【共享】电磁式电流互感器

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清华大学电机系（北京 100084）罗承沐张涛申烛

北京清大再创技术研究所（北京 100084）郭光义

【摘要】讨论传统的电磁式电流互感器存在的问题，叙述光电式电流互感器的原理、

结构、优点、研究状况、应用前景以及潜在市场。
【摘要】电磁式电流互感器光电式电流互感器数字化电力设备

1 电磁式电流互感器及其存在的问题

电力工业在国民经济中占有重要的地位，现代工业、农业、交通、国防以及人民生活的许多方面都离不开电。输变电设备是电力设备的重要组成部分，电站发出的强大电能，只有通过输变电设备才能输送到各个用户。互感器是输电线路中不可缺少的重要设备，其作用就是按一定的比例关系将输电线路上的高电压和大电流数值降到可以用仪表直接测量的标准数值，以便于用仪表直接进行测量。互感器除用作测量外，还可作为各种继电保护的电源。在电压和电流互感器中，电流互感器所碰到的问题比较复杂，更具有代表性，以下以探讨电流互感器为主。

传统的电流互感器是电磁感应式的，它的一次绕组串联在电力线路中，二次绕组外部回路接有测量仪器或继电保护及自动控制装置。它的结构和变压器相似，在它的铁芯上绕有一、二次绕组，靠一、二次绕组之间的电磁耦合，将信息从一次侧传到二次侧。在铁芯与绕组间，以及一、二次绕组之间有足够耐电强度的绝缘结构，以保证所有的低压设备与高电压相隔离。随着电力系统传输的电力容量的增加，电压等级越来越高，这样电流互感器的绝缘结构越来越复杂，体积和重量加大，产品的造价也越来越高。例如，常规的油浸式电流互感器，500kV产品的价格要比300kV的价格增加一倍。

电磁型的电流互感器有铁心，具有非线性。当电力系统发生短路时，高幅值的短路电流使互感器饱、输出的二次电流严重畸变，造成保护拒动，使电力系统发生严重事故。互感器的饱和引起波形畸变，而且其频带响应特性较差，频带窄，系统高频响应差，而使得新型的基于高频暂态分量的快速保护的实现存在困难。

由于传统电磁式电流互感器存在以上缺点，它已难以满足电力系统进一步发展的需要。所以急需寻求更理想的新型电流互访感器。随着光电子技术的迅速发展，许多科技发达国家已把目光转向利用光学传感技术和电子学方法来发展新型的电子式电流互感器，简称光电电流互感器。国际电工协会已发布电子式电流互感器的标准。电子式互感器的含义，除了包括光电式的互感器，还包括其它各种利用电子测试原理的电压、电流传感器。

2 光电式电流互感器的原理和结构

光电式电流互感器的种类很多，但可大致分为有源型和无源型两种。有源型的系指在传感头部分具有需用电源的电子电路；无源型的则在传感头部分不需电源。两者的结构各异，但他们和电磁式的传统电流互感器比较起来，均具有类似的种种优点。鉴于有源式的光电式电流互感器结构比较简单、它的各个部分的功能也易为了解，因此以其为例。图一是一种采用激光供能的有源式的光电式电流互感器，它是新近发展起来的为解决传感头供电而发展起来的一种类型。

在这种光电式电流互感器的高电位侧的传感头中，全部采用的是电子器件。在高电位侧用空心线圈（Rogowski线圈）将母线电流变成电压信号，该电压信号为模拟量，经过A/D转换成数字信号，用电光转换（LED）电路将此数字信号变为光信号，然后通过绝缘的光纤将光信号送到地电位側。在地电位侧，由光电转换器件（PIN）将光信号转换为数字电信号，供继电保护与电能计量之用。在需要模拟量的场合，可用数模转换（D/A）电路将数字量转换为模拟量。这种光电式电流互感器采用激光光源将光能从地电位侧通过光纤送到高电位侧，再由光电转换器件将光能转换成为电能，经过电源稳定电路后，给各电子电路供电。这种方式的优点是输出电源比较稳定，而且也不易受到外界杂散光源的影响，是一种高科技的技术。这种这种光电式电流互感器采用了近年发展起来的电子、光通讯、激光和计算机技术，具有较强的生命力和就较高的技术含量。

