全光纤电流互感器介绍
浅析P类和TP类电流互感器的特性区别与应用
发表时间：2015/12/9 来源：《科学教育前沿》2015年第8期供稿作者：王生[导读] 大唐国际发电股份有限公司下花园发电厂河北张家口电流互感器作为电气一次设备，其性能将直接影响到继电保护装置的可靠性，进而对整个电网运行的安全与可靠产生重要影响。
王生（大唐国际发电股份有限公司下花园发电厂河北张家口075300）【摘要】本文针对电流互感器的综合特性及实践应用中对其的实际要求做深入分析，结合继电保护对电流互感器的实际应用，对目前市场上现行不同类型的电流互感器进行分类，在通性中查找出特例，以满足不同形式的现场使用。
同时，利用实验室及现场试验等手段，从电流互感器的特性、选择、应用等方面剖析出按照不同电压等级、应用现场条件等因素对电流互感器的选择的分类原则。
针对目前数字化电网试验式的应用，对数字化设备，尤其是新型电子式全光纤电流互感器做理论研究和试验。
【关键词】电流互感器，特性，全光纤，继电保护中图分类号：Ｇ71文献标识码：Ａ文章编号：ISSN1004-1621（2015）08-018-04引言电流互感器作为电气一次设备，其性能将直接影响到继电保护装置的可靠性，进而对整个电网运行的安全与可靠产生重要影响。
保护用电流互感器要求在规定的一次电流范围内，二次电流的综合误差不超出规定值，因此，有必要对电流互感器的特性进行分析。
对于有铁心的电流互感器，形成误差的最主要因素是铁心的非线性励磁特性及饱和。
根据电流互感器的饱和可分为两类：一类是大容量短路稳态对称电流引起的饱和(稳态饱和)；另一类是短路电流中含有非周期分量和铁心存在剩磁而引起的暂态饱和(暂态饱和)。
目前在电网中继电保护使用的电流互感器主要有两种。
一种是“P”类的电流互感器，如5P20（30、40），这种电流互感器主要用于220kV以下的电网中。
还有一种是“TP”类，主要包括TPS、TPX、TPY和TPZ 4种型式。
其中,TPY型电流互感器已经在国内电力系统中得到广泛应用，用在500kV及以上的电网中，具有抗暂态饱和的功能。
全光纤电子式电流互感器及光学电压互感器产品介绍20130328
*
电磁感应原理的电流互感器已经应用了一百多年，但已不能完全满足智能电网建设的需求。 （1）安全性较差 充油、气，有爆炸危险，存在电磁谐振、二次开路等危险；
爆炸现场
*
1、应用概述
（2）存在磁饱和、动态测量精度差 电磁互感器中的铁磁材料在电网故障时可能出现磁饱和现象，难以适应特高压继电保护快速、准确的要求。
*
率先在国内武高所、西高所通过全光纤电流互感器、光学电压互感器型式试验，电流测量精度0.2S/5TPE，电压测量度0.2/3P，并通过直流测量、63kA(峰值171kA)大电流暂态试验等。
4、成果及应用业绩：成果鉴定
具有优异的频率特性及暂态特性，3dB带宽达10kHz，能够满足IEC60044－8品质测量50次谐波(2.5kHz)测量要求 。
发明专利
已公开
15
201110288611.7
基于电光效应的无源光学电压互感器
发明专利
已公开
4、成果及应用业绩：成果鉴定
*
我公司光纤电流、电压互感器已应用于我国49个智能化变电站重点项目，总数超过1650相，工程应用量居世界首位，运行时间最长超过4年，并实现产品向发达国家的出口（德国西门子公司）。
一种用于GIS腔体的光纤气密引出方法
发明专利
已授权
7
ZL200810226869.2
高可靠光纤耦合器制备方法
发明专利
已授权
8
ZL200810226744.X
一种电光调制器线性度测试装置
发明专利
已授权
9
PCT/CN2011/081579
基于电光效应的光学电压互感器
发明专利
欧洲专利 已公开
10
光纤电流传感器
引言近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。
在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。
光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。
