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光学电流互感器

最近更新时间:2020-05-26 19:57:06

光学电流互感器(Optical Current Transformer,简称 OCT),是电子式电流互感器的一大类,主要包括以下三种类型:全光纤型、光学玻璃型、混合型[18]。光学电流传感器的发展始于上世纪 60 年代初,历经近半个多世纪的发展实践,其相关技术已逐渐完善,如今已有多种成型方案。与传统的直流互感器相比较,主要优势是:

1)应用光纤传输技术理念,具备良好的抗电磁干扰性;

2)简化了绝缘部分的设计,节约成本;

3)因为设计上不含铁芯,使得通电后不存在磁饱和,铁磁谐振等干扰;

4)互感器低压侧无开路高压危险;

5)无噪音,污染小;

6)暂态响应范围大,测量精度高。

下面将分别对这三种类型进行介绍。

全光纤型电流互感器(Fiber Optical Current Transformer,简称 FOCT),基于法拉

第磁光效应(也称磁致旋光)。它采用全光纤光路设计,原理是通过一个相位调制器来

实现电流信号的闭环测量。法拉第效应原理图如图 1.3 所示:

image.png

根据法拉第效应原理,在全光纤型电流互感器中,由待测载流导体电流 i 产生磁场,当光路围绕载流导体形成闭合回路时,根据安培环路定律可以得到公式(1.1):

image.png

式中,H:磁场强度,l:通过路径,VVerdet 常数(该常数只取决于材料本质、波长和温度)。

全光纤型电流互感器具有例如抗电磁干扰性能强、绝缘性好、结构简单等诸多优点。但同时,也有诸多缺点未得以解决,例如由于传感光纤内部存在线性双折射,影响了测量精度和长期稳定性等问题,长期困扰着全光纤型电流互感器未来发展。块状光学材料型电流互感器(Bulk Glass Optical Current Transformer,简称BGOCT)。BGOCT 同理于其他光学电流互感器基于法拉第磁光效应的设计理念,但是,精妙处在于它的传感头的设计。传感头采用块状光学磁光材料,该材质的优势在于Verdet 常数很大,可以有效地提高传感头的灵敏度。在 BGOCT 传输中,线偏振光经过多次的全反射,构成了环绕于导体的闭合光路。

其原理如图 1.4 所示。

image.png

其中,在设计上,传感探头选用高 Verdet 系数的材料制成,可以很大程度上降低线性双折射现象,从而提高测量精度和系统灵敏度,同时兼具结构简单、体积小,使用灵活等特色。但是,块状光学材料型电流互感器同时具有诸多缺点,主要体现于:(1)光的反射现象不可避免,会使系统的灵敏度、稳定性及抗干扰能力等造成干扰;(2)传感头的加工工艺难度较大、成本高,并且材料脆弱,易破损。混合型光学电流互感器(Hybrid Optical Current Transformer,简称 HOCT),兼具传统电磁式电流互感器及光学电流互感器的诸多优点,首先将直流大信号转换为可被检测的微弱信号电流,再将信号电流进行处理变为光脉冲信号,并将其通过光纤传输到控制室,最后经光电转换设备并加以数据处理还原为被测信号,目前这种技术近年来已成为直流传感技术的发展趋势。HOCT 虽然在高压端设计部分运用了传统的电流传感头技术,但是应用了光纤技术隔离了高压端和低压端,使得传感系统的安全性得到了明显提高;另一方面,它设计简单精良,不像其他互感器基于法拉第效应理论的设计,需要复杂的光学元件作为支撑,使得设计难度得到明显降低,适应了时代发展。因此混合型光学电流互感器集其他类型电流互感器的优点于一身,优势明显,具有广阔的发展前景和使用价值。然而,混合型光学电流互感器的设计并非无懈可击。由于系统高压端的光电元件是有源器件,在系统中需要提供电力进行驱动,因此存在供电问题,并非该电流互感器并非最佳选择。

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