光纤电流互感器
系列全光纤电流互感器介绍
NAE-GL 系列全光纤电子式电流互感器应用与校验目录1NAE-GL 系列产品的整体方案整体方案关于数字化变电站过程层的传感设施主要包含三个部分内容：电子式电流互感器，电子式电压互感器和归并单元，以下图。
而关于电子式电流、电压互感器而言也分别包含了传感部分和电气部分。
当前市场上电子式电流互感器产品主要有低功耗线圈实现的电子式电流互感器（ LPCT ）、用罗氏线圈来实现的有源型电子式电流互感器、磁光玻璃实现的电子式电流互感器以及鉴于全光纤的电子式电流互感器等几类，都有一些实质运转或挂网的经验；电子式电压互感器的产品主要有电容分压式电子互感器，电感变压式电子互感器两类，工程化过程中也有一些实质运转的经验。
图过程层传感设施功能块框图全光纤电子式互感器应用功能与连结图示出了过程层传感设施应用功能与连结表示图。
能够看出，电流光纤敏感环经过光纤与电流电气单元相连结，电压敏感源经过障蔽电缆（对电容分压式电子互感器而言）或光缆（对光晶体作为敏感源而言）与电压电气单元相连。
电气单元一方面接受来自归并单元的同步时钟信号对数据进行同步，另一方面将测定的数据传递到归并单元中。
电气单元还留有通信接口，用于同当地的手持考证终端进行信息互换，用来检验电流、电压的数值等数据。
归并单元接受来自外面的时钟对时信号，也发出多路时钟同步信号用于电气单元内数据同步；归并单元接受来自多路电气单元的数据，办理后输出多路数据信号用于有关的保护和丈量等使用。
图过程层传感设施应用功能与连结表示图NAE-G 系列产品的型号选择型号选择订货须知订货时，除了上述型号选择的信息外，还应该关注以下的信息。
2NAE-GL 系列全光纤电子式电流互感器纲要由国电南瑞科技股份有限企业（以下简称“国电南瑞” ）、北京航时节代光电科技有限企业（隶属于中国航天九院，以下简称“航时节代”）结合建立的南瑞航天（北京）电气控制技术有限企业（以下简称“南瑞航天”）作为国电南瑞光学技术的科研开发基地，在光纤陀螺技术的基础上，经过多年的研发和技术累积，成功开发出全光纤电子式互感器，获得了多项科技成就。
光纤电流互感器生产工艺
光纤电流互感器生产工艺光纤电流互感器（Fiber Optical Current Transducer，简称FOCT）是一种光纤电流互感器（Fiber Optical Current Transducer，简称FOCT）是一种利用光纤作为传感元件的电流测量设备。
它将电流信号转换为光信号，通过光纤传输到光接收器，再将光信号转换回电信号，从而实现对电流的测量。
光纤电流互感器具有抗电磁干扰、绝缘性能好、传输距离远等优点，因此在电力系统、工业自动化等领域得到了广泛的应用。
光纤电流互感器的生产工艺主要包括以下几个步骤：1. 光纤选材：光纤电流互感器的传感元件是光纤，因此光纤的性能直接影响到互感器的性能。
常用的光纤材料有石英玻璃、聚合物等。
石英玻璃光纤具有损耗低、抗电磁干扰性能好等优点，但价格较高；聚合物光纤具有成本低、柔韧性好等优点，但损耗较大。
根据实际应用需求选择合适的光纤材料。
2. 光纤制备：光纤制备包括光纤拉制和光纤切割两部分。
光纤拉制是将光纤预制棒在高温下拉伸成细丝的过程，需要控制拉伸速度、温度等参数以保证光纤性能。
光纤切割是将拉制的光纤按照规定的长度进行切割的过程，需要保证切割端面平整、无损伤。
3. 光源选择：光源是光纤电流互感器的核心部件，其性能直接影响到互感器的测量精度和稳定性。
常用的光源有半导体激光器、发光二极管（LED）等。
半导体激光器具有波长稳定、功率高等优点，但价格较高；LED具有成本低、寿命长等优点，但波长稳定性较差。
根据实际应用需求选择合适的光源。
4. 光探测器选择：光探测器是将光信号转换为电信号的关键部件，其性能直接影响到互感器的测量精度和稳定性。
常用的光探测器有光电二极管（PIN）、雪崩光电二极管（APD）等。
光电二极管具有响应速度快、线性度好等优点，但灵敏度较低；雪崩光电二极管具有灵敏度高、响应速度快等优点，但线性度较差。
根据实际应用需求选择合适的光探测器。
5. 光学组件设计：光学组件是光纤电流互感器的核心部分，其设计直接影响到互感器的测量精度和稳定性。
