CN109581024A - 一种光纤电流互感器 - Google Patents

Abstract

一种光纤电流互感器，由采集单元、传输光纤、光纤传感环组成，增加一个固定盒，传感光纤起始端的波片和末端的反射镜安装在固定盒内，波片与反射镜位置靠紧、对齐，光纤传感环的光纤外皮上标记刻度；固定盒使用铁磁屏蔽材料，在空间上形成闭合的磁路；固定盒的安装位置距离有流导体足够远；光纤电流互感器安装校准之后，在标记刻度的位置上做好对准的标记，以后拆卸恢复安装时，按做好的对准标记对准位置。本发明解决了磁场临近效应、磁场不对称导致的光纤电流互感器电流测量误差的问题。

Description

一种光纤电流互感器

技术领域

本发明涉及电流互感器，尤其涉及一种光纤电流互感器。

背景技术

大型同步发电机是电力系统的重要主设备，为保障大型同步发电机的可靠运行，发电机的继电保护装置、励磁调节器等保护控制系统都需要准确测量发电机的电流。比如，继电保护装置测量发电机定子绕组的中性点侧电流和机端电流，实现纵差保护，反映定子绕组内部相间故障；比如，发电机定子绕组内部如果安装了分支绕组的电流互感器(CT)，则通过测量分支绕组电流，实现裂相横差保护，反映定子绕组的匝间故障；比如，扩大单元接线方式的同步发电机，即两台或三台发电机机端接在同一个母线上运行，当其中一台发电机出现定子绕组单相接地故障时，需要测量发电机机端零序电流，与测量到的机端零序电压一起构成基波零序方向保护，用于区分单相接地故障发生在区内还是区外；又比如，励磁系统在实现电压闭环控制的同时需要有过励限制、欠励限制的功能，这就要求励磁调节器测量发电机机端电压、电流，实时计算出发电机的有功功率和无功功率。

目前测量发电机定子绕组的电流，包括中性点侧电流、机端电流、分支绕组电流、机端零序电流，等等，广泛采用传统的电磁式CT，其优点是造价适中、设计制造安装方便、应用技术成熟。但是相比新兴发展的光纤电流互感器，传统的电磁式CT也存在明显的缺点：

(1)体积尺寸比较大，无法安装在狭小的空间内。比如，大型汽轮发电机组通常每相两个并联分支，由于发电机内部结构紧凑，分支绕组之间的距离很近，分支绕组上无法安装传统的电磁式CT。

(2)存在饱和问题。比如，在严重的短路故障时，故障电流可能很大，且存在非周期分量，电磁式CT在大电流、非周期分量的影响可能出现铁心饱和，导致CT电流传变失真，影响差动保护、过流保护的性能，严重时有可能导致差动保护误动、过流保护延时动作；又比如，在抽水蓄能的大型发电/电动机上，变频拖动时，尤其是低频运行过程中，因频率较低，同样可能导致CT饱和，使得电流测量结果失真。

(3)受磁场临近效应影响，造成CT测量误差。根据IEEE Std.C37.102-2006IEEEGuide for AC Generator Protection第5.1.2条款的说明，邻近效应是靠近CT的导体流过电流时产生的，该电流产生的杂散磁通磁场影响了CT的测量结果。在工程应用上，与高压、超高压变电站里的CT不同，安装在发电机上的CT距离都比较近，临近效应明显，为了减小临近效应的影响，传统的电磁式CT需要在CT上加装补偿绕组(屏蔽绕组)或者磁屏蔽。现场出现过CT安装位置不当，临近效应很强，不仅导致电流测量出现误差，而且导致磁屏蔽过热烧损CT的案例。

(4)导体不对中或者磁场不对称，造成CT测量误差。在大型同步发电机上应用的CT，因为电压较高，电流很大，均采用穿心式CT。测量单相电流或者分支电流时，如果电流导体不在CT窗口的正中心，其产生的磁场相对铁心是偏心的、不对称的，由于电磁式CT的二次绕组只布置在铁心的一部分，所以会产生测量误差。同样的，测量机端零序电流时，三相电流穿过机端零序CT的窗口，三相电流如果产生的磁场相对铁心是不对称的话，零序CT的测量结果也会出现误差。