1 光纤电流传感器1.1 光纤电流传感器概述光纤电流传感器是一种新型的电流传感器，与电磁式电流互感器相比，基于光学、微电子、微机技术的光纤式电流传感器（OFCT），具有无铁心、绝缘结构简单可靠，体积小、重量轻、线性度好、动态范围大、无饱和现象，输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口等优点。
这些优点既满足、推动了电力系统的发展，而且应用前景十分广阔。
当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V 称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。
偏转方向取决于介质性质和磁场方向。
上述现象称为法拉第效应。
1845年由M.法拉第发现。
由于光在光纤中，一边反射，一边行进，偏振波相应于曲线的形状会出现旋转。
针对此现象，在光纤的一端设置一块镜面导致光纤中光线的往返，借助光的来回往返，成功补偿和解决了偏振波的旋转问题。
将铅玻璃光纤用于传感器元件，并结合利用镜面的方法，只需把光纤卷绕在载流导体上，用于电流计测的反射型传感器就基本完成。
其次，开发了调制程度的平均处理与信号处理方式，这有利于特性的稳定及噪音的抑制。
此外，对光源、受光元件、信号传输光纤等种类与传感器特性的关系进行了研究，而且，慎重选择了旨在降低成本和实现小型化的传感器制作技术。
目前，光纤传感器技术正朝实用化的方向进展，以适应电力系统的广泛需求。
FOCT简介
附着在隔离开关上
数字科技 引领未来电力
套在变压器母线绝缘子根部
数字科技 引领未来电力
套在罐式断路器出入线绝缘子根部
数字科技 引领未来电力
加速寿命——与光纤陀螺共享同一平台
光学元器件加速寿命试验
光纤陀螺在海南、漠河贮存试验(2005年10月开始)
数字科技 引领未来电力
生产过程控制——产品质量的保证
敏感头安装灵活，方便与 其它设备集成；
敏感头严格遵循安培回路
定律，抗干扰能力强。
数字科技 引领未来电力
大唐淮北电厂——支柱式挂网试运行
数字科技 引领未来电力
220kV及以上GIS 单相安装方式
数字科技 引领未来电力
3
中心 1
抗邻近磁干扰能力强
数字科技 引领未来电力
动模试验（中国电科院）
完美的暂态特性
数字科技 引领未来电力
1.4 NAE系列产品的型谱及应用业绩
NAE-GL系列FOCT组成
敏感环
连接光缆（护套/绝缘子） 电气单元
FOCT的独特优点
数字科技 引领未来电力
1 全光纤电流互感器
1.1 ECT技术及国内外发展现状 1.2 FOCT工作原理
1.3 NAE系列产品的试验情况
1.4 NAE系列产品的型谱及应用业绩
数字科技 引领未来电力
1.1 ECT技术及国内外发展现状 ECT基本分类
按 传 感 原 理
法拉第磁光 效应（1846 提出）
数字科技 引领未来电力
国外OCT发展现状
ABB 2005年光纤式用于电解铝等50kA低压直流测试。
全光纤电流互感器的原理
全光纤电流互感器的原理
全光纤电流互感器（FOCT，Fiber Optic Current Transformer）是一种利用光纤传输信号来测量和监测电流的装置。
其原理基于电流通过导体产生的磁场对光纤的影响。
具体原理如下：
1. 光纤传感器：光纤传感器由一对光纤组成，其中一条光纤作为发送光纤，用来发送光信号；另一条光纤作为接收光纤，用来接收光信号。
2. 光调制器：发送光纤连接到光调制器，光调制器一般采用光电二极管。
当电流通过光调制器产生的电路时，它会产生电流的变化。
这种变化会导致光调制器中的光发生调制，即光的强度发生变化。
3. 磁场感应：将电流通过被测导体上，即可产生一个与电流成正比的磁场。
当电流通过导体时，磁场会穿过光纤传感器的某一部分。
这个磁场的变化会导致光纤产生剪切应力。
4. 剪切应力的传递：剪切应力会传递给接收光纤，导致接收光纤中的光发生相应的调制。
通过测量接收光纤中光的强度变化，可以得到电流大小，实现电流的测量和监测。
全光纤电流互感器具有抗电磁干扰、高精度、宽带宽等特点，适用于高压、大电流等复杂环境中对电流的测量和监测。
