光电式互感器

光电式互感器（精选九篇）

光电式互感器 篇1

关键词：光电式电流互感器,高压电能表,应用

随着电网中非线性负荷的增加, 产生的谐波现象日益加剧, 常规的电能表已无法满足计量谐波电能的需求。目前常规电能表一般采用传统电磁式电流互感器进行电流信号转换, 而传统电磁式电流互感器带铁芯、测量范围小、易饱和, 且易受电磁干扰。光电式电流互感器作为一种新型的电流互感器, 涉及光电、光纤传感技术和非线性光学信号等技术, 具有传统互感器所不具备的优势。

文章提出将光电式电流互感器应用于高压电能表, 介绍了高压电能计量、光电式电流互感器研究现状, 并在此基础上, 提出光电式新型高压电能表在实际运行中的应用。

1 高压电能计量现状

目前, 高供电能计量装置使用较多的是结合高压电压互感器、高压电流互感器、二次回路和电能表相连接的装置。这种计量方式存在一定的弊端: (1) 故障隐患多, 测量一个计量点需要多台互感器, 尤其是电压互感器, 受系统中多个因素 (如电磁谐振、过电压操作等等) 影响, 易出现熔断器被熔断甚至爆炸的现象; (2) 耗能过高; (3) 装置体积过大, 多台互感器之间要求一定安全距离, 同时还要求外部接地, 占地面积较大, 安装费用多; (4) 无法直接读取电量, 需根据互感器的倍率计算, 不利于管理; (5) 综合误差很大, 计量装置各组成部分都有系统误差, 安装过程中还会造成人为误差; (6) 无法防止窃电, 回路部分线路裸露在外面, 易发生窃电现象。

2 光电式电流互感器

光电式电流互感器是一种集光纤传感技术、光电技术、非线性光学及信号处理等多个学科的理论和应用于一体的新型互感器。利用光纤将一次侧的电流信号传输到二次侧的数据处理系统。

光电式电流互感器 (OCT) 涉及多个学科, 包括光纤传感和光电技术、非线性光学信号处理等理论。我国对该项技术的研究起步较晚, 于80年代开始进行理论研究, 90年代后与国外电力公司协同合作, 正式挂网试行, 目前我国OCT距离发达国家的仍有差距。

OCT可以分为有源型和无源型两种。有源型OCT又叫做电子式光纤电流互感器, 高压侧采用电子器件制成传感头, 利用光纤技术将高压侧光信号传递到低压侧。按信号调制方式和传感头处采样方式又可分为调幅电子式OCT、压频转换采样式OCT、ADC式OCT三种。有源型OCT结构简单、造价成本低、精度高、设备安装检修和维护简便, 运行时也非常安全, 稳定性好, 适用于自动化的高压电能计量。无源型OCT是不需要供电电源的测量装置, 采用法拉第磁光效应原理, 它的缺点是精度、稳定性易受温度、震动的影响。结合有源OCT和无源OCT特性, 高压电能表宜采用有源光电式电流互感器。

3 光电式新型高压电能表的应用

3.1 光电式新型高压电能表的系统设计和工作原理

光电式新型高压电能表包括三个组成部分, 高压侧组成部分、光纤传输部分、低压侧组成部分, 光电式互感器位于高压侧部分。

光电式新型的高压电能表采用了光电式互感器代替传统的电磁式互感器, 利用较弱的输出电流进行高压电能计量。高压电流传感器的取样回路与高压侧电流的微电流信号成正比, 而高压电压传感器的取样回路与高压侧电压的微电压信号成正比, 采集到微电压和微电流信号后, 经处理传送到电能计量的单元, 瞬间乘法器将电压和电流相乘输出一个直流电压, 这个电压与采集时间段内的平均功率成正比, 经变频器变换为相对应的脉冲序列, 再进行分频后显示出实时的电量。计量装置的工作电源采用电容取流电路提供的电源, 设计时计量单元与传感器结合在一起, 改变了传统方式, 按模块要求将传感器输出的信号输入到系统中直接得到可用的弱信号, 不用进行标准电压的二次转换。在高压侧即可完成计量, 通过光纤将数据传送到低压侧, 利用传感器将高压侧的电流电压信号转变成弱信号传送到低压侧, 保留了传统的读取数据形式。

3.2 光电式新型高压电能表的优点

3.2.1 安全性能高

与传统的电磁式互感器比较起来, 光电式互感器将高压侧和低压侧完全分离开来, 采用光作为能量来源, 因此高低压被完全地分离开, 从而安全等级提高, 电能表的安全性能也有所加强。

3.2.2 抗干扰能力强

传统的电磁式互感器的绝缘难度很大, 应用到高压电力系统中时要求更高, 需要增加很多辅助设备, 导致总体体积增加、重量加重、花费增多, 一旦出现问题, 还要投入更多的资金维护。光电式的新型电能表由于采用光信号进行信息传输, 可以简化互感器中的绝缘结构, 摒弃传统的电能表中比较复杂的结构, 具备了更好的绝缘性能, 性价比也有所增加, 提升了自身抗干扰能力, 从而测量的数据更加精确。

3.2.3 无磁饱和、谐振问题

传统的铁磁式互感器在使用中会出现铁芯饱和现象, 这时励磁电流便会超过规定的额定电流, 从而产生大量的热量, 严重时甚至会烧断线路, 从而影响电压表的正常工作。光电式的互感器中不存在铁芯, 故不会出现磁饱和或是铁磁谐振现象, 测量范围也更大, 同时减小了故障发生率。

3.2.4 无噪音、污染小

因单个互感器的测量范围有限, 传统的高压电能表为保证测量范围和精度, 需要多个电磁式互感器进行工作, 设备增加后不仅花费更多资金, 同时多项设备共同运行也会产生更多的噪音和污染。而光电式新型高压电能表在工作时噪音更小, 光电式的信号传输要比传统模式便捷, 不需要多个互感器, 减少了金属使用, 也减少了污染。

3.2.5 体积小、重量轻

新型的光电式高压电能表由于采用了光电式互感器会大大减小其自身体积, 光纤等材料的应用更是能减轻电能表的重量, 从而节省了运输费用。若是实际应用中出现了故障或是其他问题, 维护更方便。

3.2.6 适应智能化需要

目前, 国内外的电力系统总体设计都在向着数字化、信息化、智能化和网络化发展。作为电力系统中用于计量电能的装置, 电能表需朝智能化发展。传统的电磁式互感器应用的电能表已无法适应智能化要求, 光电式的新型电能表应运而生, 将之发展成数字化信息化的新型高端电气设备。

4 结束语

光电式电能表的应用解决了传统电能表中计量精度低、安全性差、体积过大、质量过重、抗干扰能力差等诸多问题, 同时还能进一步将高压电能表引入智能信息化的领域。但是我国的光电式新型高压电能表还没能根据各地区的不同标准进行普及, 还需要进一步的继续研发, 争取实现全国范围内的高压电能表光电化。

参考文献

[1]蒙媛.新型高压电能表原理及应用[J].中国新技术新产品, 2013 (03) .

[2]王月志.光电式电流互感器的研究[J].计量与测试技术, 2012 (06) .

[3]邸荣光, 刘仕兵.光电式电流互感器技术的研究现状与发展[J].电力自动化设备, 2006 (08) .

光电传感器工作原理 篇2

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

分类和工作方式

⑴槽型光电传感器

把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

⑵对射型光电传感器

若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

⑶反光板型光电开关

把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。

⑷扩散反射型光电开关

光电互感器技术分析 篇3

关键词：光电互感器,罗夫斯基线圈,泡克而斯效应,法拉第效应

1. 引言

光电互感器是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电力系统电压、电流测量的新型互感器它是光学电压互感器、光学电流互感器、组合式光学互感器等各种光学互感器的通称。随着电力工业的不断发展,电网电压等级的不断提高,电力工业对电压、电流的测量要求也在不断提高。互感器作为输电线路中最基本最重要的检测设备,其暴露出来的一系列缺点迫使一种安全、可靠、理论完善性能优越的新方法来实现高电压和高电流的测量。基于光学传感技术的光学电流互感器(Optical Current Transformer,OCT)和光学电压互感器(Optical Voltage Transformer,0VT)能有效地克服传统电磁式互感器所固有的缺点,同时更适应电力系统的智能化,并为计算机高速网络在实时系统中的开发利用,为变电站信息的采集、传输实现数字化处理提供了条件。光电互感器的诸多优点,近三十年来引起了世界各国的关注,尤其美国、法国、日本和中国的学者和工程技术人员都进行了深入的研究。