光纤式电流互感器准确度测试及其在变电站的运用
０ 引言
泸定变电站位于上海西南地区， 始建 于 １ ９ ８ ３ 年， 承担着 向该区域供电的职责 。随着经济社会
的发展 ， 泸定 变 电站 已无 法 满足 日益增 长 的 电力
用于智能变电站中的继电保护装置 、 监控测量装 置、 计量设备及故障录波仪以及其他类似装置的
数据采集 ， 并满足相关设备对数据次级的各项要 求。
因导致 的误操 作 ，提高变 电站的安全运行水平
［ １ － ４ ］ 。
本文介绍 ５ ０ ０ ｋ Ｖ练塘变电站程序化操作的基 本情况 ，分析变电站程序化操作对一次设备和二 次设备的要求 ；练塘变 ５ ０ ０ ｋ Ｖ部分采用集成于监 控系统的防误闭锁 ，不用电脑钥匙和锁具 ； ２ ２ ０ ｋ Ｖ 及 以下部 分采 用珠海 优特五 防系统 和锁具 。
２ 工作原理
光纤式电流互感器 的工作原理基于安培定 律和法拉第磁光效应。 光源发出的光经过环行器
范围大 ， 频率响应度高 、 体积小 、 重量轻等特点 。
保护峰值 电流范 围可 达到 １ ５ ０ ｋ Ａ，计量级 别为 ０ ． ２ ｓ 级， 性能指标符合 Ｉ Ｅ Ｃ ６ ０ ０ ４ ４ — ８ ， 可 以广泛应
介绍 了其工作原理 。以新泸定变电站 １ １ ０ ｋ Ｖ线路 、 分段 和主变 １ １ ０ ｋ Ｖ间隔使用的光纤式 电流互感器为例 ， 结合准确度试 验数据及合并单元实测 电流值 ， 并对互感器的电气单元进行了分析。 关键词 ： 光纤式电流互感器 ； 准确度 ； 合并单元 ； 电气单元
中图分类号 ： Ｔ Ｍ ６ ２ ３ ． ７ 文献标识码 ： Ｂ
可以准确 、 及时地诊断 出 自 身故障从而屏蔽错误 数据 。
３ ） 频带超过 ｌ Ｏ ｋ Ｈ ｚ ， 精确测量直流与高次谐 波， 能够完整传变一次电流。
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。
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
上海康阔新一代全光纤电流传感器(互感器)
螺旋速率
光纤长度坐标 （meter）
35
13:28:19
新一代电流传感光纤特点
1.1 新一代FOCS传感光纤中的偏振态演化（用于反射式结构） （已获多项实用和发明专利）
从慢轴输入线偏振态
递减螺距结构双折射段
均匀螺距结构双折射段
螺旋椭圆偏振态
解决了偏振态匹配问题和规模化生产问题
• FOCS的现实问题及解决方案 • 新一代电流传感光纤的特点
• 新一代FOCS的关键特性及应用
• 成果总结
34
13:28:19
新一代电流传感光纤特点
1. 0 新一代FOCS传感光纤的结构特征（用于反射式结构） （已获多项实用和发明专利）
递增螺旋结构双折射段 均匀螺旋结构双折射段
-40
时间 (小时 )
44
13:28:20
新一代FOCS的关键特性
3.2 传感光缆比差与温度的关系(不带温度补偿功能）
Comcore保椭圆光纤2：+/-0.32%
46
13:28:20
新一代FOCS的关键特性
13:28:15
新一代全光纤电流传感器
黄 勇 博士
Cell： 13917999108； Email：yong.huang@
1
13:28:15
新一代全光纤电流传感器
FOCS 现实问题及解决方案 • 新一代电流传感光纤的特点
• 新一代FOCS的关键特性及应用优势
13:28:18
FOCS 现实问题及解决方案
6. 目前国内外关于光纤波片的实现方案
6.1 切割一段所谓1/4拍长的线双折射光纤 （传统工艺）
集中式变换--无法解决椭圆偏振态匹配问题
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A）不通电
B）通电
数字科技 引领未来电力
2.4 南瑞航天FOCT的技术发展情况
技术基础
光源 SLD 相位调制器 PIN 反射镜 信号处理 传感光纤环 载流 导体 耦合器1 偏振器 450 1/4波片 耦合器2
光纤电流传感器原理框图
光源 SLD 耦合器1 偏振器 耦合器2 00
2040
2040
数字科技 引领未来电力