近些年来，光纤电流互感器的技术越来越成熟，已在高压、超高压变电站内有不少应用。光纤电流互感器的一次传感部分(即光纤传感环)是柔性的，可以方便地缠绕在任何形状的一次导体上，其突出的优点是：

(1)光纤电流互感器的光纤传感环体积尺寸小，而且光纤传感环本身不导电，绝缘性能好，因此可以实现狭小空间的安装，可以解决发电机上电磁式CT安装空间受限的问题。

(2)光纤电流互感器的没有铁心，没有铁心饱和问题，也不受频率影响，测量动态范围广、传变特性好。

这两个优点克服了前述的传统电磁式CT的两个缺点。

当前，在大型同步发电机电流测量的场合，相比电磁式CT，光纤电流互感器的造价还很高，限制了它的应用推广。但是随着光纤产业的发展，它的造价会日益降低，而且随着技术进步和工程积累，光纤电流互感器在可靠性、稳定性、测量精度方面会越来越好，在大型同步发电机等主设备上的应用是必然趋势。

已有光纤电流互感器在发电机上试用的案例，但是前述的电磁式CT受磁场临近效应影响，在导体不对中或者磁场不对称时存在电流测量误差，这两个问题对光纤电流互感器同样存在。光纤电流互感器的光纤传感环包括了安装支架、传感光纤、波片、反射镜，波片在传感光纤的起始端，反射镜在传感光纤的末端。理论上光纤传感环的传感光纤缠绕在被测电流的导体上，且波片与反射镜完全对齐，使得传感光纤形成完整的闭环，那么根据安培环流定律和光纤的Faraday磁光效应，完整闭环的传感光纤不受磁场临近效应的影响，也不受磁场不对称的影响。但是，实际上在安装时，波片与反射镜不可能完全对齐，光纤电流互感器仍然受磁场临近效应、磁场不对称的影响。在大型同步发电机上的应用时，这种影响会比较明显，这是由恶劣的应用条件决定的：

(1)高压、超高压变电站线路的额定电流一般是几百安培到上千安培，由于电压等级比较高，站内各相电流的光纤电流互感器安装位置彼此距离较远，都是几米、十几米开外。但是大型同步发电机的额定电流往往很大，都是上万安培。比如，一台额定电压20kV、额定有功功率600MW、额定功率因数0.9的发电机，额定电流是19.25kA。就算是分支电流，也往往是几千安培。此外，由于发电机的电压等级是中压，且受空间限制，导体之间的距离很近。比如某额定功率为600MW的发电机，每相6个分支，部分分支绕组引出部位的外沿最短间距仅仅只有7cm。因此，大型同步发电机上应用CT，磁场临近效应会比较明显；紧靠着导体缠绕的传感光纤上的波片和反射镜，只要稍有不闭环，就会受影响。

(2)扩大单元接线方式的同步发电机，即两台或三台发电机机端接在同一个母线上运行，发电机额定电流一般在2000A～7000A范围内，但是发生单相接地故障时，发电机机端零序电流相对很小，一般在1A～20A，最大的零序电流也不超过发电机额定电流的1％；三相电流穿过CT的窗口，要求在流过几千安培的三相电流的情况下能够检出不到20A的零序电流，对零序CT测量的要求非常高；紧靠着导体缠绕的传感光纤上的波片和反射镜，只要稍有不闭环，就会受穿心电流的不对称磁场的影响。

综上所述，为扩大光纤电流互感器的应用范围，为使得光纤电流互感器在同步发电机的电流测量上更加精准，必须解决好上述两条问题。

发明内容

本发明的目的是：提出一种光纤电流互感器，解决磁场临近效应、磁场不对称导致的光纤电流互感器电流测量误差的问题。

本发明采取的技术方案是：一种光纤电流互感器，包括采集单元、传输光纤、光纤传感环；所述采集单元用于对光源产生的光信号进行起偏、调制处理后发往传感光纤环，并对传感光纤环返回的调制光信号进行数据处理；所述传输光纤用于传输光信号；所述光纤传感环用于感应被测电流；光纤传感环安装在一次导体上，光纤传感环包括安装支架、传感光纤、波片、反射镜；还包括一个固定盒，传感光纤起始端的波片和末端的反射镜安装在所述固定盒内，波片与反射镜位置靠紧、对齐。