2. 光电互感器的产生与历史

早在20世纪60十年代,国外的诸多电气公司就开始了对光电互感器的相互研究,最早研制成功的是美国的西屋电气公司。但当时研制的基于法拉第光效应(电流互感器)和电光效应(电压互感器)的光电互感器还仅仅是纯光学式的光电元件,他受到温度限制无法达到户外环境下0.2级精度的要求。到了60年代,在世界范围内兴起了对光电式电流互感器应用的研究,70年代一度形成高潮,但当时仍处于初级阶段,温度等影响仍未得到较好的解决,精度比较低。直到上世纪80年代,随着电子技术的飞速发展,光电子技术、PC微机、单片机及数字处理器技术的兴起与成熟,为研制出高性能的光电互感器奠定了坚实的基础,电子式光电互感器得以研制成功,并逐渐开始投入使用。

1992年ABB公司的光电互感器在巴西电力系统投入应用,至今运行良好。SIMENS、ALSTOM等公司也相继研制成功并投入运行。到2000年,ABB公司已经研制出可用于69kV到765kV电压等级的光电电流互感器,测量电流范围为5A～2000A,准确度达到±0.2%。同时,他们研制了用于GIS中的复合电子式电压、电流互感器,电流测量范围为5A～2000A,电压测量范围为69～500kV,准确度都达到±0.2%,电压测量是直接使用电容环测量,不用分压器。法国的Alstom公司利用Faraday效应研制了一套电子式电流互感器,在-30～50℃的范围内准确度达到±0.2%。

我国最早对光电互感器的研究是在20世纪80年代的一些大学进行的,当时也是以光学式的光电互感器为研究方向,目前已改为主攻电子式的光电互感器。尽管一些高科技公司的某些产品已经进入挂网试运阶段,但是对光电互感器的研究仍处于初级阶段,与国外还有一定的距离。国内许多科研机构和大专院校的研究人员也正致力于新型光电互感器的研究,从事这方面的主要研究单位有清华大学、华中科技大学、上海大学、西安同维公司、广州伟钰光电科技有限公司等,经过几年的努力,研制工作已逐步向实用化阶段发展。光电互感器的高压以及电气绝缘特性使得它更加适合我国电力工业的发展,在将来的超高压以及特高压系统中将发挥巨大的作用。

3. 光电互感器的工作原理及其分类[1]

简单的来说OCT工作原理是Faraday磁光效应,OVT工作原理是Pockels线性电光效应,光学电流传感头和光学电压传感头位于绝缘套管的高压区,控制室内的发光二极管发出光信号经绝缘材料制成的光缆传输至两个传感头,经高压母线和电压调制后,光信号又经光缆从高压区传输回主控室,最后经光电转换、数据采集和信号处理系统得出被测电流、电压信号。根据高压部分是否采用有源器件将光电互感器分为两类:高压部分不采用有源器件的称为无源型光电电流(电压)互感器,采用有源器件的称为有源型光电电流(电压)互感器。

3.1 有源型OCT工作原理[2]

有源型OCT又称混合式光学电流互感器,它的原理是利用有源器件调制技术,把罗夫斯基线圈测量出的信号经过积分运算得出电流模拟信号,模/数转换(A/D)电路将积分器输出的信号转换成数字信号,然后通过电一光转换装置将电信号转换成光信号,再通过光纤传输。到互感器低压侧信号处理电路,有源型OCT原理示意图如图1所示。

有源型OCT的关键部件为罗夫斯基线圈及积分器。罗夫斯基线圈是一种绕制在非磁性骨架上的空心线圈,具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强、动态范围宽、体积小、重量轻、造价低廉、线性度好等一系列优点。其工作原理如图2所示。

罗夫斯基线圈直接套在被测量的导体上,从而导体中流过的交流电流在导体周围产生一个交替变化的磁场,从而在线圈两端感应出一个与电流变化成比例的交流电压信号e(t):

其中,di/dt则是电流的变化率,而L为线圈的电感,i(t)为还原电流,通过对交流电压信号积分并运算得出所要测量的电流值,其数学表达式为:

有源型OCT的传感器和A/D转换部件是需要电源供电的,目前常用的供能方式主要有利用特制电流互感器(CT)或电容分压器从母线上取电能,激光供能,太阳能供电及蓄电池供电等。

3.2 无源型OCT的工作原理

无源型OCT与有源型OCT不同,其传感器部分无需电源供电。无源型OCT以法拉第磁光效应理论为基础,其实质是光波在通过磁光材料时,电流产生的磁场使光波在通过磁光材料时其偏振面会发生旋转,测量其旋转角度的大小即可确定被测电流。法拉第旋转角θF的表达式为:

其中,V为代表光纤材料特性的维尔德常数;H为光传播方向上的磁场强度;L为光路长度线;μ0为磁导率;N为绕载流体的光圈数:I为被测电流。

无源型电流互感器的存在问题是其本身的光学系统折射效应随环境因素而变化,光学传感头中存在着各种形式的双折射,影响了整个系统的精度和稳定性。

3.3 有源型OVT工作原理

有源型OVT的传感头部分仍采用传统的传感技术,即电容分压技术。如图3所示,被测对象通过电容分压测量单元后形成一较低的电压,刀转换单元对电容分压测量单元的输出信号进行模拟量与数字量的转换,形成光电信号,由于电容分压测量单元和A/D转换单元都需要供电模块提供工作电源,有源型OVT的名称由此而来。

有源型是当前挂网运行时间最长而且最为常见的光电电压互感器,一方面其原理相对简单,与传统的电压互感器结构相近,容易实现另一方面其生产成本较低,便于制造。但是这种型式的光电互感器只是把传感器的模拟信号转换为光电信号,不是真正意义上的光电化产品,它一方面没有充分体现光学传感的优越性,另一方面电容分压器的长期运行会引进额外的测量误差,因此具有一定的局限性,是一种为了实现光电信号传输的过渡性产品。

3.4 无源型OVT

无源型的原理是将高电压直接加在电光晶体上,应用先进的光学传感原理一效应来测量电压的全光纤型光电电压互感器“泡克尔斯效应”是描述电场对透明晶体影响的电光效应,某些透明的光学介质也称压电晶体在外加电场作用下,晶体将变为各向异性的双轴晶体,从而导致其折射率和通过晶体的偏振光特性发生变化,产生双折射,使一束光变为两束相位不同的直线偏振光。图4为无源型的原理图,一束线性偏振光照射到压电晶体表面时分裂成振动方向相互垂直的两束光,其相位差大小与所加电压和材料有关。

双折射后两束偏振光的相位差可用以下公式计算:

其中:U=Usinωt,λ为入射光波波长;n0为晶体的折射率孔,γ41为晶体(BGO)线性电光系数口为被测电压是电压幅值。ω是角频率。

通常利用偏光干涉的方法将转变为输出光强的变化来检测它,利用1/4波片使两束光的相位差增加90°,总的相位差为δ+π/2。出射光强可以表示为:

其中,I0是入射光强,U0为半波电压。

可见,利用出射光强和电压的关系,通过光电变换和信号处理就能得到被测电压。

3.5 光学组合式互感器工作原理

光学组合式互感器是基于电光晶体的Pockels效应和磁光玻璃的Faraday效应研制出的可以同时测量高压输电线电流及电压的组合式互感器。它绝缘结构简单,电压测量与电流测量间无相互干扰。非线性误差小于0.3%,在24～33℃温度范围电压传感器24h内的波动在±0.3%内。

4. 光电互感器的优点[3]

与常规的电磁式互感器相比较,光电互感器的突出优点是:

(1)高低压完全隔离,安全性高,具有优良的绝缘性能和优越的性价比

由于光电互感器是通过由绝缘材料制成的光导纤维将高压信号传输到二次设备,巧妙的避开了传统互感器绝缘性能差的缺点,大大简化了绝缘结构,节省资源的同时,提高了互感器电气绝缘性能。它的适合高压的特性使它在不断提高电压的电力工业中显示出越来越高的性价比。利用光缆代替电缆作为信号传输工具,又实现了高低压的彻底隔离,不存在电压互感器二次回路短路或电流互感器二次开路给设备和人身造成的危害,安全性和可靠性也大大地提高。

(2)没有铁芯,不存在磁饱和铁磁谐振等现象

光电互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别,它一般不用铁芯完成磁藕合,因此,不存在传统互感器磁饱和及铁磁谐振现象,使得互感器运行暂态响应好,稳定性好,确保了系统运行的高可靠性。

(3)功能齐全,可靠性高

光电互感器能不但可以用于电压电流测量,还可以用作保护功能。不必使用多个不同用途的铁芯线圈,便可同时满足计量和继电保护的需要,同时还可以将电压、电流组合在一起,构成组合式光电互感器。这些对于传统互感器是无法达到的。目前,光电互感器的测量精度最高可以达到0.2级和0.2S级。

(4)频率响应宽,动态范围大

光电互感器传感头部分的频率响应取决于光纤在传感头上的渡越时间,实际能测量的频率范围主要决定于电子线路部分。光学传感部件已经用于测量高压电力线路上的谐波和脉冲暂态电压。

(5)没有因充油而潜在的易燃、易爆等危险

由于光电互感器的绝缘结构相对简单,一般不采用油作为绝缘介质,不会引起火灾、爆炸等危险.

