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浅谈光学互感器

2016-9-26 16:01:45  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

  光学电子式电流互感器是利用法拉第(Faraday)磁光效应感应被测信号,传感头部分分为块状玻璃和全光纤2种方式。光学电子式电压互感器利用泡克耳斯效应(Pockels)电光效应或基于逆压电效应或电致仲缩效应感应被测信号,现在研究的光学电压互感器大多是基于泡克耳斯效应。光学电子式互感器传感头部分不需要复杂的供电装置,整个系统的线性度比较好。

  一、光学互感器的原理

  1.法拉第效应

  法拉第效应(又叫法拉第旋转)是一种磁光效应,是在介质内光波与磁场的一种相互作用。法拉第效应会造成偏振平面的旋转,这旋转与磁场朝着光波传播方向的分量呈线性正比关系。

  法拉第磁光效应:

  式中:βF——线偏光振动平面偏转角;V——法拉第常数;H——磁场强度;l——偏振光在平行于磁场中前进的距离;N——敏感路径的匝数;I——电流强度。

  2.泡克耳斯效应和克尔效应

  某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性的效应。折射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为泡克耳斯(Pockels)效应或线性电光效应;折射率与所加电场强度的二次方成正比改变的为克尔(Kerr)效应或二次电光效应。

  通过测量入射光和折射光的角度就能确定电场强度或电压。

  二、光学互感器的优点

  1.光学互感器高低压完全隔离,安全性高,具有优良的绝缘性能,传统电磁式互感器的被测信号与二次线圈之间通过铁芯耦合,绝缘结构复杂,其造价随电压等级呈指数关系上升。

  光学互感器将高压侧信号通过绝缘性能很好的光纤传输到二次设备,这使得其绝缘结构大大简化,电压等级越高其性价比优势越明显。光学互感器利用光缆而不是电缆作为信号传输工具,实现了高低压的彻底隔离。

  传统电磁式互感器由于使用了铁芯,不可避免地存在磁饱和及铁磁谐振等问题。光学互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别,一般不用铁芯做磁耦合,因此消除了磁饱和及铁磁谐振现象,从而使互感器运行暂态响应好、稳定性好,保证了系统运行的高可靠性。

  2.抗电磁干扰性能好,低压侧无开路高压危险

  传统电磁式电流互感器二次回路不能开路,低压侧存在开路危险。光学互感器的高压侧和低压侧之间只存在光纤联系,信号通过光纤传输,高压回路与二次回路在电气上完全隔离,互感器具有较好的抗电磁干扰能力,低压侧无开路引起的高电压危险。

  3.动态范围大,测量准确度高,频率响应范围宽

  电路正常运行时电流互感器流过的电流不大,但短路电流一般很大。传统电磁式电流互感器因存在磁饱和问题,难以实现大范围测量,同一互感器很难同时满足测量和保护的需要。光学互感器有很宽的动态范围,可同时满足测量和保护的需要。

  光学互感器的频率范围主要取决于相关的电子线路部分,频率响应范围较宽。光学互感器可以测出高压电力线上的谐波,还可以进行电网电流暂态、高频大电流与直流的测量,而传统电磁式互感器是难以进行这方面工作的。

  4.数据传输抗干扰能力强

  传统电磁式互感器传送的是模拟信号。当多个不同的装置需要同一个互感器的信号时,就需要进行复杂的接线,这种传统结构不可避免地会受到电磁场的干扰。光学互感器输出的数字信号可以很方便地进行数据通信,光纤传感器和光纤通信网有很强的抗电磁干扰性能。

  光学互感器以其优越的性能、适应了数字化、智能化和网络化发展的需要,并具有明显的经济效益和社会效益,对于保证日益庞大和复杂的电子系统安全可靠运行并提高其自动化程度具有深远的意义。

  表1、表2是电磁式和光学式电流电压互感器的性能比较。

缺插图!

  表1 电磁式电流互感器和光学式电流互感器性能比较

  三、光学互感器存在的主要问题

  1.温度影响。温度的变化会导致光路系统的变化从而引起光学晶体除具有电光效应外的弹光效应、热光效应等干扰效应,导致绝缘子内光学电压传感器的工作稳定性减弱。温度对光学互感器测量误差的影响,一直是人们讨论的热点,在实际应用中,对于温度变化所产生的测量误差的影响,应提高光路系统(如光电二极管)的抗干扰能力。如使用温度稳定性好,且波长漂移小的发光光源、纯净且经过多次提拉的电光晶体等,在提高温度稳定性的研究中,近年来备受国内外学者关注的有温控法、双光路温度补偿法,双晶体温度补偿、硬件电路补偿和软件补偿等方法。

  2.双折射效应。由于磁光材料的双折射效应,使射入磁光介质的线性偏振光变成椭圆偏振光,其结果是:从检偏器输出的光强度变化与被测电流不成正比,使光电式电流互感器的灵敏度不稳定,从而降低了光电式电流互感器的测量准确度。

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