进一步的，所述采集单元包括光源、耦合器、起偏器、偏振分光器、相位调制器、解调电路、探测器、光纤延时线。

进一步的，所述的固定盒使用铁磁屏蔽材料进行磁场屏蔽的防护。

进一步的，所述固定盒的壳体直接采用铁磁屏蔽材料制作以在空间上形成闭合的磁路。

进一步的，在所述固定盒内部或者外部安装铁磁屏蔽材料以在空间上形成闭合的磁路。

进一步的，所述的固定盒的安装位置距离被测电流导体及被测电流导体的邻近有流导体均大于设定距离。

进一步的，设所述设定距离大于等于1米。

进一步的，所述的固定盒中的波片至安装支架的之间的传感光纤和固定盒中的反射镜至安装支架之间的传感光纤装在同一根套管中加以保护。

进一步的，所述光纤传感环的光纤外皮上标记刻度。

进一步的，所述光纤传感环的光纤外皮上标记刻度；具体为在波片位置的传感光纤外皮上和反射镜位置的传感光纤外皮上标记刻度。

进一步的，所述标记刻度的最小刻度均为毫米，刻度范围2cm～10cm。

进一步的，光纤电流互感器安装校准之后，在标记刻度的位置上做好对准的标记，以后拆卸恢复安装时，按做好的对准标记对准位置。

进一步的，所述光纤电流互感器应用于发电机电流测量。

本发明的有益效果是：由于光纤传感环的波片、反射镜安装在固定盒内，固定盒使用了铁磁屏蔽材料形成闭合磁路，且固定盒远离有流导体，这样可以有效削弱磁场临近效应的影响，同时削弱了磁场不对称的影响，提高了光纤电流互感器的测量精度，增强了光纤电流互感器在恶劣磁场条件下的应用能力；另一方面，光纤传感环的光纤外皮上有了标记刻度，光纤电流互感器安装校准之后，方便做好对准的标记，以后拆卸恢复安装时，可按做好的对准标记对准位置，有利于产品检修维护。

附图说明

图1是现有光纤电流互感器的一般结构框图；

图2是本发明应用光纤电流互感器测量发电机相电流或分支电流的示意图；

图3是本发明应用光纤电流互感器测量发电机机端零序电流的一个实例的示意图；

图4是本发明应用光纤电流互感器测量发电机机端零序电流的一个实例的示意图；

图5是本发明固定盒的示意图；

图6是本发明光纤传感环的光纤外皮上做标记刻度的示意图；

附图的标记含义如下：

1：固定盒；2：波片；3：反射镜；4：传感光纤；5：安装支架；6：套管；7：传输光纤；8：刻度标记；9：发电机相绕组或分支绕组；10：临近的相绕组或分支绕组；11：机端三相电缆；12：机端三相铜排。

具体实施方式

为清楚说明本发明的方法，这里结合附图，并以实际的例子，阐明本发明的具体实施方式。如附图1所示，这是现有光纤电流互感器的一般结构框图。光纤电流互感器由采集单元、传输光纤、光纤传感环三个部分组成。其中，采集单元包括了光源、耦合器、起偏器、偏振分光器、相位调制器、解调电路、探测器、光纤延时线；光纤传感环安装在一次导体上，光纤传感环包括安装支架、传感光纤、波片、反射镜；采集单元光纤延时线输出端至光纤传感环的波片，这一段是传输光纤。

现有光纤电流互感器的光纤传感环当中的波片、反射镜就安装在安装支架内，就近靠近导体，安装时尽量让波片与反射镜靠紧，使得缠绕的传感光纤为预先设计好长度的整数圈。根据安培环流定律，磁场强度经过一个闭合路径的线积分等于闭合路径所包围的总电流安匝数，即磁场强度与一次电流成正比；另一方面，在Faraday磁光效应的作用下，传感光纤内的偏振光的偏振角因磁场而旋转，旋转角叫Faraday旋光角，它与磁场成正比。采集单元通过检测两束圆偏振光的相位差解算出被测导体的一次电流值，该一次电流值i通过通信方式送到相关的保护、测控装置中。