(6)体积小、重量轻、减少占地面积

因无铁芯及绝缘油等,光电互感器的重量一般只有电磁式CT、VT重量的1/10,且体积小,占地面积小,便于运输和安装。

(7)无污染、无噪音,具有优越的环保性能

由于光电互感器中信号是通过光来传输的,因此不会产生噪音、电磁波等污染源,同时,可采用硅橡胶绝缘子和SF6气体作为绝缘介质,替代传统的磁套绝缘子和绝缘油,甚至可以做成无油无气的OCT,这样可大大降低这些配套设备生产过程中带来的环境污染,具有优越的环保性能。

(8)适应了电力系统数字化、智能化和网络化的需要

光电互感器可以根据需要输出低压模拟量和数字量,这可直接用于微机保护和电子式计量设备,而且能实现在线检测和故障诊断,在变电站综合自动化中具有明显的应用优势。综上所述,光电互感器以其优越的特性以及明显的经济效益和社会效益,使得它在电力工业中占据了一席之地,同时对于保证日益庞大和复杂的电力系统安全可靠运行,并提高其自动化程度具有深远的意义。光电互感器是世纪电力系统的更新换代产品,尽快使其实用化已经成为电力系统发展的迫切需要。

5. 光电互感器的缺点及目前的改进方法

5.1 OCT的缺点[4]

根据我国第一台OCT挂网运行数据显示,在小电流时OCT输出的读数波动较大,线性度较差,准确度也略超出计量要求。一方面是由于小电流引起的法拉第旋转角非常小,有限的传感器灵敏度导致被测信号被噪声所淹没;另一方面机械振动、温度变化以及由于光纤偏振特性等因素使得输出光强的变化,降低了检测的灵敏度,不过可以通过检测电路的交直流分离等办法消除此影响。然而对于有两种特殊情况会使光强发生很大的变化,因而会对测量产生很大的影响:1.光强波动较快时,直流通道的响应时间远远慢于交流通道,采用交流除以直流的方法明显存在不同步的问题2.当光强急剧下降衰减而超过PIN光电管的探测灵敏度时,OCT无法正常工作。

5.2 OCT的改进方法

针对以上诸多影响光电互感器的不利因素,我国许多研究人员做了大量的工作,并取得了一定的成果。

降低温度影响:为了克服温度对互感器带来的影响,清华大学对种8国产光学玻璃磁光系数和温度特性进行了深入的研究,ZF6在降低温度影响方面最能满足OCT的要求。

提高系统抗外场干扰能力:在提高系统抗外场干扰方面有几种方法,改进由Sato等人提出的双正交反射方案,将原光路设计中的第三角上第一次反射由向上改为向下(见图4),使传感头内光路在小载流导体平行及垂直的两个面上的投影形成闭合回路来改善系统抗外场干扰能力。相比而言,镀膜技术在此方面具有的优点是简化传感头使之易于加工,同时光路在任何平面内的投影均及接近完全闭合,传感头厚度比双正交反射方案减小一半以上。目前的保偏膜有两种:多层介质膜和单层介质膜,多层介质膜可以有效的解决相移问题,但对传感头的加工与安装需十分精细,单层介质膜在具有镀膜技术的共同有点之外,相比多层介质膜,更节省膜材料和膜加工所需时间,但此方法对膜厚度的控制要求更高的镀膜工艺。利用多模光纤的消偏与消除相干扰性能,同时结合选用低相干光源,可以有效的一直有振动引起的光线中的噪声干扰。

Rogowski线圈在OCT中的应用:Rogowski线圈能够很好的解决以上由于温度、外场以及振动引起的光电互感器灵敏度以及准确度降低等问题。国内外都已有0.2级Rogowski线圈,清华大学开发了以DSP为核心,集合光纤、通信、微机技术的实用化设计方案。OCT集电流测量和谐波分析于一体,同时还提供远程计算机接口和继电保护接口。试验表明,此种结构简单、安装方便、抗干扰能力强和准确度高(优于0.5%)。

5.3 OVT的缺点

光电电压互感器晚于光电电流互感器,经过各国的不断努力,在理论上和技术上都取得了很大的进展,与光电电流互感器类似,光电电压互感器也遇到了温度影响稳定性问题,和长期运行的可靠性问题。其中运行环境的温度变化是影响光电电压互感器稳定性和可靠性的重要因素。

5.4 OVT的改进方法

目前主要采用双光路检测技术来消除热力效应对光电电压互感器的温度稳定性的影响,但是仍然存在无法改变晶体的热光效应。晶体的热光效应使得互感器在工作温度范围内的准确度只有2.1%,距离实用所需的1%要求还有一段距离。为了避免因晶体的旋光性和自然双折射会直接对光波引入的附加相位差,目前一般选用立方晶体的BGO材料,它稳定性好,无旋光性和自然双折射。研究发现,BOG晶体的纯度越高,光电电压互感器的稳定性越好。对于光源发射的光波波长由温度影响而造成的系统稳定性减弱情况,采用软件补偿技术消除波长变化的影响,明显的提高了光电电压互感器的稳定性。通过对光线受到振动和其他机械扰动产生线性双折射,且单模光纤产生噪声更为严重的现象发现,光线的芯径越大,噪声越小,通过使用低相干光源和线偏振光沿光纤的偏振轴输入,来达到有效抑制噪声对系统稳定性带来的严重影响

6. 光电互感器在电力工业中的应用[8]

基于西昌地区多高耗能用户,该类用户的电炉设备功率大,负荷波动大,产生大量大功率低次谐波污染,同时冲击电流造成电磁式互感器铁心饱和,有可能造成继保误动作,并使二次电流、电压产生畸变,影响计量的准确性等情况,2006年4月,安装了35kV数字式光电互感器及其保护和计量装置及其二次系统的设计、安装、运行和运行效果的对比分析,来为西昌地区寻找一条可靠先进的电网技术革新之路。将该组光电互感器安装于一个对电铁及高耗能工业园区供电的110kV变电站内一条35kV出线间隔,该线路对冶炼企业供电,日均负荷为1.2万KW。该线路原装有电磁式电流互感器,准确级0.2级。35kV母线电压互感器亦采用JDJJ2-35型电磁式电压互感器。在出线间隔安装了一组组合式光电电流电压互感器,并装配一套线路保护和一块具有光纤以太网接口的电能表,以便将光电互感器的采集数据与电磁式互感器采集的模拟量在数据采集、电量及所接保护功能等方面进行对比。同时,南自厂在合并器报文读取中加进了谐波分析部分,采集了当地的谐波污染情况。截止2007年的数据显示,该组光电互感器运行状况良好。

母线保护由于其保护特殊性,需要接入大量的交流量。基于OET700数字式光电互感器的母线保护采用光纤接入来自多个合并器的电流量、电压量。开入量(接入母线保护的隔离刀闸辅助接点、失灵启动开入节点等)和开出量(包括出口跳闸接点、信号接点等)则仍采用传统的输入输出方案,如图2所示。

若一次系统采用光TV,则电压模拟量同电流输入类似。若采用光TA与传统电磁式混用则通过合并器进行采集一并打包给保护。在技术成熟条件下,开关量输入、开关量输出也可通过光纤进行传输,以实现整个变电站全部设备的数字化。

同传统的微机母线保护一样,基于光电互感的母线保护配置以下保护:差动保护、母联失灵保护、母联死区保护、母联充电保护、母联过流保护、母联非全相保护、断路器失灵保护、复合电压闭锁等。所有保护功能均为逻辑图设计,保护流程可视化、图形化、模块化。可根据系统接线要求进行选择配置,配置和维护方便灵活。

7.光电互感器的发展趋势

随着电力系统智能化、数字化的产生和发展,人们对所采集数据的准确度要求越来越高,新型的OCT都将向着灵敏度更高的方向发展,同时更简单更节约能源。全反射结构的OCT比相同尺寸的金属膜结构OCT的输出响应更加灵敏。全光纤结构的OCT将是未来发展的方向,目前,日本已经开发出0.3级的全光纤OCT。