全光纤电流互感器控制电路设计
Ｔｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｆ ｏ ｒ ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ
Ｗｅ ｎ Ｗｅ ｉ ｆ ｅ ｎ ｇ， Ｌ ｉ Ｊ ｉ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ， Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｄｅ ｎ ｇ ｈ ｏ ｎ ｇ （ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ Ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ，Ｃ Ａ Ｅ Ｐ ，Ｍｉ ａ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ ６ ２ １ ９ ０ ０ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｒ ｅ ｑ ｕｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ．
Ｋ ｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ；ｃ ｌ ｏ ｓ ｅ ｄ－ ｌ ｏ ｏ ｐ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ；Ｆ Ｐ ＧＡ；ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｙ
Alstom全光纤电流互感器介绍
NXCT 全光纤电流互感器绿色、低炭、环保、节能 智能化电网的重要基石! 智能化电网的重要基石!TechnologyGRID阿海珐输配电 ITR 拥有丰富的技术资源支 持RPV Italy RMM Mexico ITR+Capacitors Bushing RMW USA ITR RMG Brazil ITR+Coil阿海珐输配电 AREVA T&D 互感器集团 ITR LINENxtPhase O/E ITRITR+Bushing+Capacitors+Air Core Coil阿海珐输配电互感器（上海）有限公司RMC China ITR+Bushing +CapacitorRMK India RML Germany ITRRMT Finland Nokian CapacitorsITR+Coil+BushingPresentation title - 01/01/2010 - P 2© ALSTOM 2010. All rights reserved. Information contained in this document is provided without liability for information purposes only and is subject to change without notice. No representation or warranty is given or to be implied as to the completeness of information or fitness for any particular purpose. Reproduction, use or disclosure to third parties, without express written authority, is strictly prohibited.电流互感器分类电磁式电流互感器 （材料耗用大，绝缘复杂）混合型光电互感器 (有源式光电互感器 ) 电 流 互 感 器 在高压侧采用Rogwski线圈, 将被测电流转换成电压信号 ，再将电压信号转换成光信号传输。
光电电流、电压互感器的原理
