CN102608557A - 一种具有在线校验功能的光电电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有在线校验功能的光电电流互感器，其特征在于，包括一个校验互感器，一个工作互感器以及一个校验处理电路，其中，工作互感器为无源光电电流互感器；校验互感器为有源光电电流互感器，校验处理电路将工作互感器输入的测量电流信息与校验互感器输入的标准电流信息比较，并进行测量误差校验处理后输出给电力二次系统。通过有源光电电流互感器间歇性的工作对无源光电电流互感器的长期稳定性和测量误差进行在线校验和矫正，既能克服有源光电电流互感器长期运行寿命不能满足要求的缺点，又能克服无源光电电流互感器长期稳定性差测量误差大的缺点，使光电电流互感器的性能达到实用化要求。

Description

一种具有在线校验功能的光电电流互感器

技术领域

本发明涉及一种光电电流互感器。

背景技术

电流互感器在电力系统中起着十分重要的作用，是电力系统中的一个核心设备。随着电力系统的发展及智能电网建设，特别是超高压输电的发展，电力系统对电流互感器的要求越来越高，传统的电磁式电流互感器由于存在铁磁饱和、频率响应低、高压绝缘能力差、运行事故多等无法克服的缺点，已经无法满足电力系统的发展要求。开发线性性能好、频率范围宽、高压绝缘能力强的电流互感器已经是智能电网发展的迫切需要。光纤电流互感器OCT因抗电磁干扰性能好、测量精度高、动态范围大、频率响应范围宽、体积小重量轻、价格便宜、与数字设备的接口方便等，具有广泛的应用前景，已逐渐成为高压电流互感器的发展潮流。光电电流互感器主要有纯光学电流互感器——无源光电电流互感器，光电混合式电流互感器——有源光电电流互感器两种形式，无源光电电流互感器利用Faraday磁光效应原理测量电流，高电压侧没有任何电子元器件，一次高压部分免维护，高压绝缘能力强，使用寿命长，是最理想的光电电流互感器发展方向，但由于线性双折射、受环境温度、震动等环境因素的影响，其性能的长期稳定性很差，测量误差大，是困扰其实用化的主要困难，目前无源光电电流互感器还无法实现实用化。有源光电电流互感器利用低功率电流互感器或(Rogowski)线圈的电磁感应原理测量电流，利用光纤通信传输测量信息，克服了无源光电电流互感器的长期稳定性差和测量误差大的技术难题，良好的稳定性和高测量精度使其得到了快速发展，但有源光电电流互感器高压侧的测量、数据处理和光电信息传输等需要供电电源，供电电源目前主要有“高压侧一次电流电磁感应供电”、“激光供能供电”、“超声波供能供电”和“气动供能供电”等供电方式，这些供电方式还存在很多工程实际应用方面的问题，长期运行寿命不能满足电力系统的要求，制约了有源光电电流互感器的实际使用。

发明内容

针对现有有源光电电流互感器长期运行寿命不能满足电力系统的要求和无源光电电流互感器受温度和震动等环境因素的影响长期稳定性差测量误差大等技术难题，本发明提供了一种具有在线校验功能的光电电流互感器，可对无源光电电流互感器的长期稳定性和测量误差在线进行校验和矫正。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种具有在线校验功能的光电电流互感器，包括一个校验互感器，一个工作互感器以及一个校验处理电路，其中，工作互感器为无源光电电流互感器，包括设置在高电压侧的磁光传感头，以及设置在低电压侧的光源、光电检测器、电子处理电路和光学处理系统，光学处理系统将光源发出的光束处理后通过光纤、磁光传感头获得一次电流母线上电流的测量光信息，送至光电检测器对光信息进行检测并转换成电信息，然后送至电子处理电路处理获得测量电流信息，提供给校验处理电路；