以一个实例和附图2说明本发明所述的测量发电机定子绕组分支电流的光纤电流互感器。发电机为一台额定有功功率为600MW的水轮发电机，额定电压20kV，额定功率因数0.9，其额定电流为600MW/(0.9×1.732×20kV)＝19.246kA；该发电机每相6个分支，分支上的额定电流为19.246kA/6＝3.208kA；部分分支绕组引出部位的外沿最短间距仅仅只有7cm。如附图2所示，本发明的具体技术方案是：

使用与附图1所示的相同的采集单元和传输光纤，仅对光纤传感环做改造；具体的，增加一个固定盒，传感光纤起始端的波片和末端的反射镜安装在固定盒内，波片与反射镜位置靠紧、对齐，光纤传感环的光纤外皮上标记刻度；光纤传感环的安装支架采用绝缘的环氧材料制成，支架总体形状为两个半圆形，拼接成一个完整的圆环，紧箍在被测的分支绕组引出端，传感光纤按预先的设计，在被测的分支绕组上缠绕3圈，并且固定在安装支架上。

以一个实例和附图3说明本发明所述的测量发电机机端零序电流的光纤电流互感器，其中发电机的机端出线采用的是电力电缆。发电机为一台额定有功功率为35.5MW的中型水轮发电机，额定电压10.5kV，额定电流2.055kA。发电机出口电缆18根，每根电缆是单芯电缆，3根(ABC三相)为一组；电缆型号YJV22-8.7/10；ZR-YJV-12/20kV-×240mm²。发电机中性点不接地，采用三机一变的扩大单元接线方式，即三台同样的发电机共母线之后经过一台升压变压器与电网系统相连。经过计算，区内接地故障时，机端零序电流大约在0.05A～10A的范围变化；区外接地故障时，机端零序电流大约为7.8A；区外故障时，机端零序电流占到发电机额定电流的7.8/2055＝0.34％。如附图3所示，本发明的具体技术方案是：

使用与附图1所示的相同的采集单元和传输光纤，仅对光纤传感环做改造；具体的，增加一个固定盒，传感光纤起始端的波片和末端的反射镜安装在固定盒内，波片与反射镜位置靠紧、对齐，光纤传感环的光纤外皮上标记刻度；现场的发电机出口电缆18根，第3根(ABC三相)为一组，共6组，在空间上分成两层布置，为此光纤传感环安装支架的总体形状设计成两个U字型，拼接之后形成一个带有四圆弧角的矩形，安装支架同样采用绝缘的环氧材料制成，在空间上套住全部的机端电缆；传感光纤固定在安装支架上，并按预先的设计缠绕60圈。

以另一个实例和附图4说明本发明所述的测量发电机机端零序电流的光纤电流互感器，其中发电机的机端出线为铜排。发电机为一台额定有功功率为100MW的汽轮发电机，额定电压15.75kV，额定电流4.312kA。发电机出口为铜排，每相三层铜排，单层铜排尺寸120mm×10mm。发电机中性点经单相配电变压器接地，即采用高阻接线方式。区内接地故障时的机端零序电流大约为0.05A～5A；区外接地故障时，机端零序电流大约是4.85A。如附图4所示，本发明的具体技术方案是：

使用与附图1所示的相同的采集单元和传输光纤，仅对光纤传感环做改造；具体的，增加一个固定盒，传感光纤起始端的波片和末端的反射镜安装在固定盒内，波片与反射镜位置靠紧、对齐，光纤传感环的光纤外皮上标记刻度；现场的发电机出口经过铜排接至主变压器低压侧或者接至断路器，铜排每相三层铜排，单层铜排尺寸120mm×10mm，铜排垂直，三相之间在空间上水平布置；与附图3的例子类似，光纤传感环安装支架的总体形状设计成两个U字型，拼接之后形成一个带有四圆弧角的矩形，安装支架同样采用绝缘的环氧材料制成，在空间上套住全部的铜排；传感光纤固定在安装支架上，并按预先的设计缠绕80圈。

