電氣測試技術先進電壓電流傳感技術1

先進電壓電流傳感技術

變電站自動化系統(tǒng)過程層網(wǎng)絡站控層網(wǎng)絡先進電壓電流傳感技術2電子式互感器優(yōu)點簡述電子式電壓互感器分類比較電子式電流互感器分類比較合并單元與時間同步問題先進電壓電流傳感技術3電子式互感器相對于電磁式互感器的優(yōu)點：長期穩(wěn)定性？先進電壓電流傳感技術4電子式電壓互感器的分類電子式電壓互感器Pockels效應阻容分壓先進電壓電流傳感技術51.電容分壓式的電壓互感器先進電壓電流傳感技術62.基于Pockels效應的電壓互感器電壓在一次導體和大地之間形成電場。偏振光源向光纖注入圓偏振光圓偏振光穿越3個Pockels晶體電場引起圓偏振光橢圓率的變化通過測量橢圓率,實現(xiàn)一次電壓的測量先進電壓電流傳感技術7法拉第(MichaelFaraday)1791年－1867年

Faraday電磁感應原理Faraday磁旋光效應鐵心線圈空心線圈光學電流互感器(OCT）低功率鐵心線圈電流互感器（LPCT）羅可夫斯基線圈電流互感器（RCT）玻璃、光纖或鍍膜玻璃電子式電流互感器的分類先進電壓電流傳感技術8

1.基于羅氏線圈的電流互感器先進電壓電流傳感技術9先進電壓電流傳感技術10光纖只作為傳輸元件，感應元件為羅氏空芯線圈；空芯線圈密度要求恒定;骨架截面積也要恒定；線圈橫截面要與中心線垂直，工藝水平影響產(chǎn)品穩(wěn)定性；采用開環(huán)控制技術，動態(tài)范圍和精度受到局限；供能半導體激器功率大；易受雜散磁場影響。先進電壓電流傳感技術112.基于磁光玻璃的電流互感器光纖也只作為傳輸元件，感應元件為光學玻璃；光學玻璃是特殊光學材料，它對光信號的損耗大；溫度、振動穩(wěn)定性差；光纖與玻璃之間采用粘接，可靠性差；也采用開環(huán)控制技術，動態(tài)范圍和精度受到局限；先進電壓電流傳感技術12感應元件和傳輸元件都是光纖；輸入輸出光路為統(tǒng)一路徑，共模干擾抑制能力，對外界溫度、振動影響不敏感；也采用獨特的閉環(huán)控制技術，動態(tài)范圍大和精度高。A）不通電B）通電3.全光纖式的電流互感器先進電壓電流傳感技術13

電子式電流互感器的比較先進電壓電流傳感技術14

電子式電流互感器的比較先進電壓電流傳感技術15電子式電流互感器安裝方式與GIS組合安裝的有源電子式互感器先進電壓電流傳感技術16電子式電流互感器安裝方式與隔離開關組合安裝的有源電子式電流互感器先進電壓電流傳感技術17電子式電流互感器安裝方式與GIS組合安裝的有源電流電壓互感器先進電壓電流傳感技術18電子式電流互感器安裝方式與GIS組合安裝的全光纖電流互感器先進電壓電流傳感技術19750kV電子式互感器安裝方式750kV-ECT采用SF6罐式斷路器組合式，直接裝于斷路器套管升高座內(nèi)，不單獨占用尺寸。750kV-EVT采用獨立支柱式，布置于出線避雷器附近。先進電壓電流傳感技術2066kV電子式互感器安裝方式66kV-ECT、66kV-EVT均采用獨立支柱式。先進電壓電流傳感技術21電子式電流互感器故障類型先進電壓電流傳感技術22電子式電壓互感器故障類型先進電壓電流傳感技術23合并單元（MU）合并單元MU(mergingunit)間隔控制器(baycontroller)至站控層ECT輸入EVT輸入以太網(wǎng)線路保護(relay)過程層間隔層合并單元將電子式互感器與變電站自動化系統(tǒng)連接起來，為二次設備/系統(tǒng)提供時間同步的電流和電壓數(shù)據(jù)。先進電壓電流傳感技術24合并單元功能（一）先進電壓電流傳感技術25合并單元功能（二）間隔合并單元間隔合并單元實現(xiàn)線路間隔線路電壓、母線電壓、測量電流、保護電流、零序電壓、零序電流的合并。分段間隔合并單元實現(xiàn)電壓并列，并為間隔合并單元提供母線電壓。級聯(lián)合并單元為母線保護、主變差動保護、備自投裝置提供多間隔電流、電壓數(shù)據(jù)。先進電壓電流傳感技術26電子式互感器同步問題同一間隔三相電壓、電流之間需考慮同步采樣；變壓器差動保護從不同電壓等級的多個間隔獲取數(shù)據(jù)存在同步問題；母線差動保護從多個間隔獲取數(shù)據(jù)也存在同步問題；線路縱差保護線路兩端數(shù)據(jù)采樣也存在同步問題；10μs。先進電壓電流傳感技術27電子式互感器同步解決方法基于GPS秒脈沖同步的同步采樣同步方法簡單秒脈沖丟失時存在危險基于IEC61588網(wǎng)絡高精度對時協(xié)議對時精度高，且不需要額外的硬接線硬件軟件要求高，實現(xiàn)難度較大二次設備通過再采樣技術(插值算法)對就地采集單元額定延時進行補償采樣率要求高軟件要求高，實現(xiàn)難度較大但不依賴于GPS和秒脈沖傳輸系統(tǒng)先進電壓電流傳感技術28電氣測試技術