所述校验互感器为有源光电电流互感器，包括传能供电单元、光纤、设置在高电压侧的电流测量光电传输和电源变换、设置在低电压侧的驱动电源和电流信息二次处理。驱动电源通过来自校验处理电路发出的工作状态控制信息驱动传能供电单元向电源变换传输供电能量，电源变换向电流测量光电传输供电，电流测量光电传输通过电磁感应对一次电流母线的高压电流进行测量，并把电流信息转换成光电信号，经光纤传送到电流信息二次处理获得电流信息，提供给校验处理电路，作为校验时的标准电流信息；

校验处理电路将输入的测量电流信息与输入的标准电流信息比较，并进行测量误差校验处理后输出给电力二次系统。

上述方案中，所述的校验处理电路可以与工作互感器的电子处理电路合并。

所述的校验互感器为激光传能供电的有源光电电流互感器，或者为超声波传能供电的有源光电电流互感器，或者为高频电磁感应传能供电的有源光电电流互感器等。

所述的工作互感器为纯光纤光电电流互感器，或者为磁光玻璃式光电电流互感器。

所述的校验处理电路包括误差校验处理、校验电路控制和电流矫正，所述校验电路控制连接有校验互感器的驱动电源，根据校验需要向驱动电源发出工作或停止工作的控制信号，误差校验处理连接校验互感器的电流信息二次处理和工作互感器的电子处理电路，把校验互感器的电流信息作为标准电流，把工作互感器的电流信息作为测量电流，对工作互感器的测量电流信息进行误差校验分析和处理，依据校验结果产生一个矫正因子，通过电流矫正对测量电流信息误差进行矫正处理，然后作为测量电流输出给电力二次系统。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)用有源光电电流互感器作为精密校验互感器，或备份电流互感器对无源光电电流互感器的测量误差进行在线校验和矫正，或对无源光电电流互感器的故障进行在线备份，提高了无源光电电流互感器长期稳定性，降低了测量误差，实现了故障备份。并且通过间歇性工作，缩短了该互感器的实际工作时间，克服了现有有源光电电流互感器长期运行寿命短，不能满足电力系统实际要求的困难，延长了有源光电电流互感器的实际使用寿命。

2)用无源光电电流电互感器作为长期工作的互感器，纯光纤结构，一次高电压部分没有容易损坏的电子器件，使用寿命长，一次高压部分免维护。

3)通过有源光电电流互感器间歇性的工作对无源光纤电流互感器的稳定性和测量误差进行在线校验，克服无源光电互感器的线性双折射、环境温度、震动等环境因素的影响使其长期稳定性差测量误差大的缺点，提高了光电互感器长期稳定性，降低了差测量误差，使光电电流互感器达到了实用化要求。

附图说明

图1为本发明具有在线校验功能的光电电流互感器结构示意图。

图2为图1中传能供电单元的一个具体实施例。

图3为图1中传能供电单元的另一个具体实施例。

图4为图1中传能供电单元的第三个具体实施例。

图5为图1中无源光纤电流互感器的一个具体实施例。

图6为图1中的校验处理电路的功能结构框图。

图1至图5中：6、一次电流母线；7、光纤；8、高电压侧；9、低电压侧；10、电磁传感头；11、磁光传感头；12、1/4波片；13、延时光纤；14、相位调制器；15、起偏器；16、耦合器；17、反射片；18、光纤传感头。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

参考图1，一种具有在线校验功能的光电电流互感器，包括一个无源光电电流互感器(校验互感器)，一个有源光电电流互感器(工作互感器)和一个校验处理电路。

无源光电电流互感器由光源、光学处理系统、磁光传感头11、光电检测器和电子处理电路等构成，光源发出的光束由光学处理系统进行一系列必要的处理后到达磁光传感头，磁光传感头利用Faraday磁光效应原理测量电流，携带电流测量信息的光束到达光电检测器，光电检测器对光信息进行检测并转换成电信息送电子处理电路进行处理后输出电流测量信息(该电流测量信息受环境因素影响长期稳定性差测量误差大)，提供给校验处理电路进行校验和矫正处理后输出给电力二次系统。

