光學(xué)互感器在智能變電站的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

王 謙，陸宇航，劉 勇，趙雪騫，周 愷，葉 寬

（1.國(guó)家電網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院，北京 100075；2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072）

光學(xué)互感器在智能變電站的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

王 謙1，陸宇航1，劉 勇2，趙雪騫1，周 愷1，葉 寬1

（1.國(guó)家電網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院，北京 100075；2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072）

光學(xué)互感器作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，在智能變電站建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮舉足輕重的作用。本文介紹了光學(xué)互感器在智能變電站中的測(cè)量原理、技術(shù)方案與應(yīng)用情況，從安全性、可靠性、抗干擾性、測(cè)量準(zhǔn)確性、智能化與集成化等方面詳細(xì)分析了光學(xué)互感器的技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展前景。通過(guò)總結(jié)光學(xué)電流與電壓互感器的技術(shù)難題及解決方案，從技術(shù)路線、可靠性提升、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、質(zhì)量把控與應(yīng)用規(guī)模等不同層面探討了光學(xué)互感器的發(fā)展機(jī)會(huì)與前景。

智能變電站；光學(xué)互感器；應(yīng)用現(xiàn)狀；技術(shù)難題；發(fā)展前景

互感器作為電力系統(tǒng)測(cè)量設(shè)備，是繼電保護(hù)及控制的信息基礎(chǔ)，直接影響高壓電力的安全、可靠、穩(wěn)定、有效運(yùn)行[1-3]。近年來(lái)，我國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展迅速，處于世界先進(jìn)水平，電子式互感器是其關(guān)鍵技術(shù)之一[4-7]。其中，光學(xué)互感器基于光學(xué)測(cè)量原理，在安全性、無(wú)激光供能、可靠性、抗干擾、暫態(tài)特性、集成一體化、交直流準(zhǔn)確測(cè)量、智能化等方面具有突出優(yōu)勢(shì)，為業(yè)界公認(rèn)的發(fā)展方向[8-12]。

從2008年開(kāi)始應(yīng)用，截止到目前，光學(xué)互感器已應(yīng)用于我國(guó)近80座智能化變電站，總數(shù)超過(guò)2 000相，應(yīng)用時(shí)間超過(guò)6年。光纖互感器理論的發(fā)展與光導(dǎo)纖維制造技術(shù)的完善以及掛網(wǎng)運(yùn)行和測(cè)試，極大地推動(dòng)了我國(guó)光學(xué)互感器的發(fā)展，為光學(xué)互感器進(jìn)一步實(shí)用化和普及化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[13]。

本文介紹了當(dāng)前光學(xué)互感器在智能變電站的應(yīng)用與發(fā)展情況，總結(jié)分析了光學(xué)互感器的技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)難題與解決方案，并對(duì)未來(lái)智能變電站中光學(xué)互感器的相關(guān)研究、技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。

1 光學(xué)互感器技術(shù)方案及應(yīng)用情況

1.1 光學(xué)電流互感器

圖1給出了全光纖電流互感器FOCT（fiber optical current transformer）測(cè)量原理及技術(shù)方案。如圖1（a）所示，F(xiàn)OCT是基于法拉第磁光效應(yīng)及安培環(huán)路定理的原理。當(dāng)一束偏振光沿著與電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向通過(guò)法拉第材料敏感光纖時(shí)，偏振光將產(chǎn)生法拉第旋光角φ，通過(guò)Sagnac干涉儀及閉環(huán)控制技術(shù)準(zhǔn)確測(cè)量該旋光角從而測(cè)量一次電流。FOCT具體實(shí)施的技術(shù)方案如圖1（b）所示，傳輸載體與傳感器件均采用光纖，傳感光纖環(huán)繞在被檢測(cè)導(dǎo)體的周圍，通電導(dǎo)體周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)將影響光纖中的檢測(cè)信號(hào)光，利用光的偏振特性，通過(guò)測(cè)量法拉第偏轉(zhuǎn)角來(lái)間接地檢測(cè)載流導(dǎo)體上電流的大小[14-17]。