先進電壓電流傳感技術

內(nèi)容提要光導纖維的結構和導光原理光導纖維的主要參數(shù)光纖傳感器結構原理光纖傳感器的分類光纖傳感器的特點光纖傳感器的應用301光導纖維的結構和導光原理圓柱形內(nèi)芯和包層組成，而且內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率光纖結構31斯乃爾定理當光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時，發(fā)生折射（a）折射角大于入射角：（b）臨界狀態(tài)：（c）全反射：32光纖導光33n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故n0≈134當θr=90°的臨界狀態(tài)時，Sinθi定義為“數(shù)值孔徑”NA（NumericalAperture）相對折射率差arcsinNA是一個臨界角，θi>arcsinNA，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消失；θi<arcsinNA，光線才可以進入光纖被全反射傳播。352光導纖維的主要參數(shù)數(shù)值孔徑（NA）光纖模式傳播損耗36數(shù)值孔徑（NA）反映纖芯接收光量的多少，標志光纖接收性能。意義：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θi張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。 大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。 但數(shù)值孔徑太大，光信號畸變也越嚴重。37光纖模式光波沿光導纖維傳播的途徑和方式 在光導纖維中傳播模式很多對信息的傳輸是不利的，導致合成信號的畸變，因此我們希望模式數(shù)量越少越好。階躍型的圓筒波導內(nèi)傳播的模式數(shù)量表示為

希望V?。篸不能太大，n2與n1之差很小38傳播損耗損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響

傳播損耗（單位為dB）式中,I——光纖長度；

a——單位長度的衰減；

I0——光導纖維輸入端光強；

I——光導纖維輸出端光強。393光纖傳感器光學測量的基本原理光就是一種電磁波，

光的電矢量E被測量調(diào)制：光的強度、偏振態(tài)（矢量B的方向）、頻率和相位解調(diào)：光的強度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制核心：光調(diào)制與解調(diào)技術40光調(diào)制與解調(diào)技術光的調(diào)制和解調(diào)可分為：強度、相位、偏振、頻率和波長等方式。光的調(diào)制過程就是將一攜帶信息的信號疊加到載波光波上；完成這一過程的器件叫做調(diào)制器。在光纖傳感器中，光的解調(diào)過程通常是將載波光攜帶的信號轉換成光的強度變化，然后由光電探測器進行檢測。41光纖傳感器中光強度調(diào)制是被測對象引起載波光強度變化，從而實現(xiàn)對被測對象進行檢測的方式。光強度變化可以直接用光電探測器進行檢測。解調(diào)過程主要考慮的是信噪比是否能滿足測量精度的要求。一、強度調(diào)制與解調(diào)

42微彎損耗強度調(diào)制器的原理如圖。當垂直于光纖軸線的應力使光纖發(fā)生彎曲時，傳輸光有一部分會泄漏到包層中去。幾種常用的光強調(diào)制技術1.微彎效應43外調(diào)制技術的調(diào)制環(huán)節(jié)通常在光纖外部，因而光纖本身只起傳光作用。這里光纖分為兩部分：發(fā)送光纖和接收光纖。兩種常用的調(diào)制器是反射器和遮光屏。2.光強度的外調(diào)制44

