淺談數字化變電站中的光電互感器

    數字化變電站就是將信息采集、傳輸、處理、輸出過程完全數字化的變電站。全站采用統一的通訊規約構建通信網絡，保護、測控、計量、監控、遠動、VQC等系統，均用同一網絡接收電流、電壓和狀態信息，各個系統實現信息共享。常規綜自站的一次設備采集模擬量，通過電纜將模擬信號傳輸到測控保護裝置，裝置進行模數轉換后處理數據，然后通過網線上將數字量傳到后臺監控系統。同時監控系統和測控保護裝置對一次設備的控制通過電纜傳輸模擬信號實現其功能。數字化變電站一次設備采集信息后，就地轉換為數字量，通過光纜上傳測控保護裝置，然后傳到后臺監控系統，而監控系統和測控保護裝置對一次設備的控制也是通過光纜傳輸數字信號實現其功能。
   
    隨著電力工業的不斷發展，電網電壓等級的不斷提高，對電壓、電流的測量要求也在不斷提高，而互感器作為連接高壓與低壓的一種電器設備也不斷地改進和發展，其中對于衡量互感器先進與否的一個重要指標就是互感器的絕緣問題。對于傳統的電磁式互感器來說，由于絕緣成本隨著絕緣等級的升高成指數增長，因此原有的空氣絕緣、油紙絕緣、氣體絕緣和串級絕緣已經不能滿足超高壓設備的絕緣要求，同時傳統互感器存在磁飽和的問題，造成繼電保護裝置的誤動或拒動，而且鐵磁諧振、易燃易爆及動態范圍小等缺點一直是傳統互感器難以克服的困難。于是，各種針對高電壓、大電流信號的測量方法便應運而生，其中，基于光學和電子學原理的測量方法，經過近三十年的發展，成為相對比較成熟、最有發展前途的一種超高壓條件下的測量方法。

    光電互感器指輸出為小電壓模擬信號或數字信號的電流電壓互感器。由于模擬輸出的光電互感器仍存在傳統互感器的一些固有缺點，現在發展的高電壓等級用光電互感器一般都用光纖輸出數字信號。光電互感器與傳統互感器外形相似，但體積小，重量輕，主要由傳感頭、絕緣支柱和光纜三部分組成。①傳感頭部件有羅科夫斯基線圈、采集器、A/D轉換器和光發生器LED。工作原理是由羅科夫斯基線圈從一次傳變信號，采集器采樣后，AD轉換器轉換為數字信號，由LED轉換為光信號，通過光纜送回主控室。羅科夫斯基線圈一般有保護、計量和測量、能量線圈，羅科夫斯基線圈形狀是空心螺線管，無鐵芯，填充非晶體材料，主要起支撐作用。②絕緣支柱采用硅橡膠絕緣子，內部填充固態硅膠，起到支撐、絕緣和固定光纜作用。③光纜分為數據光纜和能量光纜，從傳感頭通過絕緣支柱內部引下，送回主控室。④能量問題。傳感頭部件的電源是光電互感器的難點之一。傳感頭部件（采集器、A/D轉換器和光發生器LED）使用微功耗裝置，功率30毫瓦。

    光電互感器可分為兩種型式。一種是用磁光效應和電光效應直接將電流電壓轉變為光信號，一般稱無源式；另一種是用電磁感應或分壓原理將電流電壓信號轉變為小電壓信號，再將小電壓信號轉換為光信號傳輸給二次設備，一般稱有源式。無源式由于存在穩定性和可生產性較差、電子回路復雜等問題，現在主要處在實驗室階段，推廣運用還有待時日。有源式的難點是提供高壓端需要的工作電源，但隨著激光供能和高壓取能技術的突破，已得到根本上的解決。光電互感器傳感頭部件的能量來源有兩種途徑。一是從一次取能，由能量線圈感應出電流來提供能量；當一次電流太小，不足以提供能量時，使用能量光纜，由戶內激光發生器通過光纜上送能量。兩種方式可互為備用，自動切換。

相對于傳統的電磁式互感器，光電互感器有明顯的優點：
（1）在高電壓、大電流的測量環境中，光纖或光介質是良好的絕緣體，它可以滿足高壓工作環境下的絕緣要求；
（2）沒有傳統電流互感器二次開路產生高壓的危險，以及傳統充油電壓、電流互感器漏油、爆炸等危險；
（3）不會產生磁飽和及鐵磁共振現象，它尤其適用于高電壓、大電流環境下的故障診斷；
（4）頻帶寬，可以從直流到幾百千赫，適用于繼電保護和諧波檢測；
（5）動態范圍大，能在大的動態范圍內產生高線性度的響應；
（6）適應了現在電力系統的數字化信號處理要求，它還可用于以保護、監控和測量為目的高速遙感、遙測系統；
（7）整套測量裝置結構緊湊、重量輕、體積小；
（8）各個功能模塊相對獨立，便于安裝和維護，適于網絡化測量。

    由于光電互感器的諸多優點，光電互感器取代傳統互感器將只是一個時間問題。國際上，光電互感器已逐步成熟，正已越來越快的速度推廣運用。其中ABB、西門子等公司生產的光電互感器已有十幾年的成功運行業績。采用光電互感器的數字化變電站在歐洲也已經投入運行。我國光電互感器的研制和運用相對比較落后，僅有為數不多的變電站使用了一些進口的光電互感器。國內有二十余家企業和高校涉足了光電互感器的開發，經過多年的努力，已有若干套設備在現場試運行。

    我國在有源式光電互感器的研究已走在無源式的前面，有的產品已在多個變電站試運行近一年的經驗，運行情況良好，可滿足保護和計量的要求，并通過了部級鑒定，達到國際先進水平。同時國內的二次設備制造商開發了可與光電互感器直接接口的數字接口繼電保護裝置、數字接口電能表等二次設備，為光電互感器的實際應用提供了基礎。

光電互感器目前存在的問題對電能計量方面的影響：

（1）由于處在研究開發中，光電互感器性能仍不穩定。對于電能計量來說，光電互感器的穩定運行是保障計量準確的前提，尤其是一些在變電站計費的電能表，更加不能忽視光電互感器的性能穩定性。

（2）溫度對光電互感器的精度有較大的影響。電能計量是對精度要求較高的專業，其對精度的要求往往要高于其他專業。而絕大多數的光電互感器均是裝設在戶外，南方春秋兩季夜晚與白天溫差較大，不可避免的對電能計量帶來一定影響。

（3）電子互感器在A/D轉換的過程中存在較大的角度誤差。在光電互感器對采集到的模擬量轉換為數字量的A/D轉換中，會帶來較大的角度誤差，從而對電能計量的計量準確性又帶來了一定的影響。

（4）與光電互感器相匹配的電能表必須具有國家法定計量檢定機構的認證。由于光電互感器的結構特殊性，必須要采用與之相匹配的電能表進行計量，原先的電能表均無法實現計量功能，為此就出現了一個新的問題，新型的電能表作為一種“新”計量工具，按照國家法規就必須有具有國家法定計量檢定機構的認證，因此新型電能表的認證也是必不可少的。■