光电电压互感器的主要发展方向也是新型全光纤OVT,因为不论从稳定性准确性以及能源的节省和环境的保护方面,它都较传统电压互感器有很大的优势。采用石英晶体和光纤作为敏感元件,通过光纤来检测和传输信号,生产工艺更为简单,不再需要自动聚焦透镜、起(检)偏器、波片、电光晶体等光学元件,节省资源的同时提高了系统的稳定性。全光纤OVT的诸多有点引起了广泛的关注,在光电互感器方面起领头作用ABB公司已经开发出类似的产品,我国很多高校也投入了积极的研究。

8. 结语

经过三十余年的发展,国内的光电互感技术不断进步。但是相比于国外上世纪60年代就开始研究,90年代就开始挂网运行并将产品推广到市场还有很长的一段路要走。随着现代电力工业对电压级别、电流强度要求的不断提高,光电互感技术作为一种新技术越来越引起研究人员的关注。电力系统的数字化、智能化、网络化也都促进了光电互感技术的快速发展。当然光电互感技术目前还存在着很多问题,但随着测量要求逐步提高,测量技术的逐渐成熟,光电互感技术必定有着非常广阔的发展空间。光电互感器将作为下一代互感器的主流产品,其不可替代的技术优势和价格优势已经凸现出来,随着当前光电互感器的市场化进程,必将带来电力系统测量、保护和监控的革命性变化。

参考文献

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光电式互感器 篇4

光电传感器因其灵敏轻便等优势而被广泛应用于自动化设备检测装置中。20世纪80年代，美国军事领域开始应用光电传感器信息融合技术；2013年3月15日，美国国防先期计划研究局（DARPA）公布了在阿灵顿召开的已进入第二阶段的MIST-LR项目会议，指出在未来的第三阶段，将开发出能够提升飞行器性能的原型系统传感器，极大发挥其在民用和军事两个方面的助推器作用。

1 应用必要

第一，光电传感器获取信息的过程实际是一个多对一的对应抽样过程，在将客观世界空间的信息传输至传感器这一过程中信息丢失的问题难以避免；第二，军事领域中光电传感器的数量庞大，急需处理的信息量也繁多冗杂，这些都会给人工处理带来一定困扰，而光电传感器信息融合技术的应用巧妙地解决了这一信息综合处理的难题；第三，应用环境决定了光电传感器性能发挥的好坏，但截至目前尚未有一个国家可以开发出适用于任何环境下且性能优于其他类型的光电传感器。

2 概念优点

光电传感器信息融合的过程正是为了完成目标分类、识别及跟踪等任务而进行信息自动分析综合处理的过程。军事领域中的目标识别及跟踪可以实现光电传感器目标属性中的监视功能，有利于精确定位与预估判决。我国航天技术的高速发展离不开当前最热门的技术之一――航天技术上光电传感器信息融合技术，它能够有效提高空间的分辨率和系统的可靠性，无疑成为我国GDP增长的“助推器”。

3 工作原理

光电传感器能够有效检测到光强度变化的情况并将光强度的变化转换为电信号的变化。通常情况下，光电传感器这种小型电子设备由三部分组成：发送器、接收器与检测电路。发送器负责向目标发射来源于发光二极管、激光二极管及红外射二极管等的光束，不间断发射出的光束经过像光圈、透镜这种光学元件后达到由光电二极管、光电三极管及光电池构成的接收器中，接收器接收到光束后会将其传输至能够过滤该信号是否有效并决定是否应用的检测电路。详细流程见下图所示。

需要强调的一点是发射板和光导纤维作为光电传感器结构元件的一种也独具特色。众所周知，三角形的结构最为稳定，因此由极细小的三角锥体反射材料组成的三角反射板是一种能保证光束可以准确无误地从反射板返回的发射装置，其结构极其稳固且具有极强的实用性。

4 应用领域

4.1研制抄表系统

为及时结算用户的电费，一般由电力部门派专门的抄表人员到有关用户处定期走家串户地查看、抄写设置在现场的电能表，通过人工读取、记录、计算和收费。这不仅浪费人力，而且还会因人工读取造成不必要的误差，给用户带来不必要的麻烦和损失，甚至会发生不法分子假冒抄表人员入室作案而影响社会治安。因此，无论是电力部门还是用户们均迫切要求改变当前的落后状态。随着微电子技术、传感器技术、计算机技术及现代通讯技术的发展，可以利用光电传感器来研制自动抄表系统。

电能表的铝盘受电涡流和磁场的作用下产生的转矩驱动而旋转，采用光电传感器则可将铝盘的转数转换成脉冲数。如在旋转的光亮的铝盘上局部涂黑，再配以反射式光电发射接收对管，则当铝盘旋转时在局部涂黑处便产生脉冲，并可将铝盘的转数采样转换为相应的脉冲数，并经光电耦合隔离电路，送至CPU的T0端口进行计数处理。采用光电耦合隔离器可以有效地防止干扰信号进入微机，再结合其它传输方式便可形成自动抄表系统。目前自动抄表系统没有大规模使用与当前的技术有莫大关系，这套技术还有很多需要改进之处，相信在未来几年随着技术的发展，自动抄表将在全国范围内实现。

4.2节能灯具设计

光敏传感器、红外传感器、颜色传感器已进入各种自控节能LED照明系统的设计方案之中，它们的自主控制、方便应用使得不少公共照明LED灯具和居家照明灯具实现智能化。光电传感器可以协助公共照明的LED灯具实现灯光的自动开启关闭，可以智能的感应人和车辆进出而自动开关灯光，可以智慧的控制LED灯光开启的时间和控制亮度，甚至按人类的意愿自动调整光线的色温，营造人类想要的光氛围。

4.2.1光敏传感器应用

光敏传感器中最简单的电子器件是光敏电阻，它能感应光线的明暗变化，输出微弱的电信号，通过简单电子线路放大处理，可以控制LED灯具的自动开关。对于远程的照明灯具，如街灯、庭院灯、草坪灯等都可经济而简单的实现节能自动控制。太阳能路灯本身是利用太阳光发电、储能的LED照明灯具，无需电网供电也就无需架设成本不菲的输电线路，因此使用光敏传感器可以实现极低成本、自动开启关闭的节能管理。

4.2.2红外传感器应用

红外热释电传感器（PIR）在LED照明中的应用已有近十年的`历史。红外传感器的视角有限，需要搭配菲涅尔透镜才能扩大探测区，才能监视移动的热源（人或车）。菲涅尔透镜有两个作用：一是聚焦作用，将热释红外信号折射在PIR上；二是将探测区内分为若干个明区和暗区，使进入探测区的人能以温度变化的形式在PIR上产生变化的热释红外信号。

4.3航天技术应用

我国神舟十号发射成功后到与天宫一号的自动交会对接，2000多项航天技术成果移植国民经济成为经济发展“倍增器”，其中光电传感器技术发挥了重要作用。神舟十号和天宫一号对接机构十分复杂，由上百个传感器、上千轴承组合而成。对接任务要求严丝合缝且不能漏气。另外考虑到飞行器在太空环境中失重要经历高低温的变化，因此必须保证对接时不出现故障。手控交会对接时要有精确的传感器测量设备，不断测量两个飞行器之间的距离、相对速度和姿态等，稍有差池后果不堪设想。最后对接时，要求轴向误差≤18cm。这些对航天员的身心都是极大的挑战，要求他们具有极高的眼手协调性、操作精细性和过硬的心理素质等。在交会对接的过程中，航天员需要紧盯电视图像，根据实时传输的数据让两个航天器一点点逼近，根据仔细计算决定速度变化方案完成交会对接，其中传感器起到决定性作用，为实现航天梦奠定最强基础。

4.4工业自动化装置

光电传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，在工业上常用于非接触测量物位、距离和条码等信息，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。随着现代检测技术的发展出现了很多新型的光电传感器，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。相关应用行业的系列产品如下：

1）光电式烟雾报警器。没有烟雾时，发光二极管发出的光线直线传播，光电三极管没有接收信号，没有输出；有烟雾时，发光二极管发出的光线被烟雾颗粒折射，使三极管接受到光线，有信号输出，发出报警。如今频遭吐槽的雾霾天气说明环境污染问题严重，而光电式烟雾报警器则可通过光在烟道里传输过程的变化检测到烟道中的烟尘浊度；2）点钞机的计数传感器。具有结构微型化、操作简便化、使用耐用型等特点的点钞机在我们的日常生活中应用频繁，其不光在金融机构中被大量使用，也逐渐成为一些大型企事业单位必备的办公用品，成就其的正是结构简单、响应速度快、精确度高的光电传感器。点钞机的技术传感器采用两组由一个红外发光二极管和一个接收红外光的光敏三极管组成的红外光电传感器，没有钞票时，接收管受光照导通而输出为0；有钞票时，接收管光通量不足而输出为1且产生一个脉冲信号，经检测电路输入至负责计数和显示的单片机。只有不断提升光电传感器的性能，才能满足商业经济和财务自动化日新月异变化而产生的高要求。