有源光电电流互感器由驱动电源1、传能供电单元2、电源变换3、电流测量光电传输4、光纤7和电流信息处理5等组成，驱动电源1驱动传能供电单元2向高压侧8的电源变换3传输供电能量，电源变换3向电流测量光电传输4供电，电流测量光电传输4通过电磁传感头10(电磁感应)对一次电流母线6的高压电流进行测量，并把电流信息转换成光电信号，经光纤把电流信息传送到低电压侧9的电流信息处理5进行数据二次处理后输出电流信息(该电流信息具有比较高的测量精确度和稳定性)，提供给校验处理电路，作为校验时的标准电流。

校验处理电路可以独立，也可以与无源光电电流互感器的电子处理电路合并，校验处理电路把有源光电电流互感器提供的电流作为校验时的标准电流，对无源光电电流互感器提供的测量电流进行测量误差校验，依据校验结果动态的在线矫正无源光电电流互感器的测量稳定性和测量误差性能，把矫正后的无源光电电流互感器的电流测量结果作为输出送电力二次系统。

有源光电电流互感器可以间歇性或连续性工作，工作状态由驱动电源1控制，驱动电源1的工作由校验处理电路依据校验要求控制。有源光电电流互感器作为精密校验或备份互感器对无源光电电流互感器的测量误差进行在线校验和矫正，或对无源光电电流互感器的故障进行在线备份，提高了工作互感器长期稳定性，降低了测量误差，实现了故障备份。

图1中的工作互感器可以是纯光纤无源光电电流互感器，也可以是磁光玻璃式等光电电流互感器。而校验互感器可以是激光、超声波等传能供电的有源光电电流互感器，也可以是高频电磁感应传能供电的有源光电电流互感器等。

如图2所示，激光传能供电的有源光电电流互感器，由低压侧9的驱动电源1驱动功率激光管发出激光，经过传能光纤7把光能传到高压侧8，再由光电转换器把光能转换成直流电能，经电源变换3变换向电流测量光电传输4供电，电流测量光电传输4通过电磁感应对一次电流母线6的高压电流进行测量，并把电流信息转换成光电信号，经光纤把电流信息传送到低电压侧的电流信息处理5进行数据二次处理获得电流信息。

如图3所示，超声波传能供电的有源光电电流互感器，由低压侧9的驱动电源1驱动超声波发射换能器发出超声波，经过超声波传能绝缘棒把超声能传到高压侧8，再由超声波接收换能器把超声能转换成交流电能，经电源变换3变换成稳定的直流电能向电流测量光电传输4供电，电流测量光电传输4通过电磁感应对一次电流母线6的高压电流进行测量，并把电流信息转换成光电信号，经光纤7把电流信息传送到低电压侧的电流信息处理5进行数据二次处理获得电流信息。

如图4所示，高频电磁感应传能供电的有源光电电流互感器，由低压侧的驱动电源1驱动高频感应传能绝缘子产生电磁感应谐振，该高频感应传能绝缘子通过高频电磁感应谐振把高频驱动电源产生的(1MHz——10MHz频率范围)特定频率的高频交流电能从低电压侧9感应传送到高电压侧8，经电源变换3变换成稳定的直流电能向电流测量光电传输4供电，电流测量光电传输4通过电磁感应对一次电流母线的高压电流进行测量，并把电流信息转换成光电信号，经光纤把电流信息传送到低电压侧的电流信息处理5进行数据二次处理获得电流信息。其中，高频感应传能绝缘子包括复合空心绝缘子、等距离绕制在复合空心绝缘子周边或伞群中的电磁感应线圈L及电容C。其中，复合空心绝缘子中最下方的电磁感应线圈两端连接低压侧的驱动电源1的输出；复合空心绝缘子中最上方的电磁感应线圈两端连接高电压侧的电源变换器3的输入；复合空心绝缘子中其它的电磁感应线圈两端均连接相同的电容器C。驱动电源1产生的高频电能通过高频感应传能绝缘子从低电压侧传输到高压侧，再由电源变换器3转换为直流电能向电流测量光电传输模块4供电。

