The Study of New Type Optical Current Transformer
摘要 介绍了一种新型混合式光纤电流互感器的设计原理、系统组成及其要解决的主要问题，提出了相应的解决方案，给出了初步的实验结果。
关键词 光纤混合式电流互感器
0 引言
随着电力系统的容量越来越大，电压等级越来越高，传统电磁互感器呈现出不可克服的难题。以电流互感器CT为例，在大容量、超高压电力系统中，一次系统短路电流数值很大，含有大量非周期分量，铁芯过度饱和，励磁电流成几十倍甚至几百倍的增大，引起CT二次电流数值和波形的严重失真［1～2］。为此，人们在改造传统CT的同时，还在寻求新的传感原理，以求彻底避开传统CT存在的问题。在这个过程中，光学的方法越来越受到人们的重视。因此，开发光电互感器可从根本上解决传统互感器存在的问题，成本低、效率高、可促使传统产品的更新换代。
 1 基本原理
光纤互感器分为传感型及传光型(或称混合式)。前者研究较多，统计资料表明，到90年代末，国外已完成挂网试验并有产品面世，国内也开始有样机挂网试验，但受环境影响大、温度特性差等影响［3］。本文介绍的新型的传光型混合式光纤电流互感器见图1。
当被测电流i通过罗柯夫斯基(Rogowski)线圈时，在线圈出线端感应出电势e,e与初级电流i的变化率di/dt成比例。该信号经积分器得到一个与i成比例的电压信号；将该电压信号经A/D转换成数字信号后，再经E/O调制成光信号，经光纤送到低电位；在低电位端，经O/E光电变换后，对信号进行处理，还原成电流信号，或直接将数字信号送到上位计算机进行处理。
2 硬件设计
 2.1 罗柯夫斯基线圈的设计
罗氏线圈为一空心环形线圈，被测电流从线圈中心穿过，由电磁感应在二次线圈中得到电压信号。这种传感器可达到0.1%的测量精度［4］。由于没有铁心，不存在铁磁饱和问题，测量范围几乎不受限制。截面为矩形的罗氏线圈结构见图2，将测量导线均匀绕在截面均匀的非磁性材料的骨架上，可构成罗氏线圈。
根据电磁感应和全电流定律： 
式中，i为导体中流过的瞬时电流，A；μ0为真空磁导率，4π×10-7H／ｍ；N为罗氏线圈匝数；h为骨架高度；R2为骨架外径，m；R1为骨架内径，m。
绕组互感M为：
M=(μ0Nh／2π)ln(R2/R1）
得到Rogowski线圈的感应电势为：
e(t)=-Mdi／dt
即e与i为微分关系，e的波形一般不代表被测电流i的波形，相位相差90°。但e积分后的波形与i同相，其数值比例于i，故测量系统中须增加积分环节。
罗氏线圈是靠电磁感应原理来测量电流的，较强的外磁场将对其二次绕组和测量回路产生干扰，故需屏蔽罗氏线圈，以减小测量误差。
2.2 积分器
积分器是一个重要环节，积分信号精确才能保证后面信号数字变换的准确及整个系统的精度。图3为简单的RC积分电路，其传递函数为：
U0（ｓ）／Ui（ｓ）＝1／（1＋RCｓ）
式中：Ui、U0分别为积分器的输入、输出信号；R、Cｓ分别为积分器的电阻、电容。
本系统中，Ui（t）即为罗氏线圈输出e(t)，故：
U0（t）＝－（M／RC）i（t）
在具有同样的R、C值时，无源积分器只有对其频率比1/RC大的信号才可得到近似的积分关系，有源积分器则没有这个限制。实际系统中采用图4所示的有源积分器。
为解决系统中积分器的运算放大器漂移问题。选择元器件时尽可能选输入失调电压小的高性能运放，在积分电容两端并联大电阻，使电路对直流是一个闭环的负反馈系统，可大大减小失调电压的影响。另在分合操作或系统发生短路故障时会在初级回路中产生陡峭的电流波形，在罗柯夫斯基线圈的出线端产生高电压，为此需采取措施保护积分器及其后的电子回路。在本系统中采用了两套积分器，用于正常情况下的测量及故障时的保护，对这两个通道，根据使用中的不同要求，在电路上分别处理。
2．3 E/O转换
将积分信号作A/D转换后成为数字信号，通过一定的功率放大后即可驱动发光器件，将信号转化为光信号经光纤送到低压端。E/O变换抗干扰能力强，在电力系统中，由于存在电磁干扰，采用E/O转换能提供其它类型变换器所无法达到的性能［5］。
2．4 电源部分
解决高压端的电源是一个技术难题。在设计中，高压端的电源直接从电网上通过一个特制电源CT获得，该CT处在高压端，绝缘要求低，大大简化其设计。设计要考虑：一是在系统电流很小时提供足够大的功率，以驱动处于高压端的电子线路；二是在系统出现短路大电流时，能吸收多余的能量，给电子线路提供一个稳定的电源，其本身也要保证不因电动力而损坏。
2．5 低压端信号处理
信号经光纤传送到低压端后可作两方面的处理：一是通过电子线路将信号还原为电流信号，供测量和保护装置用；二是将信号直接通过通讯口，送到控制室的计算机进行处理。根据实际需要，在低压端可提供模拟信号和数字信号接口，本系统同时设计了这两种接口。
3 实验研究
设计的混合式光纤电流互感器样机，额定电压110 kV，额定频率50 Hz，一次侧额定电流400 A，罗氏线圈额定输出400 mV。
 手工绕制了截面为圆形罗氏线圈，木制骨架尺寸为：截面小直径d＝20mm，平均大直径D＝100 mm，见图5。 用直径 0.3 mm的漆包线绕2500匝，其互感M=(μ0N／2)·(d2／√D2＋ｄ2)［6］，初步试验主要包括：罗氏线圈电流响应和积分器特性试验。使用工频电流源，积分器参数取R=10 k,C=0.1μF，试验结果见表1。
表中所有数值均为均方根值，测量表计为四位半数字电压、电流表，相对误差<0.5%。
 图6显示Rogowski线圈和积分器的线性度良好。波形记录表明，积分器的输出信号与实验电流源信号的相角差＜60′，相位基本一致。
4 结语
a.罗柯夫斯基线圈传感器测量精度可高达0.1%。测量范围几A～几百kA，并可准确测量出大的非周期分量而没有铁芯饱和问题。
b.新型互感器体积小，重量轻，绝缘结构更简单。
c.采用光纤传送信号，实现了高、低压端的隔离，组成了可靠的绝缘良好的非接触测量系统。
d.可方便地提供模拟传统CT输出电流信号及与上位机通信的数字信号。
参考文献
1 李开城等.从电磁式电压互感器到光电式电压互感器.变压器，1995，11(1)：6
2 刘从爱.互感器与相序过滤器.北京：水利电力出版社，1991
3 李红斌等.光学电流互感器的研究进展.电工技术杂志，1997，(1)：7
4 Ljubomir Kojovic. Rogowski coils suit relay protection and measurement. IEEE Computer Application in Power. 1997，(7)：47
5 何立民.单片机应用系统设计.北京：航空航天大学出版社，1993
6 П．Л．卡兰塔罗夫，Л．А．采伊特林著，陈汤铭等译.电感计算手册.北京：机械工业出版社，1992
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