利用折射率不同進行光強度調(diào)制的原理包括：①利用被測物理量引起傳感材料折射率的變化；②利用漸逝場耦合；③利用折射率不同的介質(zhì)之間的折射與反射。3.折射率光強度調(diào)制45

若采用硅PIN二極管光電探測器，則可略去暗電流噪聲效應；進一步假設調(diào)制頻率遠離1／f噪聲效應區(qū)域，則可略去探測器噪聲，上式可簡化為：

強度調(diào)制型光纖傳感器的關鍵是信號功率與噪聲功率之比要足夠大，其功率信噪比RSN可用下列公式計算：

強度調(diào)制的解調(diào)46影響因素：信號噪聲和熱噪聲對測量精度的影響；光源與光纖、光纖和轉換器之間的機械部分引起的光耦合隨外界影響的變化；調(diào)制器本身隨溫度和時間老化出現(xiàn)的漂移；光源老化引起的強度變化以及探測器的響應隨溫度的變化等47應在傳感器結構設計中和制造工藝中設法減小這些影響。光波是橫波。光振動的電場矢量E和磁場矢量H和光線傳播方向s正交。按照光的振動矢量E、H在垂直于光線平面內(nèi)矢端軌跡的不同，可分為線偏振光（又稱平面偏振光）、圓偏振光、橢圓偏振光和部分偏振光。利用光波的這種偏振性質(zhì)可以制成光纖的偏振調(diào)制傳感器。光纖傳感器中的偏振調(diào)制器常利用電光、磁光、光彈等物理效應。在解調(diào)過程中應用檢偏器。二、偏振調(diào)制與解調(diào)48當壓電晶體受光照射并在其正交方向上加以高電壓，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象——普克耳效應。在晶體中，兩正交的偏振光的相位變化：偏振調(diào)制原理

1.普克耳（Pockels）效應49平面偏振光通過帶磁性的物體時，其偏振光面發(fā)生偏轉，這種現(xiàn)象稱為法拉第磁光效應，光矢量旋轉角：2.法拉第磁光效應光纖50在垂直于光波傳播方向施加應力，材料將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其強弱正比于應力。這種現(xiàn)象稱為光彈效應。偏振光的相位變化：3.光彈效應51相位調(diào)制的基本原理是：通過被測能量場的作用，使能量場中的一段敏感單模光纖內(nèi)傳播的光波發(fā)生相位變化，利用干涉測量技術把相位變化變換為振幅變化，再通過光電探測器進行檢測。三、相位調(diào)制與解調(diào)

52

光纖受到縱向（軸向）的機械應力作用時，將產(chǎn)生三個主要的物理效應，導致光纖中光相位的變化：①

光纖的長度變化——應變效應②光纖芯的直徑變化——泊松效應③光纖芯的折射率變化——光彈效應

實現(xiàn)相位調(diào)制的物理效應

1.應力應變效應53在所有干涉型光纖傳感器中，光纖中傳播光的相位響應φ都是與待測場中光纖的長度L成正比。這個待測場可以是變化的溫度T。由于干涉型光纖傳感器中的信號臂光纖可以足夠長，因此信號光纖對溫度變化有很高的靈敏度。

2.熱脹冷縮效應

54

兩束相干光（信號光束和參考光束）同時照射在一光電探測器上，光電流的幅值將與兩光束的相位差成函數(shù)關系。兩光束的光場相疊加，合成光場的電場分量為：

光電探測器對合成光束的強度發(fā)生響應。設自由空間阻抗為Zo，則入射到光電探測器光敏面Ad的功率為相位解調(diào)原理

55最終探測信號電流為

其中56探測器響應的是光波在許多周期內(nèi)測得的平均功率。上式括號中的后三項相當于光頻（2ω）的電流變化，光電探測器不能響應如此高頻率的變化，可以忽略。因此上式可以簡化為：上式表明,探測器輸出電流的變化取決于兩光束的初始相位和相位變化。可見，通過干涉現(xiàn)象能將兩光束之間的相位差轉化為電流變化。如果，即干涉光束初相位正交，相差,那可較容易地把這種相位變化提取出來，這種探測方式稱為零差檢測。57頻率調(diào)制時光纖往往只起傳輸光信號的作用，而不作為敏感元件。目前主要是利用光學多普勒效應實現(xiàn)頻率調(diào)制。圖中，S為光源，P為運動物體，Q是觀察者所處的位置。若物體P的運動速度為v，方向與PS及PQ的夾角分別為θ1和θ2，則從S發(fā)出的頻率為f1的光經(jīng)過運動物體P散射，觀察者在Q處觀察到的頻率為f2。四、頻率調(diào)制與解調(diào)58