电磁感应线圈L和连接在其两端的电容器C对驱动电源1的频率产生电磁感应谐振，电磁感应线圈的感抗、电容器的容抗和驱动电源1的输出阻抗等要达到阻抗匹配，该高频感应传能绝缘子通过无线高频电磁感应谐振能把特定频率(1MHZ-10MHZ)的高频交流电能从低电压侧感应传送到高电压侧，而且具有很好的交直流高压绝缘能力。

作为校验用的有源光电电流互感器的工作状态由驱动电源1控制，当控制驱动电源1进入工作状态后，就驱动传能供电单元2向高压侧传送供电能量，电源变换3就开始向电流测量光电传输4供电，电流测量光电传输4测量一次母线电流并把电流信息转换成光信息，通过通信光纤7发送到低压侧的电流信息二次处理5，经过二次处理就获得了测量电流，将该测量结果作为校验时的标准电流数据，用其对无源光纤互感器的测量误差和稳定性进行在线校验和矫正。当控制驱动电源1停止工作状态后，电流测量光电传输4就失去供电停止电流测量，有源光电互感器就处于间歇性停止工作状态，这样就延长了校验互感器的工作寿命。

如图5所示，纯光纤无源光电电流互感器，由光源、光学处理系统(耦合器16、起偏器15、相位调节器14、延时光纤13、1/4波片12、反射片17)、光纤传感头18、光电检测器和电子处理电路等构成，其中，1/4波片、光纤传感头和反射片等置于高电压侧，光源、耦合器、起偏器、相位调节器、光电检测器和电子处理电路等置于低电压侧。光学处理系统对光源发出的光束进行一系列处理，光源发出的光束经过耦合器传到起偏器，起偏器的尾纤与相位调节器的尾纤以45°角熔接，起偏器把光源发出的光束转换成线偏振光，线偏振光进入相位调节器后被分解成沿光纤的(X轴和Y轴)两个轴向传播的两束正交的线偏振光，相位调节器对两束正交的线偏振光的相位进行调制，两束正交的线偏振光到达1/4波片后分别被转换成左旋和右旋的两束园偏振光，两束园偏振光进入光纤传感头，电流产生的磁场对两束园偏振光产生Faraday磁光效应作用，改变了两束园偏振光的传播速度，两束园偏振光到达反射面后发生反射，反射后两束园偏振光的偏振模式发生互换(左旋变右旋，右旋变左旋)，两反射光束再通过光纤传感头受到Faraday磁光效应作用，两反射光束到达到达1/4波片后恢复成两线偏振光束，携带相位信息(电流信息)的两线偏振光束到达起偏器处发生干涉，干涉结果由耦合器进入光电检测器，光电检测器把光信息转换成电信号，送给电子处理电路进行处理和对相位调节器进行控制。电子处理电路对电流信息检测和数据处理实现电流测量。

如图6所示，校验处理电路由误差校验处理、校验电路控制和电流矫正等部分组成。校验电路控制连接有源光电电流互感器的驱动电源1，根据校验需要向其发出工作或停止工作的控制，误差校验处理连接有源光电电流互感器的电流信息处理5和无源光电电流互感器的电子处理电路，把有源光电电流互感器的电流信息作为标准电流，把无源光电电流互感器的电流信息作为测量电流，对无源光电电流互感器的电流信息进行误差校验分析和处理，依据校验结果产生一个矫正因子，用矫正因子对无源光电电流互感器的电流信息进行矫正处理，然后作为最终测量电流数据输出给电力二次系统。

本发明利用有源光电电流互感器测量精度高长期稳定性好和无源光电电流互感器免维护使用寿命长的特点，两者优势互补，通过有源光电电流互感器间歇性的工作对无源光电电流互感器的长期稳定性和测量误差进行在线校验和矫正，既能克服有源光电电流互感器长期运行寿命不能满足要求的缺点，又能克服无源光电电流互感器长期稳定性差测量误差大的缺点，解决了无源光电电流互感器的长期稳定性差测量误差大的技术难题，使光电电流互感器的性能达到实用化要求。

