磁光式电流互感器相对误差影响因素分析

Uout = - 2sin 2θ ≈ - 4θ = - 4Vi
（9）
2 输出信号相对误差分析
MOCT 传感头材 料 的 磁 性 跟 Verdet 常 数 有 关 ，
第4期
李晓明，等：磁光式电流互感器相对误差影响因素分析
根据材料的磁化特性，磁光材料分为抗磁性、顺磁性
0 引言
为了保障电力系统安全经济地运行，需要对电 力系统及其中各电力设备的相关参数进行测量，以 便进行必要的计量、监控和保护工作。 互感器是电力 系统中进行电能测量和继电保护的重要设备，随着 电力系统的发展、发电和输变电容量的不断增加、电 网电压的不断提高以及数字化变电站的投入使用， 对互感器提出了许多更加严格的要求，传统的电磁 式互感器已越来越不能适应这种发展要求。 光电子 和光纤通信技术的发展，推动了新型光电式互感器
cos 2Δφ sin 2θ）］
（7）
将式（6）、（7）代入式（5），可得 互 感 器 输 出 信
号为：
Uoφ
-
2 sin 2θ cos 2Δφ 1-sin2 2Δφ
=
-
4 sinθ cos（θ - 2Δφ） cos2 2Δφ
（8）
当 Δφ = 0 时，Uout = - 2sin 2θ，其中 θ = Vi，V 一 般 取为 10-5 量级，故 θ 很小，由此可得：
能力，提高了系统输出稳定性，应用较广泛。 这种方 法是以沃拉斯顿棱镜或偏振分束器作为检偏器将输
出线偏振光分解为 2 束（如图 2 所示），然后对光信 号进行转化和处理，最终得到的输出电信号为包含被 测电流信息的 θ 值信号，从而求出一次电流信号［6］。
检偏器
光电探测器 1 J1 光电探测器 2 J2
磁光玻璃
传感头
光路
载流导体
入射 的 线偏振光
起偏 器 检偏 器
旋转角度 θ
出射 的线偏振光
图 1 法拉第磁光效应原理图 Fig.1 Principle of Faraday magneticoptical effect
根据法拉第效应可得出线偏振光偏振面旋转
的角度 θ 与载流导体中的电流 i 关系如下：
1 2
J0（2 sin 2Δφ sin2 θ - cos 2Δφ sin 2 θ）和直流分量
JDC =
1 2
J0（1
sin 2Δφ）。
光信号从检偏器输出后，会通过 MOCT 二次转
换器中光电探测器和信号处理模块转换为电信号。
将光信号转换为与载流导体中电流相对应的电信号
有 3 种方法：单光路检测法、双光路检测法和改进型 双光路检测法。 其中基于改进型双光路检测法的 MOCT 信号输出较大，噪声较小，降低了各路光强波 动对系统输出的影响，有利于提高系统对光源输出 光强振动导致光纤输出光强波动等不利因素的抵御
的研究与应用，和传统电流互感器相比，光学电流互 感器具有无磁饱和现象、绝缘结构简单可靠、频带 宽、体积小、质量好、线性度好等优点，具有良好的应 用前景 。 ［1-2］
目前，法拉第磁光效应是光学电流互感器中应 用最广泛、测量电流最有效、最实用的方法之一。 根 据互感器中传感材料的不同，光学电流互感器可分 为 磁 光 式 电 流 互 感 器 （MOCT） 和 全 光 纤 式 电 流 互 感 器 （FOCT）2 种 。 MOCT 的 测 量 精 度 与 多 种 因 素 有 关 。 ［3-4］ 光源工作波长波动与透光轴交角误差是影响 MOCT 测量精度 的 2 个 重 要 因 素 ，本 文 对 这 2 个 因 素进行研究，分析在不同工作中心波长条件下互感 器输出信号相对误差与工作波长改变量、交角误差 之间的关系，以及满足电子式电流互感器准确级的 规 定 时 ，MOCT 可 承 受 的 工 作 波 长 改 变 范 围 和 交 角 误差范围。
收稿日期：2011 － 04 － 07；修回日期：2012 － 02 － 17 基金项目：中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 项 目 （20102070101000073） Project supported by the Fundamental Research Funds for the Central University（20102070101000073）
蓐 θ = V Hdl
（1）
其中，V 为磁光材料的 Verdet 常数，与介质的性质、
光源波长、外界温度等有关；H 为一次侧导线电流在
光路上产生的磁场强度 ；l 为磁光材料中的通光
路 径。
式 （1） 的 积 分 只 跟 载 体 电 流 、 磁 光 材 料 中 的 通 光
路径与载流导体的相对位置有关，所以通过测定
出信号相对误差与工作波长改变量呈线性关系，与交角误差呈非线性关系。
关键词： 互感器； 磁光式电流互感器； 法拉第效应； 误差分析； Verdet 常数； 工作波长； 透光轴交角
中图分类号： TM 452+.94
文献标识码： A
文章编号： 1006 － 6047（2012）04 － 0039 － 05
若入射光经过起偏器后进入磁光玻璃的光强为
J0，检偏器的输出光强为 J，根据马吕斯定律可得：
J = aJ0 cos2（φ + θ）
（3）
其中，a 为光路的光强衰减系数，取 a = 1；φ 为起偏器
和检偏器透光轴交角，当 φ = ± 45°时，输出光强对一
次侧电流产生磁场的变化最为灵敏，动态范围最大
且线性度最好。 若起偏器和检偏器透光轴交角存在