华东500kV苏州东500kV间隔安装示意图
2040
数字科技 引领未来电力
安装在共体GIS法兰中示意图
数字科技 引领未来电力
安装在西门子GIS法兰照片
光源
A）不通电
B）通电
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2.3 FOCT工作原理
• 利用磁光法拉第效应 • 光波在通电导体的磁 场作用下，光的传播发 生相位变化 • 检测光强的相位变化， 测出对应电流大小 保护:5P30，测量:0.2级 符合IEC60044-8和GB/T 20840.8
反 射 镜 光纤
• 利用磁光法拉第效应
汇流排
• 光波在通电导体的磁 场作用下，光的传播发 生相位变化
两偏振光传播方向 （红、绿箭头）
• 检测光强的相位变化， 测出对应电流大小
信号处理 电路
保护:5P30/1P50，测量:0.2级 符合IEC60044-8和GB/T 20840.8
探测器
相位调制器 偏振器 耦合器
航天大学（20世纪90年代以来）
实现磁光玻璃式OCT
光路设计和相应的数字处理比较容易
部分研制全光纤电子式电流互感器
企业研究：西安同维、南瑞继保、南瑞航天（近几年）
研究磁光玻璃式OCT
部分跟踪研制全光纤电子式电流互感器
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2.3 FOCT工作原理
磁光玻璃式
全光纤式
空心线圈式（RCT） (Rogowsgi线圈)
低功率线圈式（LPCT）
数字科技 引领未来电力
2.1 ECT的基本分类及典型结构
磁光玻璃式
Rogowsgi线圈式 磁光玻璃式
全光纤式
全光纤式
数字科技 引领未来电力
数字科技 引领未来电力
一、全光纤电流互感器技术发展情况
ECT的基本分类及典型结构 ECT国内外发展现状 FOCT工作原理
数字科技 引领未来电力
2.1 ECT的基本分类及典型结构
按 传 感 原 理
法拉第磁光 效应（光学 电子式电流 互感器）
法拉第电磁 感应（线圈 电子式电流 互感器）
PIN 相位调制器 信号处理 陀螺光纤环
光纤陀螺原理框图
光电流互感器与光纤陀螺的原理对照
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独立绝缘子安装示意图
数字科技 引领未来电力
挂 网 现 场
数字科技 引领未来电力
华东500kV苏州东500kV间隔安装示意图
ABB、Nxtphase（2004年）
研制成功新型闭环光纤电流互感器 采用光纤熔接、数字处理、闭环控制技术，大大提高稳定 性和可靠性（优势） 通过IEC的相关标准，准确度达到0.2级
数字科技 引领未来电力
2.2 ECT国内外发展现状
国内发展现状
高校学术探索:华中科技大学、清华大学、北京航空
2.1 ECT的基本分类及典型结构
现 有 各 种 结 构 的 比 较
电子式 项 目 电磁式互感器 光学式 光电 混合式 电磁感应 空心线圈 否
磁光玻璃式
法拉第效应 光学玻璃 可测
全光纤式
法拉第效应 光纤 可测且精度高
测量原理 敏感元件 能否测直流
电磁感应 电磁线圈 否
抗电磁干扰
安全性能
好
差
差
好
好
好
好
数字科技 引领未来电力
安装在分体GIS法兰示意图
数字科技 引领未来电力
安装在高压套管的示意图
数字科技 引领未来电力
附着一次设备安装示意图
数字科技 引领未来电力
三、结束语
全光纤电流互感器以其先进的技术优势成为新型电流互 感器发展和应用的绝缘简单、抗干扰能力强 等优点，总体上达到了国际领先水平。
NAE研制的FOCT运行的长期稳定性和可靠性有待实际检 验，但与其类似的光纤陀螺已经经过长期稳定性检验。 NAE研制的FOCT设计先进，具有自主知识产权，经济和 社会效益优势明显。
好
是否有源
安装灵活性
无
差
有1
差
无2
差
无
好
注1：罗式线圈电流互感器在GIS应用中可以采用无源方式。 注2：磁光玻璃与LPCT组合式为有源方式。
数字科技 引领未来电力
2.2 ECT国内外发展现状
国外发展现状
ABB、西门子（20世纪90年代）
研制成功开环方案的磁光玻璃式OCT 长期稳定性和可靠性存在较大隐患（缺陷）