进一步的，前述的附图2～附图4的例子中，固定盒使用铁磁屏蔽材料进行磁场屏蔽的防护。防护方法有两种，方法一是直接采用铁磁屏蔽材料制作固定盒的壳体；方法二是单独在固定盒内部或者外部安装铁磁屏蔽材料；两种方法所述的铁磁屏蔽材料在空间上形成闭合的磁路。一个具体的实例如附图5所示，固定盒直接采用铁磁屏蔽材料(比如：坡莫合金，或者是相对磁导率在1000以上的普通钢)制作壳体。

进一步的，前述的附图2～附图4的例子中，固定盒的安装位置与被测电流导体的距离L1不小于d，与被测电流导体的邻近有流导体的距离L2也不小于d；d大于等于1米，默认取值1米。实质上是将波片、反射镜放置到杂散磁场较弱的地方，减少杂散磁场的影响。

进一步的，前述的附图2～附图4的例子中，固定盒中的波片至安装支架的这段传感光纤、所述的固定盒中的反射镜至安装支架的这段传感光纤，这两段传感光纤使用同一根套管套起来加以保护。

进一步的，前述的附图2～附图4的例子中，光纤传感环的光纤外皮上标记刻度；具体的，如附图6所示，在波片位置的传感光纤外皮上标记刻度，最小刻度为毫米，刻度范围2cm～10cm；在反射镜位置的传感光纤外皮上标记刻度，最小刻度为毫米，刻度范围2cm～10cm；光纤电流互感器安装校准之后，在标记刻度的位置上做好对准的标记，以后拆卸恢复安装时，按做好的对准标记对准位置。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何等同替换或改动，并不超出本发明保护范围。

Claims (13)

1.一种光纤电流互感器，包括采集单元、传输光纤、光纤传感环；

所述采集单元用于对光源产生的光信号进行起偏、调制处理后发往传感光纤环，并对传感光纤环返回的调制光信号进行数据处理；

所述传输光纤用于传输光信号；

所述光纤传感环用于感应被测电流；光纤传感环安装在一次导体上，光纤传感环包括安装支架、传感光纤、波片、反射镜；

其特征是：还包括一个固定盒，传感光纤起始端的波片和末端的反射镜安装在所述固定盒内，波片与反射镜位置靠紧、对齐。

2.如权利要求1所述的一种光纤电流互感器，其特征是，所述采集单元包括光源、耦合器、起偏器、偏振分光器、相位调制器、解调电路、探测器、光纤延时线。

3.如权利要求1所述的一种光纤电流互感器，其特征是，所述的固定盒使用铁磁屏蔽材料进行磁场屏蔽的防护。

4.如权利要求3所述的一种光纤电流互感器，其特征是，所述固定盒的壳体直接采用铁磁屏蔽材料制作以在空间上形成闭合的磁路。

5.如权利要求3所述的一种光纤电流互感器，其特征是，在所述固定盒内部或者外部安装铁磁屏蔽材料以在空间上形成闭合的磁路。

6.如权利要求1所述的一种光纤电流互感器，其特征是，所述的固定盒的安装位置距离被测电流导体及被测电流导体的邻近有流导体均大于设定距离。

7.如权利要求6所述的一种光纤电流互感器，其特征是，设所述设定距离大于等于1米。

8.如权利要求1所述的一种光纤电流互感器，其特征是，所述的固定盒中的波片至安装支架的之间的传感光纤和固定盒中的反射镜至安装支架之间的传感光纤装在同一根套管中加以保护。

9.如权利要求1至8任一项所述的一种光纤电流互感器，其特征是，所述光纤传感环的光纤外皮上标记刻度。

10.如权利要求9所述的一种光纤电流互感器，其特征是，所述光纤传感环的光纤外皮上标记刻度；具体为在波片位置的传感光纤外皮上和反射镜位置的传感光纤外皮上标记刻度。

11.如权利要求10所述的一种光纤电流互感器，其特征是，所述标记刻度的最小刻度均为毫米，刻度范围2cm～10cm。

12.如权利要求10或者11所述的一种光纤电流互感器，其特征是，光纤电流互感器安装校准之后，在标记刻度的位置上做好对准的标记，以后拆卸恢复安装时，按做好的对准标记对准位置。

13.如权利要求1所述的一种光纤电流互感器，其特征是，应用于发电机电流测量。