参考文献

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光电式互感器 篇5

光电流互感器(optical current transfomer)的测量回路由三部分组成,光CT本体、光纤回路、测量保护主机内的光接口板。

在交流滤波器内使用了瑞典ABB公司生产的光CT,光CT内部有一传统的CT和一个电阻用于测量,测量信号经过A/D转换和光电转换后通过光纤接入到测量保护主机内部的SG101板卡。

SG101板卡可以采集6路电流,用一根光纤传输光功率和光脉冲,以870nm的波长接收远端模块下发的被测交流电流等数字信号,同时以780nm波长上送激光功率给远端模块供电,两个波长比较相近,因此对光纤传输回路质量要求比较高。一块SG01板卡就可采集一组交流滤波器的三相高端电流和三相不平衡电流。

2.进口光CT常见故障

三常直流输电工程中进口光CT故障率较高,常见的故障类型有:误码率高、测量故障及光CT本体故障。

(1)误码率高。在光CT运行的过程中,光纤不仅传输光功率,还传输光脉冲数据,所以光CT对光纤的要求很高。由于光纤头不清洁或损坏等原因导致光纤衰耗过大因此会出现光误码率高如果只是时间间断的出现误码率时,则光CT还可继续运行,如果在一段时间(20ms)内连续出现误码率,则会导致改通道的关闭,该光CT就不会继续运行。

(2)测量故障。光CT传感器故障或运行不稳定,导致光CT测量电流不正确,从而引起交流滤波器差动保护误动作或交流滤波器电容器不平衡保护误动作。

(3)光CT本体故障。三常直流输电工程中交流滤波器光CT内部的远方模块出现故障较多,故障主要是光CT板卡本身电子元件质量问题,尤其在夏季高温天气时容易出现故障。

3.国产化光CT介绍

三常直流输电工程中国产化改造使用的是南瑞继保公司生产的光电流互感器。该光电流互感器主要由低功率电流互感器、远端模块及合并单元(替代了进口的SG101板卡)组成。其中合并单元放置在设备室内,采用光纤和远端模块相连接。CT采样获得的信号经合并单元送二次控制保护设备。

国产化光电流互感器主要由四部分组成:

(1)一次传感器。一次传感器位于高压侧,滤波器电子式电流互感器采用低功率电流互感器(LPCT)传感被测电流信号。

(2)远端模块。远端模块也称一次转换器,位于高压侧。远端模块接收并处理LPCT的输出信号,远端模块的输出为串行数字光信号。远端模块的工作电源由合并单元内的激光器提供。

(3)光纤绝缘子。绝缘子为内嵌光纤的复合绝缘子。绝缘子内嵌24根62.5/125um的多模光纤(其中12根FC头光纤,12根ST头光纤),实际一般使用8根光纤(4根传输激光,4根传输数字信号),其余光纤备用。光纤绝缘子高压端光纤以FC头连接远端模块的POWER口,以ST头连接远端模块的DATA口,低压端光纤以熔接的方式与光缆对接。

(4)合并单元。合并单元置于控制室,合并单元一方面为远端模块提供供能激光,另一方面接收并处理互感器远端模块下发的数据,并将测量数据按规定的协议(IEC60044-8或TDM总线)输出供二次设备使用。合并单元的输出信号采用62.5/125um多模光纤传送,接头为ST型。

4.国产化光CT改造方案

国产化光CT改造采用整体更换方案,即更换包括传感头、光纤绝缘子、光缆终端箱在内的所有CT零部件,改造CT的绝缘支架安装接口、一次软导线安装接口、光缆终端箱安装接口等按照原CT设计制造,总长度和原CT一致。

一次母线规格及尺寸根据三常直流输电工程现场实际配置需要确定,互感器出线为两根光缆,用金属波纹管(外径35mm)保护,出线光缆的长度根据现场工程需要确定,绝缘子接地螺孔规格为M8,接地线需可靠固定于基础接地端,并用固定钢索固定绝缘子下端法兰销孔于基础上,为安装方便,钢索接头设计成长度可调型式,光缆熔接箱、悬挂端安装位置及接口可根据现场实际结构进行调整。

改造后每个测点将配置四个远端模块,其中两个分别用于A、B系统,另外两个用于热备用。

每一小组交流滤波器保护按照双重化配置,合并单元1面屏柜,每面屏柜配置2台合并单元装置,每台合并单元负责与一套测量保护系统接口,接口示意如下图:

当光CT现场设备全部安装完毕后,进行进行一次注流试验,对首端CT注流时,将尾端CT串联同时注流以便校验CT性能差异。

注流试验时,检查合并单元接收到的电流值是否正确,合并单元显示的是一个数值编码,需要根据远端模块的型号确认CT数值变比系数进行换算。

当合并单元接收到的数据经过验证无误之后,检查控制保护主机接收的电流值是否与合并单元显示的一样,如果有差别,需要检查变比系数,并检查控制保护主机的测量精度是否满足要求并调整末端电磁式CT的延时,确保首端和末端电流差值最小。

改造后的光CT具有完善的自监视功能,便于运行监视及故障维护。监视参数包括:激光驱动电流、接收数据电平、远端模块温度、激光器温度、奇偶校验出错次数、丢帧出错次数、接收数据电平状态、激光器驱动电流状态、激光器温度状态、远端模块功率状态、远端模块温度状态等。

5.结语

从目前国产化光CT运行情况来看,故障率已大大降低,并增加更实用的监测参数,比如:光CT远端模块温度等,保障了该设备在系统中的安全稳定。

参考文献

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[2]李文升.220kV GIS用电子式电流电压互感器在午山数字化变电站中的应用.电力系统保护与控制.2010-08-16.

光电式互感器 篇6

随着电力工业的不断发展，电网电压等级的不断提高，对电压、电流的测量要求也在不断提高，而互感器作为连接高压与低压的一种电器设备也不断地改进和发展，其中对于衡量互感器先进与否的一个重要指标就是互感器的绝缘问题。对于传统的电磁式互感器来说，由于绝缘成本随着绝缘等级的升高成指数增长，因此原有的空气绝缘、油纸绝缘、气体绝缘和串级绝缘已经不能满足超高压设备的绝缘要求，同时传统互感器存在磁饱和的问题，造成继电保护装置的误动或拒动，而且铁磁谐振、易燃易爆及动态范围小等缺点一直是传统互感器难以克服的困难。于是，各种针对高电压、大电流信号的测量方法便应运而生，其中，基于光学和电子学原理的测量方法，经过近三十年的发展，成为相对比较成熟、最有发展前途的一种超高压条件下的测量方法。能实现高电压大电流测量的新型光电互感器受到各国学者和工程技术人员的广泛关注。某类型光电互感器的外形如图1所示

光电互感器是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电力系统电压、电流测量的新型测量装置，它是光学电压互感器、光学电流互感器和组合式光学互感器的通称，主要有两种类型。一种是用磁光效应和电光效应直接将电流电压转变为光信号，一般称无源式;另一种是用电磁感应或分压原理将电流电压信号转变为小电压信号，再将小电压信号转换为光信号传输给二次设备，一般称有源式。

1)无源型互感器是以法拉第磁光效应为原理设计制造的装置。其原理如图2所示：

无源型互感器就是传感头部位没有电源供电的光电电流测量装置。无源型互感器采用法拉第磁光效应原理。无源型互感器的特点是：整个系统的线性度比较好，灵敏度可以做得较高;绝缘性能好。它的难点是精度和稳定性易受温度、振动的影响，电子回路复杂等问题，现在主要处在试验运行阶段，大规模的推广运用还有待时日。利用法拉第磁光效应实现的无源型互感器有全光纤式、光电混合式和块状玻璃式。全光纤式的无源型互感器，光纤本身就是传感元件，结构比较简单，但光纤线性双折射的问题一直是困扰着它的主要难点;光电混合式的精度受到一定的限制。目前使用最为普遍的是块状玻璃式无源型互感器，国外挂网实验运行也都是此类型，它是最有实用化可能的类型之一。

采用法拉第磁光效应进行电流测量的原理是磁光材料在外加磁场和光波电场共同作用下产生的非线性极化过程。当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的偏振面就会线性地随着平行于光线方向的磁场大小发生旋转;通过测量通流导体周围线偏振光偏振面的变化，就可间接地测量出导体中的电流值。用公式表示为：