圖1 FOCT測(cè)量原理及技術(shù)方案Fig.1 Measuring principle and technical plan of FOCT

FOCT裝配簡(jiǎn)單、靈活性好，很容易通過(guò)增減繞制匝數(shù)改變電流靈敏性，通常工程應(yīng)用方案可采用獨(dú)立支柱式，也可實(shí)現(xiàn)與氣體絕緣全封閉組合電器GIS（gas insulated switchgear）、隔離式斷路器DCB（disconnection circuit breaker）、罐式斷路器、變壓器、開(kāi)關(guān)柜等高壓設(shè)備的一體化集成，如圖2所示。

圖2 110 kV GISFOCT應(yīng)用Fig.2 Application of 110 kV GIS

圖3 OVT測(cè)量原理及技術(shù)方案Fig.3 Measuring principle and technical plan of OVT

1.2 光學(xué)電壓互感器

圖3給出了光學(xué)電壓互感器OVT（optical voltage transformer）的測(cè)量原理及技術(shù)方案?；赑ockels電光效應(yīng)，當(dāng)偏振光在與高電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)方向垂直的電光晶體中傳播時(shí)，偏振光產(chǎn)生相位差Δφ，通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量該相位差從而測(cè)量一次電壓。OVT技術(shù)方案如圖3（b）所示，采用保偏光纖連接高壓側(cè)傳感單元與低壓側(cè)光電單元，由電氣單元探測(cè)干涉光強(qiáng)信號(hào)并通過(guò)處理輸出數(shù)字信號(hào)[18-20]。

OVT工程應(yīng)用方案既可采用獨(dú)立支柱式，也可采用獨(dú)立罐體式及嵌入式與GIS集成，如圖4所示。

圖4 OVT GIS集成應(yīng)用Fig.4 Application of GIS OVT

2 光學(xué)互感器的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展情況

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

1）安全性

光學(xué)互感器采用全光纖測(cè)量方案，高壓側(cè)與低壓側(cè)通過(guò)傳感光纖連接，從根本上實(shí)現(xiàn)高壓光電隔離，無(wú)電磁能量傳遞，非介入式光學(xué)傳感，有效解決傳統(tǒng)電磁式互感器爆炸、諧振、二次開(kāi)路、二次短路等危險(xiǎn)[21]。

2）可靠性

高壓側(cè)僅一根無(wú)源敏感光纖，無(wú)需高壓激光供能，可靠性高。通過(guò)加速老化壽命試驗(yàn)，一次敏感光纖常溫下壽命150 a，85℃下壽命35 a，并且一次敏感光纖可實(shí)現(xiàn)冗余備份，特別是與DCB、GIS集成，能夠與高壓一次設(shè)備壽命匹配，確保一次側(cè)高可靠性，二次側(cè)光電子器件壽命可達(dá)10 a[22]。

3）抗干擾性

光學(xué)互感器無(wú)一次采集模塊，信號(hào)敏感和傳輸均通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)，能夠從根本上隔離高壓一次側(cè)的雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓、快速暫態(tài)過(guò)電壓VFTO（very fast transient overvoltage）的干擾問(wèn)題[23]。

4）測(cè)量準(zhǔn)確性

光學(xué)互感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量交流、直流及高次諧波，并且暫態(tài)特性優(yōu)異，能夠滿足現(xiàn)有的繼電保護(hù)及測(cè)控要求。光學(xué)電壓互感器無(wú)需電容分壓，暫態(tài)特性優(yōu)異，準(zhǔn)確級(jí)0.2/3P[24]。

5）智能化

光學(xué)互感器真正實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備智能化，具有故障自診斷、在線實(shí)時(shí)報(bào)警功能，避免了由于互感器自身故障引起保護(hù)誤動(dòng)作。一次部分高可靠，并具有冗余設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。二次部分的故障，可實(shí)現(xiàn)高壓帶電維修[25]。

6）集成化

光學(xué)互感器安裝方式靈活，可與DCB、GIS、變壓器、罐式斷路器、開(kāi)關(guān)柜、發(fā)電機(jī)等高壓一次設(shè)備高度集成，大幅度節(jié)約占地[26]。

