第1章绪论
电流互感器(current transformer，CT)是电力系统电能计量和保护控制的重要设备，其测量精度和运行可靠性与电力系统的安全、经济运行密切相关。在电力系统中运行的电流互感器应该满足：①稳态测量精度满足电能计量要求，必须达到0-2级及以上；②有良好的动态响应能力，基波、谐波和非周期分量的测量必须满足电力系统保护、控制与动态分析的需要；③具有长期运行的稳定性，其性能不受运行环境、运行时间和运行系统的影响；④具有很高的绝缘性能。
传统的电磁式电流互感器应用于电网的历史已经超过百年，至今仍是电力系统用来测量电流的主要设备。电磁式电流互感器结构类似于变压器，因传感机理的限制，已经暴露出一系列不能满足当前电力系统需要的缺点，如频带窄、绝缘结构复杂、造价高、动态范围小、容易磁饱和，从而造成保护误动或拒动等，难以满足电力系统数字化和智能化的要求。
智能变电站是当前变电站自动化发展的方向，电流互感器是过程层的关键一次设备。选择合适的电流互感器是智能变电站发展中面临的重要问题。
目前人们所研究和开发的新型电流互感器有两个主要类别：基于电磁感应原理(传感器为Rogowski线圈和低功耗小电流互感器(LPCT))的有源电子式电流互感器，基于Faraday磁光效应的光学电流互感器 (optical current transducer，OCT)。这两种新型电流互感器统称为电子式电流互感器。
在有源电子式电流互感器中，Rogowski线圈是密绕于非磁性骨架上的空心螺绕环。Rogowski线圈直接输出的信号是被测电流的微分信号。由于采用非磁性骨架，Rogowski线圈电流互感器不存在磁饱和现象，提高了电磁式电流互感器的动态响应范围。然而，Rogowski线圈在原理上不能测量重要的电力系统动态量——非周期分量。同时，Rogowski线圈在测量精度上受环境温度和电磁干扰的影响。此外，无论采取哪种传感器(Rogowski线圈和LPCT)，有源电子式电流互感器必须为高压传感部件提供电能。供能技术是有源电子式电流互感器的关键技术之一。
基于法拉第磁光效应的光学电流互感器是电子式电流互感器中的一种，长久以来都是新型电流互感器中的研究热点。与有源电子式电流互感器不同，光学电流互感器是利用法拉第效应和光纤传导技术进行电流的测量。相比于传统的电磁式电流互感器，可以更好地满足电能计量、继电保护、系统监测诊断以及电力系统分析等领域不断发展的要求。
与传统电磁式电流互感器相比，光学电流互感器具有如下优点。
(1) 造价低、经济性好，体积小、绝缘性能优良。由于不采用导电的金属作为传输介质，所以大大地简化了高压互感器中的内绝缘结构，整个互感器体积小、质量轻、造价低。当电压等级升高时，传统电磁式互感器的制造成本会成倍增加，而光学电流互感器的成本只是稍有增加。光学电流互感器在高电压等级下的低成本正是吸引业内关注的主要原因之一。
(2) 不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。当系统发生短路时，在强大的短路电流作用下，特别是其中的非周期分量尚未衰减时，断路器跳闸，或在大型变压器空载合闸后，电磁式电流互感器的铁心中通常仍保留较大剩磁，铁心严重饱和，互感器暂态性能恶化，导致电磁式电流互感器二次侧输出电流无法正确反映一次电流，从而造成保护装置的误动或拒动。光学电流互感器不含铁心，动态范围大，不会饱和。
(3) 二次侧无开路高压的危险，没有因充油而产生的易燃、易爆等危险。电磁式电流互感器在二次侧开路时，会产生高压。此外，为了解决电磁式电流互感器一次侧与二次侧之间的绝缘问题，在互感器中通常充油或充SF6，但这也就会带来易燃、易爆等危险隐患。在光学电流互感器中，通过绝缘性能良好的光纤连接将一次侧信号传输到二次侧，实现了高低压之间的电气隔离。