根據(jù)多普勒原理可得：

光頻率調(diào)制的解調(diào)原理與相位調(diào)制的解調(diào)相同，需要兩束光干涉。探測器的信號電流公式的推導亦與相位調(diào)制的解調(diào)相同；只要用2πΔft代替式中的φ（t），即可得：

593光纖傳感器結構原理把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置光受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘枺?jīng)信號處理系統(tǒng)得到被測量。604光纖傳感器的分類傳感器光學現(xiàn)象被測量光纖分類干涉型光纖傳感器相位調(diào)制干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應光彈效應干涉電流、磁場電場、電壓角速度振動、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非干涉型光纖傳感器強度調(diào)制遮光板斷光路半導體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄模溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纖傳感器偏振調(diào)制法拉第效應泡克爾斯效應雙折射變化光彈效應電流、磁場電場、電壓溫度振動、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纖傳感器頻率調(diào)制多普勒效應受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動、加速度氣體濃度溫度MMMMMMCbb注：MM——多模光纖；SM——單模光纖；PM——偏振保持光纖61光纖傳感器的分類光纖在傳感器中的作用光受被測量調(diào)制的形式光纖傳感器中對光信號的檢測方法不同

62(1)光纖的傳感器中的作用功能型非功能型拾光型

63(a)功能型（全光纖型）光纖傳感器光纖在其中不僅是導光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。優(yōu)點：結構緊湊、靈敏度高。缺點：須用特殊光纖，成本高，典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。

64(b)非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖在其中僅起導光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。

優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現(xiàn)，成本低。

缺點：靈敏度較低。 實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。65(c)拾光型光纖傳感器

用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。典型例子： 光纖激光多普勒速度計 輻射式光纖溫度傳感器66(2)根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式(a)強度調(diào)制型光纖傳感器(b)偏振調(diào)制光纖傳感器(c)頻率調(diào)制光纖傳感器(d)相位調(diào)制傳感器67(a)強度調(diào)制型光纖傳感器利用被測對象的變化引起敏感元件參數(shù)的變化，而導致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。應用：壓力、振動、位移、氣體優(yōu)點:

結構簡單、容易實現(xiàn)、成本低。缺點:

易受光源波動和連接器損耗變化等的影響68（b）偏振調(diào)制光纖傳感器利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息應用： 電流、磁場傳感器：法拉第效應； 電場、電壓傳感器：泡爾效應； 壓力、振動或聲傳感器：光彈效應； 溫度、壓力、振動傳感器：雙折射性優(yōu)點：可避免光源強度變化的影響，靈敏度高。69（c）頻率調(diào)制光纖傳感器被測對象引起的光頻率的變化來進行監(jiān)測利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強光照射時的喇曼散射構成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。70（d）相位調(diào)制傳感器被測對象導致光的相位變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。

利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器； 利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器； 利用電致伸縮的電場、電壓傳感器利用Sagnac效應的旋轉角速度傳感器（光纖陀螺）優(yōu)點：靈敏度很高，缺點：特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，成本高。715光纖傳感器的特點（1）電絕緣。（2）抗電磁干擾。（3）非侵入性。（4）高靈敏度。（5）容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。

7201光纖電流互感器Opticalfibercurrenttransformer7374電流互感器的基本類型法拉第(MichaelFaraday)1791年－1867年

Faraday電磁感應原理Faraday磁旋光效應空心線圈鐵心線圈自適應光學電流互感器(AOCT）羅可夫斯基線圈電流互感器（RCT）低功率鐵心線圈電流互感器（LPCT）開環(huán)塊狀磁光玻璃光學電流互感器(OCT）閉環(huán)磁光玻璃全光纖電流互感器(FOCT）光纖環(huán)賽格耐克效應電原理ECT光原理ECT法拉第磁光效應光纖電流傳感器是利用光纖的磁光效應實現(xiàn)電流測量的，按調(diào)制參數(shù)分類，則屬于偏振調(diào)制型。磁光效應，又稱法拉第（Faradag）效應，當線偏振光在介質(zhì)中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一磁場，則光振動方向?qū)l(fā)生偏轉，偏轉角度與磁感應強度和光穿越介質(zhì)的長度的乘積成正比，偏轉方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場。75光纖電流傳感器76設法拉第材料的長度為l，沿長度方向施加的外磁場強度為H，則線偏振光通過它后偏振方向旋轉的角度為