式中θ为线偏振光偏振面的旋转角度;V为磁光材料的Verdet常数;l为磁光材料中的通光路径;H为电流I在光路上产生的磁场强度。

由于磁场强度H由电流I产生，式 (1) 右边的积分只跟电流I及磁光材料中的通光路径与通流导体的相对位置有关，故式 (1) 可表示为：

式中K为只跟磁光材料中的通光路径和通流导体的相对位置有关的常数，当通光路径为围绕通流导体1周时，K=1，故只要测定θ的大小就可测出通流导体中的电流。

2)有源型互感器是以罗柯夫斯基空心线圈为基础，综合利用传统电磁感应原理和光学传输方法解决高压侧供电难题而设计制造的装置。其原理如图3:

有源型互感器就是基于传统的互感器，利用有源器件调制技术，以光纤作为信号通道，把高压侧转换的光信号传到地面进行信号处理，得到被测信号的装置。这种互感器的特点是，既利用了光纤系统提供的高绝缘性的优点，显著地降低了互感器的制造成本、体积和重量，又充分发挥了被电力工业界广泛接受的常规互感器测量装置的优势，同时还避免了传感头光路的复杂性及全光纤传感头线性双折射、块状玻璃全反射相位差等技术难点。有源型互感器传感头部件有罗科夫斯基线圈、采集器、AD转换器和光发生器LED。工作原理是由罗科夫斯基线圈从一次传变信号，采集器采样后，AD转换器转换为数字信号，由LED转换为光信号，通过光缆送回主控室。罗科夫斯基线圈一般有保护、计量和测量、能量线圈，罗科夫斯基线圈形状是空心螺线管，无铁芯，填充非晶体材料，主要起支撑作用。绝缘支柱采用硅橡胶绝缘子，内部填充固态硅胶，起到支撑、绝缘和固定光缆作用。光缆分为数据光缆和能量光缆，从传感头通过绝缘支柱内部引下，送回主控室。传感头部件(采集器、AD转换器和光发生器LED)使用微功耗装置，功率30毫瓦。有源型互感器的难点是提供高压端需要的工作电源，但随着激光供能和高压取能技术的突破，已得到很好的的解决。

由于模拟输出的光电互感器仍存在传统互感器的一些固有缺点，现在发展的高电压等级用光电互感器一般都用光纤输出数字信号。光电互感器与传统互感器外形相似，但体积小，重量轻，主要由传感头、绝缘支柱和光缆三部分组成。光电互感器传感头部件的能量来源有两种途径。一是从一次取能，由能量线圈感应出电流来提供能量;当一次电流太小，不足以提供能量时，使用能量光缆，由户内激光发生器通过光缆上送能量。两种方式可互为备用，自动切换。

2 光电互感器在电力系统中的应用

相对于传统的电磁式互感器，光电互感器具有明显的优点：1)在高电压、大电流的测量环境中，光纤或光介质是良好的绝缘体，它可以满足高压工作环境下的绝缘要求，它是用光缆而不是电缆做为信号传输工具，实现了高低压的彻底隔离，不存在电压互感器二次回路短路或电流互感器二次开路给设备和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高;2)由于光电互感器的绝缘结构决定了没有传统电流互感器二次开路产生高压的危险，光电互感器不采用油做为绝缘介质，不会引起火灾、爆炸等危险;3)光电互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别，不用铁芯做磁耦合，因此没有磁饱和及铁磁谐振现象，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;4)频带比较宽。光电互感器传感头部分的频率响应取决于光纤在传感头上的渡越时间，实际能测量的频率范围主要决定于电子线路部分。光学传感部件已经用于测量高压电力线路上的谐波和脉冲暂态电压;5)动态范围大，能在大的动态范围内产生高线性度的响应;6)适应了现在电力系统的数字化信号处理要求，它还可用于以保护、监控和测量为目的高速遥感、遥测系统;7)整套测量装置结构紧凑、重量轻、体积小;8)各个功能模块相对独立，便于安装和维护，适于网络化测量。

光电互感器可以根据需要输出低压模拟量和数字量，这可直接用于微机保护和电子式计量设备，而且能实现在线检测和故障诊断，在变电站综合自动化中具有明显的应用优势。综上所述，光电互感器以其优越的特性以及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力系统安全可靠运行，并提高其自动化程度具有深远的意义。光电互感器是21世纪电力系统的更新换代产品，尽快使其实用化已经成为电力系统发展的迫切需要。

由于光电互感器的诸多优点，光电互感器取代传统互感器将只是一个时间问题。国际上光电互感器已逐步成熟，正已越来越快的速度推广运用。其中ABB、西门子等公司生产的光电互感器已有十几年的成功运行业绩。采用光电互感器的数字化变电站在欧洲也已经投入运行。我国光电互感器的研制和运用相对比较落后，仅有为数不多的变电站使用了一些进口的光电互感器。国内有二十余家企业和高校涉足了光电互感器的开发，经过多年的努力，已有若干套设备在现场试运行。

我国在有源式光电互感器的研究已走在无源式的前面，有的产品已在多个变电站试运行近一年的经验，运行情况良好，可满足保护和计量的要求，并通过了部级鉴定，达到国际先进水平。同时国内的二次设备制造商开发了可与光电互感器直接接口的数字接口继电保护装置、数字接口电能表等二次设备，为光电互感器的实际应用提供了基础。

3 光电互感器运行中对电能计量方面存在的一些影响

1)光电互感器性能仍需要进一步稳定。对于电能计量来说，光电互感器的稳定运行是保障计量准确的前提，尤其是在电能关口计费的电能表，更加不能忽视光电互感器的性能稳定性。

2)温度对光电互感器的精度有较大的影响。电能计量装置是是对精度要求较高的。绝大多数的光电互感器均是装设在户外，南方春秋两季夜晚与白天温差较大，不可避免的对电能计量带来一定影响。

3)与光电互感器相匹配的电能表必须具有国家法定计量检定机构的认证。由于光电互感器的结构特殊性，必须要采用与之相匹配的电能表进行计量，原先的电能表均无法实现计量功能，为此就出现了一个新的问题，新型的电能表作为一种“新”计量工具，按照国家法规就必须有具有国家法定计量检定机构的认证，因此新型电能表的认证也是必不可少的。

4)光电互感器在AD转换的过程中存在较大的角度误差。在光电互感器对采集到的模拟量转换为数字量的AD转换中，会带来较大的角度误差，从而对电能计量的计量准确性又带来了一定的影响。

随着光电互感器在电力系统中不断地得到应用，以上这些对电能计量影响的问题正在逐步得到解决。

光电式互感器可以代替体积大而笨重的传统型互感器，并与断路器组合成一体，从而实现设备的小型化、一体化。在高压直流输电方面，直流测量用光电式电流互感器较之传统型的电流互感器有更大的优势，其重量仅为同等级的直流电流互感器的1/40，无电磁干扰和铁磁损耗，并与电力自动化系统的网络兼容。例如我国三峡至常州500kV直流输电系统就使用了ABB公司的光电式电流互感器，用于线路的直流电流及谐波电流、交流侧不平衡电流、桥臂电流等的测量。除了在电网中使用外，光电式电流互感器还可做成类似钳形表式的结构，方便移动，用于测量高压电网中不同地点的电流。也可测量高频电流。目前国内在光电式电流互感器的研究方面，特别是高电压等级上还面临一些问题，如温度和应力引起的双折射现象及其降低方法，长期运行时的稳定性和精度方面还需要更进一步的试验和现场考验。信息来自：输配电设备网。

光电式互感器有着传统电磁式电流互感器无法比拟的优点，是电磁式互感器理想的替代品，将会使互感器技术进入一个崭新的时代。

摘要：光电互感器正在逐渐应用在电力系统中, 本文对光电互感器的工作原理、结构上的特点进行简单分析, 同时阐述光电互感器在电力系统中的的应用。

光电传感器的应用与发展 篇7

1 光电传感器工作原理与特点

1.1 光电传感器的工作原理

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的, 它的物理基础是光电效应, 即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化, 一般情况下是由发送器、接收器和检测电路三部分组成。

发送器对准目标发射光束, 发射的光束一般来源于半导体光源, 发光二极管 (LED) 、激光二极管及红外发射二极管, 光束不间断地发射, 或者改变脉冲宽度, 接收器有光电二极管、光电二极管、光电池组成, 在接收器的前面, 装有光学元件如透镜和光圈等, 在其后面是检测电路, 它能滤出有效信号, 此外, 光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的发射装置, 它由很小的三角锥体反射材料组成, 能够使光束准确地从反射板中返回, 具有实用意义, 它可以在与光轴0到25的范围改变发射角, 使光束几乎是从一根发射线, 经过反射后, 还是从这根反射线返回。