激光器作为入射光的光源，其所发出的光是单色光。激光器发出的光经过单模光纤进入耦合器/分束器分别进入测试臂光纤绕组及参考臂光纤绕组，测试臂光纤绕组绕于圆柱形电致伸缩晶体上，圆柱形电致伸缩晶体的两个电极分别接于儒可夫斯基线圈的两输出端，儒可夫斯基线圈套于通电导体母线）外。当导体中通过电流时在儒可夫斯基线圈的输出端产生电势V，电势的大小比例于导体中通过的电流i。
2、光电电压互感器的工作原理
光电电压互感器就是通过测量普克尔效应产生的双折射所造成的相位差，计算出电场强度即被测的电压值。其原理图如下：
光源1发出一束光，经透镜2、起偏器3成为线偏振光，其偏振方向与普克尔晶体4的两个相互垂直的光轴X、Y成45°。普克尔晶体元件的厚度为L，施加电压两面的距离为d。并施加电压为V，线偏振光通过上述普克尔晶体元件在X、Y轴上的分量产生相位差γ。
⑸光环传感头的加工要求很高使得成本大为提高。
3、光环传感头的样机
尽管光环传感头的加工难度较大，但是在光学加工的工厂还是可以加工出来。另外其抗干扰性强、磁场利用率高、温度的影响较小，前期的光电电流互感器大多采用光环传感头式的电流互感器。我国华中理工大学在广东新会挂网的光电电流互感器采用该方案。1*
三、光纤干涉式光电电流互感器
A*A=a1*a1+a2*a2+2a1a2cos(φ2-φ1)
= a1*a1+a2*a2+2a1a2cos[ (d1-d2) 2π/λ-φ0]
如果振动的相位差φ2-φ1在整个时间内是恒定值，则合振动的总光强随相位差φ2-φ1或光程差d1-d2的变化而变化，合振动的光强由极小值（a1-a2）*（a1-a2）变到极大值（a1+a2）*（a1+a2）光波的这种性质称之为干涉。
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PCS-9250系列全光纤互感器原理
传感光纤环
反向 传输 绝 缘 子 偏振光
保偏 光缆
正向 传输
偏振光
耦合器
相位调 偏振器 制器
宽带 光源
探测器
PCS-9250系列全光纤电流互感器
PCS-9250全光纤互感器与二次设备接口
PCS-9250系列互感器结构特点 ¾传感环安装方式灵活
可提供数字接口，模拟接口也可提供；
支持IEC60044-8、IEC61850-9-1/2规约 －40～＋50℃ 通过IEC60044－8中规定的所有项目
PCS-9250系列全光纤互感器
全光纤互感器安装方式
¾独立支柱式 ¾GIS集成式 ¾套管式 ¾悬挂式
GIS用全光纤电流互感器
¾传感光纤环安装方式灵活，且有着优良的抗 电磁干扰能力，特别适用于电磁场复杂的 GIS中.
长期可靠性 抗电磁干扰
运行能耗 安全性能
电磁感应 电磁线圈
否 否 差 小
窄 差 好 大 差
有源电子式
电磁感应 空心线圈
否 是 差 小
窄 差 差 大 好
电பைடு நூலகம்式互感器
无源电子式
磁光玻璃式
全光纤式
法拉第效应
法拉第效应
光学玻璃
光纤
可测但精度低 可测且精度高
是
是
差
好
小
大
高
高
差
好
好
好
小
小
好
好
全光纤电流互感器的优势
¾ 安全优势： 绝缘结构简单，无爆炸、无二次开路危险
¾ 成本优势： 220kV以上时，绝缘成本大幅降低 大量采用光纤，成本低
¾ 性能优势： 动态范围大，可测交流/直流，无磁饱和，频带响 应宽，抗干扰能力强
全光纤电流互感器原理
¾ 磁场中的传感材料（磁光玻璃或光纤）内传输的偏 振光的偏振方向会因磁场发生旋转，这个旋转角叫 Faraday旋光角。
PCS-9250全光纤互感器性能指标
电压等级： 精 度：
动态范围大： 暂态特性好： 高 带 宽： 环保节能： 安全可靠： 运输安装成本低：
接口灵活：
温度范围宽： 抗电磁干扰能力强：
66kV～1000kV 测量：0.2s、0.2、0.5级 保护：5TPE 测量：30Arms到20000Arms； 保护：100kA； 短路电流63kA，3s 0Hz～4kHz 不充油，不充气，无铜耗； 无二次开路危险 体积小，重量轻，安装灵活； 测量、保护一体
PCS-9250全光纤互感器应用业绩
¾相继在佳木斯 220kV花马变 、绍兴110kV 大侣变等变电 站投入运行
PCS-9250全光纤互感器应用业绩
PCS-9250全光纤互感器应用业绩