(4) 频率响应范围宽，动态范围大，对电力系统故障响应快。选择暂态信号作为量测量进行故障判断是微机保护的一个发展方向。当选择暂态信号作为保护判断参量时，要求互感器具有很高的线性度以及动态特性。电磁式电流互感器因存在的磁饱和等问题难以满足新要求。目前光学电流互感器的频率响应可达到1MHz以上，具有动态范围大的优点，可以为微机保护提供准确的暂态信号。
(5)适应了电力系统数字化、智能化的新发展。光学电流互感器不仅可以输出模拟量，还可以输出数字量，数字接口符合IEC61850标准，满足了智能变电站的数字化要求。
(6)绿色环保、电磁兼容性好。光学电流互感器采用光纤传输信号，与电磁式电流互感器所采用的铜线相比，光纤质量轻、价格低，减少了有色金属的消耗。同时，在光纤中传输信号具有很强的抗电磁干扰能力，非常适用于变电站复杂的电磁环境。
本书主要以Faraday磁光效应的光学电流互感器为研究对象，如果没有特殊说明，本书所述的光学电流互感器就是指基于Faraday磁光效应的光学电流互感器。
1-1光学电流互感器的基本原理
基于法拉第磁光效应的光学电流互感器是通过磁光效应来测量由被测电流引起的磁场强度的线积分来间接测量电流的。根据法拉第磁光效应，线偏振光在与其传播方向平行的外界磁场的作用下通过磁光材料介质(晶体或光学玻璃)时，其偏振面将发生偏转，如图1-1所示，偏转角可以表示为
=μ V ∫LH dl(1-1)
式中，μ为法拉第磁光材料的磁导率；V为磁光材料的Verdet常数，它与磁光材料介质的特性、光源波长、外界温度等有关；H为作用于磁光材料的磁场强度；L为通过磁光材料的偏振光的光程长度。
图1-1法拉第磁光效应的原理图
事实上，被测电流形成的磁场在空间上任意一段的线积分与被测电流之间存在固定的比例线性关系。因此，只要将磁光传感光路置于被测电流形成的磁场中，磁光传感光路中光的传播方向与磁场矢量方向在同一平面内，磁光传感光路中线偏振光的偏转角就是固定比例系数与被测电流的乘积，即
=k V i(1-2)
式中，k为比例系数，通过整定方法可以获得这个比例系数k。
式(1-1)和式(1-2)构成了光学电流互感器的基本实现方法的理论基础。
在此基础上也可以有另一种磁光传感测量的实现方法：采用光学方法使得磁光传感光路中线偏振光围绕被测电流形成回路，应用安培环路定律就可以得到如下关系：
=V N i(1-3)
式中，N为线偏振光围绕电流的环路数；i为被测电流。
由于偏振光的偏转角是不能够被直接测量的，所以人们利用马吕斯定律将不可测的偏转角信号转换为可测的偏振光的光强信号。马吕斯定律指出，自然光经过第一块偏振器(称为起偏器)时，出射的偏振光的光强为入射自然光强J0的二分之一，再经过第二块偏振器(称为检偏器)后，出射偏振光的电矢量平行于检偏器的透射方向，其光强J1为
J1=J0cos2θ(1-4)
式中，θ为起偏器出射偏振光与检偏器出射偏振光之间的偏振夹角。
将马吕斯定律应用于光学电流互感器中，此时式(1-4)中的θ就是偏转角以及起偏器和检偏器之间夹角的两者之和。为了使检偏器出射偏振光的光强获得最大，通常将起偏器和检偏器之间的夹角设定为π/4，当偏转角很小只有几度时，式(1-4)就变成以下形式：
J1=J0(1－sin2)≈J0(1－2)=J0－2J0(1-5)
式中，J0和均为未知量。为了从这方程求解两个未知量J0和，采用两种方法：单光路AC/DC法和双光路法。
从式(1-5)可知，J1由两个分量组成，其中第一项J0为直流量，第二项2J0为交流量。单光路AC/DC法就是利用J0为直流量而2J0为交流量的特点，将J1通过交直流分离后再进行除法消去公共项J0以得到。
不过，这种方法不能够用于测量直流电流，故而又出现了双光路法。在光学电流互感器的结构中，由偏振分束器来作为检偏器，既能够实现偏振光的检偏，又将出射的偏振光分成两束，这两束偏振光相互正交，各自的光强分别为
J1P=J0(1－2)
J1S=J0(1+2)(1-6)
利用方程组(1-6)，可以求解未知量：
=J1S－J1P2(J1S+J1P)(1-7)
基于法拉第磁光效应的光学电流互感器在传感光路结构的实现方式上，人们曾经研究过多种形式，主要有块状光学电流互感器、集磁环式光学电流互感器和全光纤式光学电流互感器。
