摘要：本文对光电传感技术的基本原理进行分析，结合光学电流互感器国内外研究进展，分析光电传感技术在电力系统应用中所面临的问题及关键技术；针对光电传感器与电磁式互感器在传感特性上的差异，分析光学电流互感器对保护、测控和计量等系统的影响，并探讨相应的关键技术；结合电力系统的发展，展望光学电流互感器技术的机遇、挑战及应用前景。
关键词：光学电压互感器；研究进展；发展方向
1.光学电流互感器的基本特性
光学传感技术与故障诊断技术的结合为电力主设备的安全可靠运行提供了全新的监测手段，大大提高了电力主设备的运行管理水平。光纤数据通信网络将逐步取代微波、载波等传统通信方式，成为电力系统通信的主干网络，将原来分布的、孤立的各发、变、配、送和用电系统融合为一个整体。数字化、智能化电子设备和数字继电保护装置的广泛应用，在保持原有功能的基础上，提供了系统功能扩展和集成的良好平台。光学传感技术以体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强和绝缘性好等优点，其发展空间相当广阔，光电技术的应用使得传统电力系统工业面临一场重大的技术变革。光学电流互感器具有如下优点：1）优良的绝缘性能，造价低。2）不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。3）抗电磁干扰性能好，低压侧无开路和短路危险。4）暂态响应范围大，测量准确度高。5）频率响应范围宽。6）没有因充油而产生的易燃、易爆等危险。7）适应了电力计量与保护数字化、计算机化、自动化和智能化的发展。
2.光学电流互感器的基本原理
2.1反射型光纤电流互感器
反射型结构的光纤电流互感器：光源发出的光经过起偏器起偏为线偏光，通过45°熔接点分成偏振方向相互垂直的两束光，它们在进入传感头之前被1/4λ波片转换成左、右旋圆偏振光，经历一次法拉第（Faraday）磁光效应后被反射镜反射再次经历Faraday磁光效应，然后通过1/4λ波片转换成线偏振光返回偏振器进行干涉。由于干涉的两束光都两次经历Faraday旋转，因此其相位差为4倍的Faraday相移，即同等情况下其灵敏度为Sagnac结构的2倍，灵敏度较高。由于反射结构两束干涉信号在同一根光纤中传输，因而会降低外界因素的干扰，而且不受Sagnac效应的影响。另外反射结构使用的器件较少，稳定性较好。但是在实际应用中，由于两束正交偏振光波在同一根光纤中传播且同时受到调制。因此，需要使用双折射调制器，而一般的相位调制器只考虑单轴调制或是两轴调制一致，不易实现双轴调制。而且双轴调制（如PZT调制）容易产生一些寄生效应（包括双轴调制延时和偏振耦合效应等），从而对输出信号产生一定影响。
2.2Sagnac型光纤电流互感器
Sagnac结构的光纤电流互感器的原理图中，其光路结构类似于光纤陀螺，也是非互易性光路。光源发出的光经过起偏器起偏为线偏光，通过耦合器分成两路，分别被1/4λ波片转换成左、右旋圆偏振光沿相反方向进入传感头，Faraday效应使其两束圆偏振光的偏振面发生旋转，然后再次经过另一个1/4λ波片重新转换成线偏振光返回进行干涉。由于干涉的两束光偏振面旋转的角度大小相等方向相反，因此其相位差为两倍的Faraday相移，因此相同圈数的传感光纤时的灵敏度提高一倍。
另外由于采用了调制器，只需检测输出光的相位差就能得出待测电流，因此功率波动对系统的影响较小，系统的稳定性较高。
采用Sagnac环结构的光纤电流互感器，容易受到Sagnac效应的影响，Sagnac效应与Faraday效应一样均产生非互易相移，检测时分辨不出，从而产生测量误差，降低系统的稳定性。另外，系统中需要两个1/4λ波片，它们的不完备性（延时偏离90°），以及主轴之间的相对夹角会对系统输出产生较大影响。光学电流互感器的研究进展国外光学电流互感器（OpticalCurrentSensor，OCS）的研究始于20世纪60年代末和70年代初，到80年代和90年代初OCS已经开始了产品化研究，目前许多大公司已经形成了成套产品。具有关资料统计，到1999年底，大约有2000多台OCS挂网试运行。早在1978年，美国西屋电气公司就研制出用于500kV的OCS，其准确度为：比差±0.3%、角差±5'、量程3kA，挂网试运行一年。美国五大电力公司各自在1982年左右成立了OCS专题小组，且研制成功了161kV独立式OCS（1986～1988）。在1989年5月至1992年又成功地研制了最高工作电压为345kV，测量范围为2～20kA，准确等级为0.3级的计量用和保护用OCS，且挂网试运行。1991年6月ABB电力T&D有限公司公布了用于345kV变电站计量和保护的OCS系统，在运行4个月后，与标准CT比较，误差仅0.4%。到1994年ABB公司不仅拥有多种电压等级的交流数字光电式OCS，也开发出直流数字式OCS，并在多个地区挂网运行。日本也是较早开始OCS研究的国家之一。日本除研究500kV、1000kV高压计量用OCS外，还进行500kV以下直到6600V电压等级的GIS用或零序电流、电压光电传感器。东方电气公司和东芝公司合作，1987年8月～1989年3月研制的GIS设备用OCS在制造厂条件下长时间进行试验，运行稳定，试验数据皆符合JGC1201标准，并在1989年末通过试验鉴定。NxtPhaseT&DInc.（2009年1月被ArevaT&D收购）采用Honeywell的光纤陀螺仪及光学电流互感器的关键技术，该公司研制的光学电流互感器在－50～65℃温度范围内已达到0.2s级的精度，频带宽度可达20kHz，最大测量电流216kA，至今取得了如下业绩：873套在19个国家运行于69～550kV电网；应用于交流测量、直流测量、柔性传感、大直流电流测量（OEMtoDynAmp）、GIS以及远距离埋地电缆保护8km（2009美国新业务）。紧跟国外先进技术，北京航空航天大学、东南大学、南瑞航天和许继集团有限公司等国内科研院所均开展了光学电流互感器的研究，由于漂移、重复性和稳定性等方面的问题，所研制OCS处于挂网试运行阶段，正在向工程方向努力。
结束语：光学互感器克服了传统互感器的弱点，适应了计算机保护、电力计量数字化、智能化及自动化发展的潮流，具有广阔的应用前景。采用光电传感器和基于光纤通信、数字信号的新型二次回路，并和数字保护和控制设备构成新型的变电站自动化系统，代表了电力系统自动化技术的发展趋势，是提高电力系统安全稳定运行水平的有效途径。经过多年的研究，我国在这方面取得了一定的进步，已经研究出OCS样机，也逐步挂网试运行。但是，国内无论是从技术角度和研究水平都比国外落后，如何提高互感器测量准确度，如何提高互感器长期稳定性、可靠性和重复性等研究仍存在很大的不足。随着光学电流互感器、光学电压互感器等光电传感技术研究的深入，必将对智能电网的发展起到巨大的推动作用。
参考文献：
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