结构，OCT又可分全光纤型、光学玻璃型、混合型、磁场传感器型和其它传感机理型[1]。 1. 块状光学玻璃型OCT工作原理 光学玻璃电流互感器（Bulk Glass Optical Current Transformer: BGOCT）的基本工作原理是Faraday效应，即加在光学介质上的外部磁场会使通过光学介质的偏振光发生偏振面的旋转的效应。其旋转角度由公式（1）决定。 （1） 式中是光学介质的Verdet常数；是光在介质中的传播的距离；是磁场强度。当磁场是由图1所示穿过光学玻璃传感头的导体中的电流产生，且光路围绕载流导体闭合时，利用安培环路定律上式可改写为 （2） 式中 是围绕载流导体闭合光路圈数。由公式（2）可知，只要测出偏振光旋转的角度，即可计算出待测电流的大小。公式（2）通常被认为是BGOCT工作原理的数学表达式[1]。公式（2）还表明，利用适当的光路设计增加围绕载流导体的光路圈数可提高传感头灵敏度。 图1 光学玻璃电流传感头原理光路图 Fig 1. Schematic digram of the bulk glass current sensing head 2．BGOCT基本结构及其改进方案 与全光纤型OCT相比，BGOCT的光学材料选择范围宽，稳定性较好，精度较高，受线性双折射影响较小，但存在加工难度大，传感头易碎，成本高等缺点，而且光在反射过程中引入的反射相移会使线偏光变成椭圆偏振光而影响系统性能。为克服反射相移的影响，已提出双正交反射方案[2]，临界角反射方案[3]和保偏反射膜方案（其中又分为多层保偏反射膜[4]与单层介质保偏反射膜方案[5]）。其中，双正交反射方案的原理是在光路中每个反射点处用两次反射代替原来的一次反射，并使第二次反射光的s、p分量与第一次反射光的s、p分量恰好旋转，致使两次反射产生的相移互相抵消，如图2所示。 对于交反射方案而言，已见利用增加传感头中光路数提高灵敏度的报道[6]。采用金属膜反射的、可开合式传感头则便于现场应用[7]。将双正交反射方案设计中最后一次向上的反射改为向下反射，使光路实现基本闭合，可提高系统抗外电磁场干扰的能力[8]。通过反射结构使光路实现折返，也可提高检测灵敏度[9][10]，但由于在实现光路折返时并没有采取使线偏振光两个正交分量之间方向互换的措施，即便是严格按原光路返回，也不能抵消或降低线性双折射、反射相移等互易性因素的影响。 图2 双正交反射反射方案原理图 Fig 2. Schematic diagram of dual-quadrature reflection-typed sensing head 基于临界角反射不产生反射相移的原理，有人提出了三角形传感头设计[11]和钳式传感头设计[12]。上述方案具备结构简单或使用方便的优点。由于临界角反射方案对传感头加工精度要求