2.2 發(fā)展情況

光學(xué)互感器在傳感技術(shù)路線、Sagnac干涉微弱信號(hào)檢測(cè)、閉環(huán)控制技術(shù)、溫度等誤差抑制技術(shù)、光纖工藝、核心光學(xué)元器件、質(zhì)量保障體系及產(chǎn)業(yè)鏈上與光纖陀螺基本相同，二者原理框圖對(duì)比如圖5所示。光學(xué)電流互感器與光纖陀螺區(qū)別在信號(hào)敏感光纖環(huán)，在光電模塊信號(hào)解調(diào)及處理部分相同（圖5中左側(cè)框中所示），主要體現(xiàn)在以下幾方面。

圖5 原理框圖對(duì)比Fig.5 Comparison of principle diagram

1）光路實(shí)現(xiàn)

測(cè)量光路與光纖陀螺在信號(hào)敏感部分不同，主要的光路在二次端，光學(xué)互感器與光纖陀螺相同。

2）微弱信號(hào)檢測(cè)

光纖陀螺和光學(xué)互感器均通過(guò)檢測(cè)偏振光的相位差實(shí)現(xiàn)信號(hào)測(cè)量，相位差無(wú)法直接測(cè)量，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)偏振光干涉的光強(qiáng)間接測(cè)量相位差。最小敏感的相位差所對(duì)應(yīng)的光程差約為0.01 nm，接近氫原子直徑的1/100。常規(guī)方法無(wú)法測(cè)量，需要通過(guò)Sagnac干涉儀實(shí)現(xiàn)微弱敏感信號(hào)的檢測(cè)，且采用±π/2偏置，通過(guò)相干信號(hào)檢測(cè)，提高信號(hào)檢測(cè)靈敏度。目前能夠達(dá)到的敏感度為10-6π[27]。

3）雙閉環(huán)控制

光學(xué)互感器和光纖陀螺均采用閉環(huán)控制技術(shù)，如圖6所示。第1閉環(huán)用于提高靈敏度，保障在700 kA測(cè)量范圍內(nèi)的線性度；第2閉環(huán)用于消除相位調(diào)制器的半波電壓漂移，確保高低溫產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性[28]。

圖6 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of dual-loop control system

該控制技術(shù)包括方波調(diào)制、四態(tài)調(diào)制、隨機(jī)調(diào)制等，技術(shù)已經(jīng)成熟，但對(duì)線性度、重復(fù)性、零位及零位穩(wěn)定性等方面仍然需要深入研究。

4）核心光學(xué)器件

光纖陀螺和光學(xué)互感器核心光學(xué)元器件相同，均采用SLD光源、探測(cè)器、保偏耦合器、光學(xué)相位調(diào)制器、保偏光纖，且技術(shù)參數(shù)指標(biāo)基本相同。特別是大部分核心器件，均在光纖陀螺牽引下，技術(shù)已經(jīng)完備，并全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化[29]。

5）光路工藝

在光路繞制、光路固化、尾纖處理、熔接對(duì)軸等核心光路工藝上，均基本一致。通過(guò)幾十年在陀螺領(lǐng)域的技術(shù)積累，在工藝方法與設(shè)備制造上均已經(jīng)完備[30]。

6）誤差機(jī)理及抑制方法

在誤差機(jī)理方面，均可通過(guò)ALLAN方差進(jìn)行識(shí)別，并在噪聲機(jī)理、誤差抑制方法等方面均基本相同。目前光纖陀螺技術(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度國(guó)內(nèi)最高達(dá)0.001°/h，光學(xué)互感器（電流參數(shù)為600 A和0.2 s）的測(cè)量準(zhǔn)確度相當(dāng)于1.0°/h陀螺水平，因此光學(xué)互感器技術(shù)完全可借鑒高精度軍工陀螺技術(shù)，測(cè)量準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性具備很大的優(yōu)勢(shì)。

7）產(chǎn)業(yè)鏈及質(zhì)量保障

光學(xué)互感器與光纖陀螺在上游核心元器件產(chǎn)業(yè)鏈相同，產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)完備，且在核心元器件有軍工質(zhì)量保障體系，確保了這些核心器件的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性[31]。