ＴＨＥ ＥＮＤ
谢 谢！
PCS-9250-OAC系列互感器技术难点
¾光学互感器系统中光学器件性能不完善（如 光纤受压等）影响系统输出精度
FOCT技术难题及我们的解决办法
→PCS‐9250系列全光纤互感器在光路中大量 采用互易结构，传感光信号在发送和接收时 通过同一光纤和同样的光学系统，可以克服 大量的光学系统缺陷，同时提高了系统抗振 动、抗干扰和抗温度变化等性能
500kV、800kV 1000、2000、3000、4000、5000 4、8、12、16、20 10、20、30、40、50
～ 10% Ipr 600%Ipr ～ ±0.2（ 10% Ipr 120%Ipr ）
小于125μs 小于±2.5%（ 2～50次谐波） 10k
型式试验报告
¾相继在西高所通过 110kV、220kV和500kV 独立式全光纤电流互感 器的型式实验。
度漂移
→ PCS‐9250系列全光纤互感器在结构设计和 工艺选择上着手，采用特殊的光纤缠绕方式 ，有效地抑制了温度漂移
PCS-9250全光纤互感器技术难点
¾光学互感器系统长期运行后，光源的输出功 率可能随时间而产生衰减现象，会影响系统
的精度和F稳OC定T性技术难题及我们的解决办法
→ PCS‐9250系列全光纤互感器采用了特殊 的电路处理方案，同时开发了独有的算法系 统，消除了光源功率不稳造成的影响，保证 了系统运行的精度和稳定性
¾体积小，重量轻
¾抗电磁干扰能力强
PCS-9250全光纤互感器技术特点
¾绝缘可靠 ¾利用同一光纤环的超大测量范围，能同时满
足测量的高精度及保护的大动态范围要求 ¾光学互易设计保证了系统的抗干扰能力 ¾独有的算法可以保证系统的长期可靠性 ¾具有良好的暂态特性 ¾可支持IEC60044-8、IEC61850-9-1/2等多种
通信协议 ¾丰富而可靠的自检和告警功能，实时监控光
纤、光学元件和电路元件等的运行状态 ¾合并单元采用插值法实现光学互感器的同步
PCS-9250全光纤互感器技术难点
¾一般的全光纤互感器的测量精度与传感光纤 中的双折射现象息息相关，而双折射会受到
温度的影F响OC，T从技而术存难在题随及温我度们变的化产解生决的办精法
¾传感光纤 环直接套 在变压器 套管底部 ，安装方 法简单
变压器套管式互感器安装
悬挂式全光纤电流互感器
¾因地制宜，可以 灵活安装在线路 上各个位置
¾便于站内改造
全光纤电流互感器被测电流类型
¾AC用
¾DC用
直流用全光纤电流互感器优势
¾传感光纤环可无差别的测量直流和交流电流 ，可沿用交流互感器技术和结构
¾其安装方法和电子式互感器类似，不同之处 是GIS集成式全光纤电流互感器无需安装远 端模块。
GIS互感器安装结构（单相）
¾每一个传感光 纤环能同时提 供保护和测量 电流
¾两个传感光纤 环互为备用
¾结构更为简单
GIS罐体中互感器安装（单相）
三相共厢式GIS互感器安装
传感光纤环
光缆
变压器套管式全光纤电流互感器
PCS‐9250系列 全光纤电流互感器
PCS-9250全光纤互感器发展背景
¾常规互感器的缺陷
绝缘、饱和、爆炸、谐振、谐波、精度、接口等
¾材料技术、微电子技术及通信技术的发展
¾智能电网的现实需求
电流互感器的类型
项目
电磁式互感器
测量原理 敏感元件 能否侧直流 直接数字输出 线性度 满足精度的测
量范围 频带
¾传感光纤环无发热，不会因电流增大影响测 量精度
¾无饱和，动态范围大，可测量超过10倍额定 值的直流电流
¾传感光纤环不易受外界电磁场干扰
直流用全光纤电流互感器技术参数
电压等级： 额定一次电流Ipr （ ADC ） 额定短时热电流Ith（ kArms） 额定动稳定电流Idyn（ kAcrest ） 直流电流测量范围 测量精度 阶跃响应 谐波电流测量误差 采样率
¾ 磁场与一次电流成正比， Faraday旋光角与磁场成正 比。检偏器输出光的光强信号携带Faraday旋光角的 信息，可得一次电流。
ϕ
=V
⋅H
⋅ L , Pout
=
P0 2
(1 + cos ϕ )
PCS-9250系列全光纤互感器结构
¾ 传感元件和传输元件都是光纤 ¾ 输入和输出光路通过同一根光纤，抗干扰能力大大