光纖電流傳感器原理

光纖電流傳感器將光纖繞在被測導線上，其結構如圖所示

基于光纖磁光效應的電流傳感器設圈數(shù)為N，導線中通過的電流為I，由安培環(huán)路定律，距導線軸心為R處的磁場為

P2WP

探測器1探測器2I1I2光源光纖IP17778

由以上兩式可得偏轉角

繞在導線上的光纖長度為：，代入上式得

通過光纖的光偏振面偏轉角與被測電流及光纖的匝數(shù)成正比，與光纖圈半徑大小無關。由于探測器不能直接檢測光的偏振態(tài)，需要將光偏振態(tài)的變化轉換為光強度信號。一種檢測方法采用Wollaston棱鏡WP，由光源發(fā)射的激光經(jīng)起偏器P1變?yōu)榫€偏振光進入傳感光纖，在輸出端將檢偏器P2輸出的正交偏振分量在空間上分成兩路輸出，分別被探測器1與探測器2接收。探測器1與探測器2接收的光強信號分別為：經(jīng)信號處理可得到偏振面的偏轉角：

該解調(diào)方法的特點是可以有效消除光源強度波動對測量結果的不利影響。7980傳感頭：包含載流導體,繞于載流導體上的傳感光纖,以及起偏鏡、檢偏鏡等光學部件。輸送和接受光纖電子回路：包含光源、受光元件、信號處理電路。光纖電流傳感器結構FOCT結構組成8182FOCT測量實現(xiàn)過程發(fā)光二級管發(fā)出的光信號通過起偏器分成兩路正交偏振光信號，經(jīng)保偏光纖傳輸?shù)溅?4波片。83λ/4波片將兩正交線性偏振光轉換成左、右旋橢圓偏振光。光信號在傳感光纖環(huán)內(nèi)，由于被測電流會產(chǎn)生磁場和在傳感光纖中的Faraday磁光效應，這兩束圓偏振光的相位會發(fā)生變化(△θ=2VNI)，一路光信號減速，而另一路卻被加速。兩路光信號繞著導體轉了多圈后，在光纖的終點反射鏡將光信號反射回去，但偏振的方向也被逆轉，由于逆轉使Faraday效應產(chǎn)生的相位加倍(△θ=4VNI)。FOCT測量實現(xiàn)過程84兩束光再次通過λ/4波片后，恢復成為線偏振光，并且原來沿保偏光纖X軸傳播的光變?yōu)檠乇Ｆ饫wy軸傳播，原來沿保偏光纖y軸傳播的光變?yōu)檠乇Ｆ饫wx軸傳播。分別沿保偏光纖x軸、y軸傳播的光在光纖偏振器處發(fā)生干涉。通過測量相干的兩束偏振光的非互易位相差，就可以間接地測量出導線中的電流值。在理想情況下，探測器探測到的光強信號大小為：相位調(diào)制器在檢測電路的驅(qū)動下產(chǎn)生一個與大小相等方向相反的反饋相移，通過檢測反饋信號的大小即能確定相位，從而得到被測電流的大小。（I0正比于光源的光強）FOCT測量實現(xiàn)過程85缺點纖芯形狀的非理想性，光纖中存在線性雙折射，造成了輸出信號的誤差振動、機械應力、溫度變化對線性雙折射的影響也很大優(yōu)點傳感裝置本身全部由光學器件構成，故具有抗電磁干擾（EMI）特性沒有鐵心磁飽和的制約,法拉第效應的響應速度快，測量范圍大、動態(tài)響應好光纖傳輸，波形畸變小,傳輸損耗小，可實現(xiàn)長距離的信號傳輸86測量干擾及解決在光纖電流傳感器中，由于光纖內(nèi)存在的線性雙折射對于溫度與振動等環(huán)境因素變化十分敏感，而雙折射會造成偏振光偏振態(tài)輸出的不穩(wěn)定，影響測量的精確度，因此利用各種方法降低