光學(xué)互感器產(chǎn)品工程化技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，其準(zhǔn)確度、溫度、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題均從元器件、工藝、光路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)榷喾矫娼鉀Q。在與高壓設(shè)備GIS、DCB、罐式斷路器、變壓器等安裝集成、施工、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、故障處理等多方面逐步完善，特別是實(shí)現(xiàn)光學(xué)互感器在線自診斷功能，有效避免因光學(xué)互感器異常而導(dǎo)致的誤動(dòng)。

3 光學(xué)互感器的技術(shù)難題與解決方案

表1和表2給出了近年來(lái)光學(xué)互感器（FOCT和OVT）在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的主要技術(shù)難題及解決方案。光學(xué)互感器在應(yīng)用過(guò)程中主要解決溫度穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性，在核心技術(shù)、工程應(yīng)用技術(shù)、環(huán)境適應(yīng)性、長(zhǎng)期可靠性技術(shù)等方面，光學(xué)互感器不斷借鑒軍工陀螺技術(shù)并加以改進(jìn)，技術(shù)水平得到很大提升，關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)均獲得突破，能夠滿足智能變電站要求，提供堅(jiān)強(qiáng)支撐。但是從整體來(lái)看，光學(xué)互感器廠家技術(shù)水平及質(zhì)量保障能力參差不齊，需要嚴(yán)格對(duì)廠家把關(guān)。

表1 FOCT技術(shù)難題及解決方案Tab.1 Technical problems and solution plan of FOCT

表2 OVT技術(shù)難題及解決方案Tab.2 Technical problems and solution plan of OVT

4 光學(xué)互感器的發(fā)展機(jī)會(huì)與前景

1）把握技術(shù)路線

FOCT在光纖傳感技術(shù)路線、核心光學(xué)元器件、信號(hào)檢測(cè)、工藝及生產(chǎn)模式與光纖陀螺基本相同，技術(shù)方案及產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)完備。FOCT工程大量應(yīng)用，可靠性較高，無(wú)激光供能問(wèn)題，抗電磁干擾性能好，暫態(tài)特性好，集成度高，是互感器的發(fā)展方向。

OVT通過(guò)雙極相位干涉式光路及等勢(shì)腔等技術(shù)，解決了長(zhǎng)期穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性等問(wèn)題。在工程上得到驗(yàn)證，技術(shù)路線可行，能夠解決電容分壓的安全性、暫態(tài)特性差等問(wèn)題，具有突出的技術(shù)和可靠性優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)智能變電站最佳的選擇路線。

2）提升產(chǎn)品性能可靠性

光學(xué)互感器通過(guò)國(guó)網(wǎng)公司中國(guó)電科院新一代關(guān)鍵技術(shù)課題牽引，產(chǎn)品可靠性得到提升，并通過(guò)大量的工程應(yīng)用進(jìn)行問(wèn)題改進(jìn)，產(chǎn)品能夠滿足現(xiàn)有智能變電站的需求。

3）加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)

由于全FOCT不存在高壓電磁干擾導(dǎo)致的AD故障模式，AD抗干擾可靠性更高，并且內(nèi)部自診斷能夠完全覆蓋AD故障并報(bào)警，所以傳統(tǒng)互感器及有源式電子式互感器的雙AD要求對(duì)FOCT不適應(yīng)，大大增加了變電站投資成本，因此建議FOCT配置按照保護(hù)配置要求，單套保護(hù)配置單光路，雙套保護(hù)配置雙光路，滿足繼電保護(hù)可靠性要求，同時(shí)減少變電站投資，推動(dòng)行業(yè)健康發(fā)展。

同時(shí)，由于目前在制定電子式互感器與合并單元通訊協(xié)議時(shí)，各個(gè)廠家均采用私有協(xié)議，不能滿足變電站通常合并單元需要接入多家互感器要求，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品不具備互換性，在性能檢測(cè)方面也大大增加了工作量。因此，需要統(tǒng)一互感器與合并單元通訊協(xié)議，增加產(chǎn)品的互換性，將合并單元與互感器獨(dú)立招標(biāo)采購(gòu)，分別檢測(cè)，與實(shí)際工程應(yīng)用相適應(yīng)。