图一激光供能的有源式的光电式电流互感器

图二是光电式电流互感器现场安装示意图，

从此图可见光电式电流互感器结构紧凑、重量轻的突出特点。

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3 光电式电流互感器的优点

与传统电磁感应式电流互感器相比，光电式电流互感器具有如下一系列优点：

1、优良的绝缘性能以及便宜的价格：
电磁感应式电流互感器的高压母线与二次线圈之间通过铁芯耦合，它们之间的绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上升。光学电流互感器（以下简称OCT）所用材料为玻璃，光纤等绝缘材料来传输信息，所以绝缘结构简单，其造价一般随电压等级升高呈线性增加。
2、不含铁芯，消除了磁饱和和铁磁谐振等问题：
电磁感应式电流互感器由于使用了铁芯，不可避免地存在磁饱和及铁磁共振和磁滞效应等问题，而OCT则不存在这方面的问题。
3、抗电磁干扰性能好，低压边无开路高压危险：
电磁感应式电流互感器二次回路不能开路，低压边存在开路危险。由于OCT的高压边与低压边之间只存在光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，可保证高压回路与二次回路在电气上完全隔离，低压边无开路高压危险，免除电磁干扰。
4、动态范围大，测量精度高：
电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增加，短路电流越来越大。电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，同时满足高精度计量和继电保护的需要。OCT有很宽的动态范围，额定电流可测到几十安培几千安培，过电流范围可达几万安培；一个OCT可同时满足计量和继电保护的需要，可免除多个CT的冗余需求。
5、频率响应范围宽：
传感头部分的频率响应取决于光纤在传感头上的渡越时间，实际能测量的频率范围主要决定于电子线路部分。光电式电流互感器已被证明可以测出高压电力线上的谐波，还可进行电网电流暂态，高频大电流与直流的测量。而电磁感应式电流互感器是难以进行这方面的工作的。
6、没有因存油而产生的易燃、易爆炸等危险：
电磁感应式电流互感器一般采用存油的办法来解决绝缘问题，这样不可避免地存在易燃、易爆炸等危险；而光电式电流互感器绝缘结构简单，可以不采用油绝缘，在结构上可避免这方面的危险。
7、体积小、重量轻：
光电式电流互感器传感头本身的重量一般小于1千克。据美国西屋公司公布的345KV的MOCT，其高度为2．7米，重量为109千克。而同电压等级的油浸式电流互感器高为5．3米，重量2300千克，这给运输和安装带来了很大的方便。
8、适应了电力计量和保护数字化、微机化和自动化发展的潮流：
随着计算机和数字技术的发展，电力计量与继电保护已日益实现自动化、微机化。电磁感应式电流互感器的5A或1A输出规范必需采用光转换技术才能与计算机接口，而光电式电流互感器本身就是利用光电技术的数字化设备，可直接输出给计算机，避免中间环节。
综上所述，虽然目前光电式电流互感器也存在加工要求高、电源问题不好解决、传感头对温度和振动比较敏感等问题需要克服，但光电式电流互感器有着传统电磁式电流互感器无法比拟的优点，它结构简单、灵敏度高，是一种传统电磁式电流互感器的理想替代产品，必将在未来的电力工业中得到广泛的应用。因此，主要发达国家竞相投资研制，光电电流互感器已成为电流互感器的研究热点。

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4光电电流互感器的研究概况和市场前景

在世界范围内对光电式电流互感器得应用研究，从六十年代兴起，七十年代形成高潮，但当时仍处于精度低、温度影响没有较好解决的阶段。进入八十年代以来，光电子技术、PC微机、单片机及数字处理器技术的兴起与成熟，为研制出高性能的光电式电流互感器奠定了基础。

到2000年为止，ABB公司已经研制出可用于69kV到765kV电压等级的光电电流互感器，测量电流范围为5A到2000A，准确度达到±0.2%。同时，他们研制了用于GIS中的复合电子式电压、电流互感器，电流测量范围为5A到2000A，电压测量范围为69kV到500kV，准确度都达到±0.2%，电压测量是直接使用电容环测量，不用分压器。

法国的Alstom公司利用Faraday效应研制了一套电子式电流互感器，在-30℃至50℃的范围内准确度达到±0.2%。2000年，他们研制的362kV电子式电流互感器已经开始向LCRA和CINERGY等美国公司供货。

国内这方面的研究研究单位有清华大学、华中科技大学、上海大学、西安同维公司等，它们研制的互感器的准确度目前为0.5左右，其结构和功能还不完善，离实用化还有一段距离。

互感器是电力系统中大量使用的设备，每年我国生产的互感器的数量是十分巨大的。例如在1999年，据对全国33个重点互感器企业统计，生产互感器760,474台，实现工业总产值14.90亿圆。其中110 kV及以上电压等级的互感器约17,800台。据分析，在电压等级达到100kV及以上时，使用光电是互感器，就有经济价值。当光电式互感器的技术日臻成熟并得到使用部门的逐渐认可后，它分地替代高电压电磁式互感器时，它的市场潜力将是十分巨大的。

最近国际电工协会已发布电子式电压互感器的标准，以及电子式电流互感器（传感器）的标准。电子式互感器的含义，主要包括光电式的互感器，还包括其它各种利用电子测试原理的电压、电流传感器。这充分说明，在电力系统中使用光电式的互感器的时机已经到来。

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