Claims (5)

1.一种具有在线校验功能的光电电流互感器，其特征在于，包括一个校验互感器，一个工作互感器以及一个校验处理电路，其中，工作互感器为无源光电电流互感器，包括设置在高电压侧的磁光传感头，以及设置在低电压侧的光源、光电检测器、电子处理电路和光学处理系统，光学处理系统将光源发出的光束处理后通过光纤、磁光传感头获得一次电流母线上电流的测量光信息，送至光电检测器对光信息进行检测并转换成电信息，然后送至电子处理电路处理获得测量电流信息，提供给校验处理电路；

所述校验互感器为有源光电电流互感器，包括传能供电单元、光纤、设置在高电压侧的电流测量光电传输和电源变换、设置在低电压侧的驱动电源和电流信息二次处理，驱动电源通过来自校验处理电路发出的工作状态控制信息驱动传能供电单元向电源变换传输供电能量，电源变换向电流测量光电传输供电，电流测量光电传输通过电磁感应对一次电流母线的高压电流进行测量，并把电流信息转换成光电信号，经光纤传送到电流信息二次处理获得电流信息，提供给校验处理电路，作为校验时的标准电流信息；

校验处理电路将输入的测量电流信息与输入的标准电流信息比较，并进行测量误差校验处理后输出给电力二次系统。

2.如权利要求1所述的具有在线校验功能的光电电流互感器，其特征在于，所述的校验互感器为激光传能供电的有源光电电流互感器，或者为超声波传能供电的有源光电电流互感器，或者为高频电磁感应传能供电的有源光电电流互感器。

3.如权利要求1所述的具有在线校验功能的光电电流互感器，其特征在于，所述的工作互感器为纯光纤光电电流互感器，或者为磁光玻璃式光电电流互感器。

4.如权利要求1所述的具有在线校验功能的光电电流互感器，其特征在于，所述的校验处理电路包括误差校验处理、校验电路控制和电流矫正，所述校验电路控制连接有校验互感器的驱动电源，根据校验需要向驱动电源发出工作或停止工作的控制信号，误差校验处理连接校验互感器的电流信息二次处理和工作互感器的电子处理电路，把校验互感器的电流信息作为标准电流，把工作互感器的电流信息作为测量电流，对工作互感器的测量电流信息进行误差校验分析和处理，依据校验结果产生一个矫正因子，通过电流矫正对测量电流信息误差进行矫正处理，然后作为测量电流输出给电力二次系统。

5.一种具有在线校验功能的光电电流互感器，其特征在于，包括一个校验互感器，一个工作互感器，其中，工作互感器为无源光电电流互感器，包括设置在高电压侧的磁光传感头，以及设置在低电压侧的光源、光电检测器、电子处理电路和光学处理系统，其中，电子处理电路合并有一个校验处理电路；光学处理系统将光源发出的光束处理后通过光纤、磁光传感头获得一次电流母线上电流的测量光信息，送至光电检测器对光信息进行检测并转换成电信息，然后送至电子处理电路处理获得测量电流信息，提供给校验处理电路；

所述校验互感器为有源光电电流互感器，包括传能供电单元、光纤、设置在高电压侧的电流测量光电传输和电源变换、设置在低电压侧的驱动电源和电流信息二次处理，驱动电源通过来自校验处理电路发出的工作状态控制信息驱动传能供电单元向电源变换传输供电能量，电源变换向电流测量光电传输供电，电流测量光电传输通过电磁感应对一次电流母线的高压电流进行测量，并把电流信息转换成光电信号，经光纤传送到电流信息二次处理获得电流信息，提供给校验处理电路，作为校验时的标准电流信息；

校验处理电路将输入的测量电流信息与输入的标准电流信息比较，并进行测量误差校验处理后输出给电力二次系统。

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