4）加強(qiáng)質(zhì)量把控

FOCT技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)完備，但是廠家質(zhì)量把控能力參差不齊，有的廠家產(chǎn)品技術(shù)不成熟，質(zhì)量把控不到位，影響了行業(yè)健康發(fā)展，因此需要提高工程產(chǎn)品入圍門檻，確保工程質(zhì)量及行業(yè)健康發(fā)展。

5）逐步擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模

光學(xué)互感器技術(shù)總體基本成熟，但在工程化應(yīng)用技術(shù)方面還需要通過(guò)應(yīng)用來(lái)完善，特別是質(zhì)量需要量的暴露和提升，把握好技術(shù)路線方向，積極穩(wěn)妥地推進(jìn)光學(xué)互感器應(yīng)用，特別是在超高壓、特高壓上技術(shù)優(yōu)勢(shì)和性價(jià)比優(yōu)勢(shì)更突出，需要逐步擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模。

光學(xué)互感器目前應(yīng)用量較少，導(dǎo)致成本較高。如果應(yīng)用量達(dá)10 000相，其直接材料成本能夠較大幅度下降，在110 kV、220 kV達(dá)到常規(guī)互感器水平，在超高壓、特高壓成本低于傳統(tǒng)互感器。

5 結(jié)語(yǔ)

光學(xué)互感器能夠解決傳統(tǒng)互感器在超高壓、特高壓應(yīng)用領(lǐng)域的缺點(diǎn)與不足，是智能變電站建設(shè)的重要環(huán)節(jié)與關(guān)鍵技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景與巨大的市場(chǎng)效益，但其存在的成本、性能、質(zhì)量等方面的問(wèn)題阻礙了其發(fā)展與推廣。因此，需要結(jié)合當(dāng)前光學(xué)互感器的應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)難題，把握好其今后發(fā)展的技術(shù)路線，不斷提升產(chǎn)品性能，加強(qiáng)質(zhì)量把控與標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，逐步擴(kuò)大其應(yīng)用規(guī)模，充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用價(jià)值。

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關(guān)于論文摘要和關(guān)鍵詞

1 摘要

（l）摘要的內(nèi)容包括研究的目的、方法、結(jié)果和結(jié)論，篇幅以200字左右為宜。

（2）摘要應(yīng)具有獨(dú)立性和自明性，應(yīng)是一篇完整的短文。一般不分段，不用圖表和非公知公用的符號(hào)或術(shù)語(yǔ)，不得引用圖、表、公式和參考文獻(xiàn)的序號(hào)。

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摘編于《中國(guó)高等學(xué)校自然科學(xué)學(xué)報(bào)編排規(guī)范》（修訂版）

Application Status and Development Prospect of Optical Transformer in Smart Substation

WANG Qian1，LU Yuhang1，LIU Yong2，ZHAO Xueqian1，ZHOU Kai1，YE Kuan1
（1.State Grid Beijing Electric Power Research Institute，Beijing 100075，China；2.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

As one of the key equipments in smart grid，optical transformer is widely applied in the construction of smart substation and plays a decisive role.In this paper，the measurement principle，technical plan and application status of optical transformer in smart substation are introduced.From the aspects of security，reliability，anti-interference，measurement precision，intellectualization and integration，the technical characteristics and development prospects of optical transformer are analyzed in detail.The technical problems and related solutions of both optical current transformer and optical voltage transformer are summarized，and the development opportunities and prospects are discussed from different aspects，including technical route，reliability promotion，standardization，quality control and application scope.

smart substation；optical transformer；application status；technical problem；development prospect

TM615

A

1003-8930（2016）12-0089-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.12.015

王 謙（1984—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事輸變電設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與試驗(yàn)方面的研究工作。Email：wang312412@sina.com

陸宇航（1973—），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事輸變電設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與試驗(yàn)方面的研究工作。Email：lyh-1323@163.com

劉 勇（1980—），男，博士，副教授，主要從事輸變電設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與試驗(yàn)方面的研究工作。Email：tjuliuyong@tju.edu.cn

2016-03-25；

2016-06-07

參考文獻(xiàn)：國(guó)家電網(wǎng)公司科技資助項(xiàng)目（52020116000A）