Uout =
J1 - JDC1 JDC1
- J2 - JDC2 JDC2
（5）
根据式（4）可得 J1、J2 表达式：
J1 =
1 2
J01［1 - sin 2Δφ + （2 sin 2Δφ sin2θ -
cos 2Δφ sin 2θ）］
（6）
J2 =
1 2
J02［1 + sin 2Δφ - （2 sin 2Δφ sin2θ -
势，分析表明，MOCT 可承受的工作波长变化范围随着工作中心波长的增大而增大；一次侧额定电流为 100 A
小电流时，工作中心波长的改变对 MOCT 可承受的 透 光 轴 交 角 误 差 范 围 影 响 不 明 显 ， 一 次 侧 额 定电流为
2 000 A 大电流时，影响较明显。 研究了输出信号相对误差与工作波长改变量及交角误差的关系，研究表明输
θ 的大小就可得出载流导体中的电流 。 根据式（1）
可得：
θ = Vki
（2）
其 中 ，k = N1 N2，N1 为 通 过 磁 光 材 料 传 感 头 的 载 流 导 线根数（导线中电流大小一致），N2 为线偏振光环绕 载流导体的圈数。 当只有一根载流导线穿过传感头
且偏振光环绕载流导线一周时，k = 1。
误差，即 φ = ± 45° + Δφ（Δφ 为交角误差值，为很小的
角度），可得：
± ±
J = J0 cos2［θ + （Δφ ± 45°）］ ＝
1 2
J0［1
sin 2Δφ ±
（2 sin 2Δφ sin2θ - cos 2Δφ sin 2 θ）］
（4）
式（4）中，输出光强信号可分解为交流分量 JAC =
电力自动化设备
第 32 卷
1 MOCT 建模
法拉第磁光效应是指在光学各向同性的透明磁 光材料中，外加磁场可以使沿着平行磁场方向传播 的线偏振光的偏振面发生旋转［5］。 MOCT 利用法拉第 效应对通过互感器中心的载流母线中的电流进行测 量，具体过程为：光源发出的线偏振光经起偏器后进 入磁光材料的传感头，线偏振光在磁光材料中绕载 流导体一周，在磁场作用下其偏振面将发生旋转， 通过对检偏器输出线偏振光偏振面旋转角度进行 测量可得出载流导体中电流大小，如图 1 所示。
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Compulsory turn-off technology of thyristor in voltage quality conditioner
FENG Xingtian，WEI Tongzhen，QI Zhiping （Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China） Abstract： The series complement part of conventional VQC（Voltage Quality Conditioner） connects with distribution network by transformer，which may induce the destructive inrush current because of its magnetic saturation. The switching equipment composed of bidirectional thyristor is put forward to replace the transformer and its structural character and application are analyzed. Aiming at the hysteretic complement problem caused by the natural turn-off of thyristor，the compulsory turn-off technology and control strategy of thyristor in VQC are proposed. The influence of the characteristics and size of load and the amplitude and direction of inverter output voltage on the turn-off of thyristor in VQC is studied，the principle of compulsory turn-off is established，and the corresponding relationship between the turn-off time of thyristor and the inverter output voltage，load characteristic or load size is analyzed. The simulative and experimental analysis testifies the effectiveness and feasibility of the strategy. Key words： compulsory turn-off； voltage quality conditioner； thyristors； natural turn-off； dynamic voltage restorer； voltage control