1.2 光电传感器的特点

1) 由于光电传感器所使用的光敏元件是光敏电阻和光敏二极管等, 所以具有性价比高、精度高、抗干扰能力强和可靠性强等优点, 缺点是相应速度慢。

2) 光电传感器的检测距离长, 通过设计使投光光束集中从而提高分辨率, 可以实现无机械接触地检测物体, 因此对检测物体的限制少, 也不会对检测物体和传感器造成损坏, 从而提高传感器的寿命。

3) 可实现对检测物体的颜色辨别, 通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性质, 可对检测物体的颜色进行检测。

2 光电传感器的应用

2.1 转速测量

在工业生产中, 对转速的检测应用的非常多, 尤其是在电机控制领域, 将光电传感器应用到转速测量里是运用将转速变换成光通量的变化, 再经过光电元件转换成电量的变化即可得到转速的原理。

首先在被测的转动轴上装上光电编码器, 它是由光栅盘和光电检测装置组成, 编码器随轴转动, 当光线通过编码器的夹缝时, 光电检测装置就会产生一个电脉冲, 转轴连续转动, 光电元件就输出一列与转速成正比的电脉冲数。在孔 (或齿) 数一定时, 脉冲数就和转速成正比。如果调制盘上的孔数为x, 测量的时间为t秒, 脉冲数为N, 此时被测转速为n (r/min) 为:n=60N/xt。

2.2 测量温度

温度测量是在工业上应用也非常广泛, 利用传感器的感温特性来实现对温度的测量, 应用时将感温头放置被测温环境中, 传感器输出端与仪表输入端经辐射至光电转换器接收, 转换成标准电压信号。感温管一般为经过特殊处理的高刚玉管或特殊材质管。高压密封器将感温管开口端高压密封防止泄露。信号传输导线为双芯屏蔽铜电缆, 将传感器输出端按正负端与仪表信号输入端相接, 接地端与地线相接, 仪表上电即可实现测温。

2.3 应用于水泵故障诊断系统

在水泵故障诊断系统里, 有一类是检测水泵的轴的轴向位移的, 而水泵的平衡盘是用来平衡轴向力的, 与轴向位移成正比, 所以我们检测平衡盘的移动位移就可以判断水泵的轴向位移是否正常, 但是在检测水泵平衡盘的位移时, 一般的传感器的是不能满足其要求, 这里我们可以利用光电传感器可以检测位移的特点来测量。

本系统是利用的光电传感器非接触检测位移的特点和单片机的数据处理功能。首先将光电传感器安装在距离平衡盘较近的泵体上, 然后依次接上放大器和51单片机, 当水泵的平衡盘移动时, 光电传感器就会发出的数字信号, 通过放大器进行放大处理后将其转换为单片机能够识别的数字信号, 然后送至51单片机, 单片机根据设置的参数来对其信号进行分析处理, 判断是否需要发出报警信号。

3 光电传感器的发展趋势

近年来, 由于传感器的应用越来越广泛, 人们对传感器的要求也越来越高, 未来的光电传感器会向着小型化、智能化和系统化方向发展, 其主要技术应该是在现有技术的基础上进行扩展和提高, 尤其是在敏感元件和抗干扰技术上。

在敏感元件方面, 可以在新的材料和新工艺上寻求突破, 选择一些复合材料和人工合成材料来制作性能更加优良的传感器从而满足工业要求。在抗干扰方面, 可以选择新的补偿和修正技术和开发仿生传感器来提高光电传感器的抗干扰性能。

在系统化发展方向上, 可以将多传感器融合组成一个光电信息系统, 例如利用光电传感器的检测距离长、分辨率高的特点和生物传感器有自动分析处理的功能来应用在负责环境监测或者在身份识别系统上。

在我国已经形成了光电传感器研发、生产和应用为一体的结构体系, 在光电传感器研发队伍和用户市场方面也具有优势, 并且有进一步开拓的空间。不足之处是在传统光电传感器的革新速度较慢, 与国外有较大差距, 而且在一些特殊环境和特殊行业类所需要专用光电传感器的研究开发较少。

4 结语

光电传感器作为一种新型的传感器, 由于它具有精度高、反应快、非接触等优点, 而且可测参数多, 传感器的结构简单, 形式多种多样, 体积小, 己经获得了广泛的应用和具有广泛的市场。目前, 全世界光电传感器市场呈现增长趋势, 各国将竟相加速新一代光电传感器的开发和产业化, 竞争也将日益激烈, 新技术的发展将重新定义未来的光电传感器市场, 所以我们必须重视新的光电传感器技术, 加强我国在传感器技术方面的核心竞争力。

参考文献

[1]徐伟.光电传感器的研究与应用[J].科技创新导报, 2010.

光电传感器检测技术研究 篇8

1 光电检测技术

我们又称光电传感器为影像传感器或者图像传感器, 是借助调制光进行检测物体, 其主要作用是变光信号为模拟信号。光电传感器主要组成为:发射器、接收器, 在接受器的帮助下对光强变化进行检测, 最终实现检测功能。当前, 市面上的传感器种类繁多, 存在多种样式, 主要目的为转换机械动作, 对生产线进行控制, 计算零件或者检验产品, 保护操作人员等。光电传感器控制生产线并直接参与商品的制造。在检测的过程中, 光电传感器并非直接接触探测物, 在自动化领域中广泛使用。在探测的过程中使用光电传感器能够提升检测的质量和水平, 提升检测的精度。

进入新世纪后, 国内科学技术获得快速的发展, 工业生产自动化程度日益提升, 未来检测行业的发展方向为精度高、效率高。该技术的出现让劳动力进一步解放, 不仅提高生产能力和产品的质量, 更进一步降低了成本。从上世纪贝尔实验室自主研制成功第一台电荷耦合器件 (Charge Coupled Device, 简称CCD) 后, CCD随着计算机技术的发展迅速提升, 在国防、民用等上获得极大的运用, 特别是CCD具有的一系列优点, 深受青睐。未来探测技术的发展方向为光电传感器技术。

光电检测系统指的是光学量由测光学量或由非光学待测物理量转换而来, 以电路处理和光电转换的方式进行检测的系统。作为非接触检测的一种, 其具有无损、大距离、高精度等特性, 被迅速推广, 特别是自动化行业中, 在线监测、安全保护等方面深受重用。尤其是最近几年, 不断出现新型光电探测器, 在电子技术以及微的电脑技术的促使下, 光电检测系统的内容被极大的丰富, 使用范围越来越广, 当前几乎所有的工业行业都在使用, 是当前检测技术的主流。

2 光电传感器研究现状

2.1 CCD及其发展趋势

自上世纪六十年代贝尔实验室运用当时发展前景看好的硅技术研发出第一台CCD后, 在成熟的集成电路工艺的促使下, CCD技术被迅速推广。作为一种用电荷量便是光良的技术, 其传输电荷量方式诶耦合方式, 具有一系列优点。其基本功能为:贮存、转移电荷, 这也就决定了CCD的基本原理是生产、贮存、传输以及检测信号电荷。就其结构而言, CCDA分为两种, 线阵和面阵, 前者主要是在生产线上的高灵敏传感器, 后者就是用于图像的摄取。

由于制造大面积、高分辨率的CCD相对困难, 和线阵CCD扫描图比较畸形且修复困难相比, 用光学镜头制造的面阵图像更为复杂, 所以在高精度图像传感器上, 大都倾向于使用线阵CCD, 很少使用面阵CCD。以电荷作为信号是CCD的突出特点, 其并不以电压或者电流作为基本参数, 而是以电荷作为基本参数, 这就能够把新的概念和技术引入器件的外围电路以及信号处理上。由于贮存以及转移电荷是该技术的基本功能, 所以, 其工作的基本原理为产生、贮存并传输信号电荷。在周期脉冲的帮助下, CCD通过贮存和传输来对各种功能加以实现。因为CCD还具有光电转换、贮存信息的功能, 所以在传感图像、处理信号以及信息贮存等领域获得最大化运用。特别在图像传感领域等上发展的速度尤其引人瞩目, 从提出CCD概念到其商品化进行历时四年。进入新世纪后, 在CCD图像传感技术上的研究有很多突破, 其在集成度、分辨率等上又有了很大的突破。

线阵CCD器件经过一定时间光敏曝光的作用下, 电荷信号向寄存器中转移, 然后移位寄存器使用一定的方式把其一个一个的输出, 进而得到我们需要的光电信息。线阵CCD具有高敏度、宽光谱、大动态、易操作、方便维护、价格便宜等优势, 迅速应用于工业生产线中, 在非接触尺寸检测、控制等精确等技术领域。