块状光学电流互感器的光学传感部分采用磁光玻璃作为传感材料，通过光学加工使得偏振光在磁光材料中围绕通电导体旋转一周或多周，如图1-2所示。这种传感光路就是利用
图1-2块状光学电流互感器的光学传感头的结构示意图
式(1-3)来测量电流的。
在磁环上开一缺口，将磁光材料置于磁环的缺口中，被测线路置于磁环的中央，通过测量磁环缺口中的磁场来间接测量线路中的电流，这种结构被称为集磁环式光学电流互感器，如图1-3所示。这种传感光路就是利用式(1-2)来测量电流的。
图1-3集磁环式光学电流互感器的光学传感头的结构示意图
在基于法拉第磁光效应光学电流互感器的整体结构上，不仅有光学传感部分，还需要具有温度稳定的光源驱动电路和发光光源(通常为激光器或发光二极管)、连接光缆、光接收器和信号处理电路等部分，块状光学电流互感器和集磁环式光学电流互感器除了光学传感部分不一样，其余部分都大同小异。
全光纤光学电流互感器是将传感光纤缠绕在通电导体周围，利用光纤的偏振特性，通过测量光纤中偏振光的旋转角来间接测量电流，如图1-4所示。
图1-4全光纤光学电流互感器的结构示意图
有源电子式电流互感器与以上三种光学电流互感器的结构和传感原理都截然不同，这种互感器采用电磁传感原理在高压端测量电流，将电流信号转换为电压信号后经过模/数变换器转换为数字信号，经过电光转换电路变换为光脉冲信号，通过光纤将信号传输到地面后，再通过光电转换和信号解调电路输出模拟信号，或者通过光电转换后直接进入计算机系统，如图1-5所示。这种互感器只是利用了光纤传输信号，测量原理与传统的电磁式电流互感器一样。
图1-5电子式电流互感器的结构示意图
1-2光学电流互感器的发展历程
光学电流互感器兴起于20世纪60年代，归功于激光器的研制成功。70年代初，光纤的问世与实用化进一步促进了光学电流互感器的研究，但由于测量精度低、温度稳定性差等原理性问题，未能形成实用的样机。从1982年开始，光学电流互感器的研究进入了发展关键和极具成果的时期。1986年美国的田纳西州流域电力管理局(Tennessee Valley Authority)在其所属的Chickamauga水坝电力编组站(161kV)安装了第一台单相高压计量用的光电式电流互感器，该互感器的测量带宽为10kHz，计量误差为0-08％。1987年美国的田纳西州流域电力管理局和西屋电气公司(Westinghouse Electric Corporation)合作，在光学电流互感器的研究方面取得了很大进展，以Ulmer、Johnston、Asars等知名学者为主的课题组针对光学电流互感器的“温度变化—双折射—叠加到法拉第旋转角上的干扰”问题，提出了“线偏振光平行于温度引起的双折射媒介中的特征方向时通过该媒介仍然保持线偏振态”的理论，并据此提出了独特的十步理论计算方法，这项研究成果在当时被认为是光学电流互感器在基础理论研究方面取得的突破性进展，不过这种方法并没有被应用于实际装置中。1987年田纳西州流域电力管理局在其所属的Moccasin变电站(161kV)安装了三相计量用的光学电流互感器，另外还试用了光学电压互感器（OPT）测量电压。与传统的油浸式电磁互感器相比，误差在1％左右。在1991年首次报道了光学电流互感器在345kV变电站试运行。该互感器采用了PWM放大器，二次输出电流为5A，并采用重量较轻的聚合体光纤柱作为光学电流互感器的支撑。日本在光学电流互感器的研究方面也取得了很大的进展，分别于1989年2月和7月推出了磁光式光学电流互感器和组合式OCT/OPT的样机。他们分别使用了能够展示Faraday效用的磁光材料(YIG、铅玻璃)和Pockel与Faraday两种效应的单晶BSO作为传感元件，其中组合式OCT/OPT方案也成为一个研究方向。日本爱知县的Clmbu电气电力公司还开
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