2.2 光电位置传感器

光电位置传感器 (Position Sensitive Detectors, 简称PSD) 作为一种新型的半导体位置探测器, 是综合光、电、机、算等为一体的产品, 其电信号来源于光电强度及敏感面的光电位置、当PSD敏感面上有光束照射时, 在不同电极上会有不同电压的出现, 也就意味着电流会流过电级, 同时电流和电压会随着光点位置的变化而出现有规则性的变化, 这种现象又称为半导体横向光电效应。正是基于上述效应, PSD能够对光电照射在传感器上的位置进行连续性的测量, 分辨率较高。光谱具有340-1100nm的响应范围。测量的过程中, 和光电的大小无直接关系, 处理电路也更为方便。 PSD在速度、距离、角度、压力等物理量测上有广泛的运用, 同时也可以组合其他传感器一同使用。

PSD的阵列器件有一维和二维之分。一维阵列器的工艺相对简单, 其优点为线性度好、噪声低。如果把二维阵列器在X/Y两个方向上做好线性位置, 其设计方法和工艺就比较复杂。和普通传感器相比, 光电传感器的主要优点为:其一, 具有良好的绝缘性, 比较安全, 无爆炸危险;其二, 不存在磁饱和问题;其三, 电磁不会干扰其输入和输出信号;其四, 小体积, 高传输效率。

3 结束语

进入新世纪后, 国内科学技术获得快速发展, 光电传感检测技术的研究也日益深入, 由于其在各行各业中的良好表现, 深受各国研究人员的重视, 今后, 光电传感器检测技术在国防工业等上的运用在不断提升, 因此我们要强化其研究, 以不断提升我国的综合实力。

摘要：在本文中笔者首先介绍了光电传感检测技术, 然后分析了光电传感器的研究情况, 以期进一步提升光电传感器检测技术的研究水平。

关键词：传感器,检测技术,光电

参考文献

[1]王海, 阚宏林, 许德章.基于光电检测技术的玻璃间距测量方法的研究[J].电子测量与仪器学报.2009 (02)

[2]许进, 孔智韬, 袁任旭, 常胜.基于光纤传感技术的电力铁塔监测系统[J].光通信技术.2015 (07)

[3]李刚, 曹浪舟.光电检测技术课程教学改革的探讨[J].高等函授学报 (自然科学版) .2010 (04)

光电混合式电流互感器的研究展望 篇9

1 国外研究状况

多年以来, 人们一直致力于新型电流互感器的研究, 以期取代传统的电磁式电流互感器。早在1894年, 即Michael Faraday发现磁光效应49年后, 就有人提出了用光学原理测量电流的设想, 由于当时技术条件所限, 研究仅限于实验阶段。20世纪60年代出现的半导体集成电路技术和激光技术, 为新型的电流互感器的研制铺平了道路, 70年代初光纤技术的问世革新了高电压环境下的信息传输技术, 也使电流互感器与迅猛发展的计算机技术和通信技术的兼容成为可能。因此光电电流互感器成为最有可能取代常规互感器的一种新型互感器。

国外利用Faraday磁光效应进行电流测量的工作于六十年代起步, 到七十年代初涌现出了多种新型电流互感器, 并在八十年代末九十年代的时候进行了实际应用。美国、日本、法国和前苏联等国先后研制出多种光电电流互感器样机, 并在实际高压电站长期运行。国外ABB、Als tom、Nxt Phas e、Sie me ns等公司已经开发出一系列光电电流互感器产品并在世界各地挂网运行。日本除研究500k V、I000k V高压电网计量用的光电电流互感器外, 还进行500k V以下的直到6.6k V电压等级的零序电流互感器的研究。

1994年ABB公司推出有源式电流互感器, 其电压等级为72.5一765k V, 额定电流为600一6000A;3M公司在19%年宣布已开发出用于138k V电压等级的全光纤型电流互感器, 可用于SO0k V电压等级;Photonies公司推出了一种用光推动的光电式电流互感器, 即“光电混合式电流互感器”, 他们曾于1995年至1997年期间在美国、英国、瑞典的超高压电网上试运行。法国ALSTOM公司主要研究无源电子式电流互感器, 目前已经研制出了123k V一756kv的光学电流互感器、光学电压互感器及组合式光学电流电压互感器等多种电子式互感器。自1995年以来, ALSTOM公司的电子式互感器已经有多台在欧洲及北美运行。

2 国内研究状况

在国内, 直到上个世纪60年代初期, 互感器的生产才逐步专业化, 开始形成全国互感器行业。基于光学原理的电子式互感器研究己经展开并取得了一些理论上的成果, 但还没有在实际电力系统长期运行的光电互感器问世。我国光电电流互感器的研究始于七十年代, 以1982年在上海召开的“激光工业应用座谈会”为起步, 主要研究单位有电子部26所和34所、清华大学、电力科学研究院、陕西电力局中心试验所、上海互感器厂、北方交通大学、华中科技大学、湖南大学等都在光电式电流互感器的研究中投入了很多人力和物力, 也取得了一定的成果, 但是其中大部分仅限于实验室探索阶段。其中, 清华大学和电力部电科院共同承担的国家“七五”攻关项目, 研究出了110k V光电电流互感器样机, 但未长期挂网运行。2001年, 华中科技大学与广东某公司合作研制的110k V光电电流互感器在梅州挂网试运行。2002年, 清华大学研制的110k VOECT样机在山东挂网试运行。另外, 国内电压互感器的研究热点在光电式电压互感器和电容式电压互感器, 华中理工大学研制的1I0k V光电式电压互感器于1998年在广东三江变电站挂网试运行, 但光电式电压互感器要想真正步入实用化, 取代传统的电压互感器, 则在制造工艺、技术普及及稳定性、可靠性等方面, 还需要做更多更深入的工作。

3 光电混合式电流互感器发展趋势

1994年国际电器与电子工程师协会 (IEEE) 下属新技术工作组和光纤传感工作组对光电互感器的发展趋势做了简洁的预言:光电电流互感器是高可靠性、高精度、大测量范围的电流互感器, 它将广泛地应用到电力和其他领域, 实验室研究和现场应用的距离将逐步缩小。因此, 21世纪, 光电式电流互感器将使互感器技术进入一个崭新的时代。目前国内的光电电流互感器有以下三个特点:l) 光电电流互感器研究将在理论、实验和实用三个方面更紧密地结合;2) 数字化、智能化是光电电流互感器发展的必然趋势;3) 光电电流互感器的发展将促进磁、光、电材料的进一步开发。

国际电工委员会关于电子式电流互感器标准的出台, 以及我国已经酝酿起草的电子式电流互感器国家标准, 预示着电子式电流互感器的产品化应用己经初步具备了行业规范, 为电子式电流互感器的市场化提供了基础平台。经过几年的电网改造, 电网的综合自动化水平得到了很大的提高, 对相应的网络瞬态保护提出了更快速的要求。随着电网的扩大, 输电线路越来越长, 传统的电流互感器己经无法满足距离保护的瞬态特性要求, 预计在未来5~10年中, 电子式电流互感器会在各种电压等级的电网中大量安装和使用。随着光电子学的发展和成熟, 国内外很多大学和科研机构不断投入精力和物力研究光电式电流互感器。发展到现在, 已经取得了很大进步, 预计再过十几年, 光电式电流互感器将全面走向工业化。

由于光电式电流互感器和传统的电磁式电流互感器相比有很多突出的优点, 未来光电式电流互感器将会被广泛的使用。除此之外, 光电式电流互感器还可以用于其他场合, 比如便携式电流互感器、高频电流测量等。随着超高压电力系统的发展, 电流测量和继电保护对电流互感器的要求越来越高, 而电子式电流互感器又具有其突出的优点, 必将在高频电流测量、继电保护、故障定位、综合自动化等方面得到广泛的应用。

摘要：我国已经由80年代的220kV骨干电网发展到目前500kv骨干电网, 下一个电压等级也许是750kV或1000kV。进入21世纪后随着长江等一系列大容量梯级电站的建设, 我国将出现特高压1200kV的输电线路, 与之相适应的电力系统中的输变电设备的额定电压和额定电流都将随之提高, 因此为了保证电力系统的安全运行, 提高电力生产的质量, 对电流、电压等参数的测量提出了更高的要求。为此, 光电电流互感器在电力传输中的作用不容忽视, 本文就此进行了一点有益的尝试, 为实际的工程提供借鉴。

关键词：光电,互感器,电力输送,现状

参考文献

[1]王延云, 罗承沐, 田玉鑫.电力系统中光电电流互感器研究.电力系统自动化, 2000.