光学互感器在智能变电站的应用现状与发展前景

王 谦，陆宇航，刘 勇，赵雪骞，周 恺，叶 宽

（1.国家电网北京电力科学研究院，北京 100075；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072）

光学互感器在智能变电站的应用现状与发展前景

王 谦1，陆宇航1，刘 勇2，赵雪骞1，周 恺1，叶 宽1

（1.国家电网北京电力科学研究院，北京 100075；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072）

光学互感器作为智能电网的关键设备之一，在智能变电站建设中得到了广泛应用，并发挥举足轻重的作用。本文介绍了光学互感器在智能变电站中的测量原理、技术方案与应用情况，从安全性、可靠性、抗干扰性、测量准确性、智能化与集成化等方面详细分析了光学互感器的技术特点与发展前景。通过总结光学电流与电压互感器的技术难题及解决方案，从技术路线、可靠性提升、标准化建设、质量把控与应用规模等不同层面探讨了光学互感器的发展机会与前景。

智能变电站；光学互感器；应用现状；技术难题；发展前景

互感器作为电力系统测量设备，是继电保护及控制的信息基础，直接影响高压电力的安全、可靠、稳定、有效运行[1-3]。近年来，我国智能电网发展迅速，处于世界先进水平，电子式互感器是其关键技术之一[4-7]。其中，光学互感器基于光学测量原理，在安全性、无激光供能、可靠性、抗干扰、暂态特性、集成一体化、交直流准确测量、智能化等方面具有突出优势，为业界公认的发展方向[8-12]。

从2008年开始应用，截止到目前，光学互感器已应用于我国近80座智能化变电站，总数超过2 000相，应用时间超过6年。光纤互感器理论的发展与光导纤维制造技术的完善以及挂网运行和测试，极大地推动了我国光学互感器的发展，为光学互感器进一步实用化和普及化奠定了坚实的基础[13]。

本文介绍了当前光学互感器在智能变电站的应用与发展情况，总结分析了光学互感器的技术特点、技术难题与解决方案，并对未来智能变电站中光学互感器的相关研究、技术发展与应用前景进行了探讨。

1 光学互感器技术方案及应用情况

1.1 光学电流互感器

图1给出了全光纤电流互感器FOCT（fiber optical current transformer）测量原理及技术方案。如图1（a）所示，FOCT是基于法拉第磁光效应及安培环路定理的原理。当一束偏振光沿着与电流产生的磁场方向通过法拉第材料敏感光纤时，偏振光将产生法拉第旋光角φ，通过Sagnac干涉仪及闭环控制技术准确测量该旋光角从而测量一次电流。FOCT具体实施的技术方案如图1（b）所示，传输载体与传感器件均采用光纤，传感光纤环绕在被检测导体的周围，通电导体周围产生的磁场将影响光纤中的检测信号光，利用光的偏振特性，通过测量法拉第偏转角来间接地检测载流导体上电流的大小[14-17]。

图1 FOCT测量原理及技术方案Fig.1 Measuring principle and technical plan of FOCT

FOCT装配简单、灵活性好，很容易通过增减绕制匝数改变电流灵敏性，通常工程应用方案可采用独立支柱式，也可实现与气体绝缘全封闭组合电器GIS（gas insulated switchgear）、隔离式断路器DCB（disconnection circuit breaker）、罐式断路器、变压器、开关柜等高压设备的一体化集成，如图2所示。

图2 110 kV GISFOCT应用Fig.2 Application of 110 kV GIS

图3 OVT测量原理及技术方案Fig.3 Measuring principle and technical plan of OVT

1.2 光学电压互感器

图3给出了光学电压互感器OVT（optical voltage transformer）的测量原理及技术方案。基于Pockels电光效应，当偏振光在与高电压产生的电场方向垂直的电光晶体中传播时，偏振光产生相位差Δφ，通过准确测量该相位差从而测量一次电压。OVT技术方案如图3（b）所示，采用保偏光纤连接高压侧传感单元与低压侧光电单元，由电气单元探测干涉光强信号并通过处理输出数字信号[18-20]。

OVT工程应用方案既可采用独立支柱式，也可采用独立罐体式及嵌入式与GIS集成，如图4所示。

图4 OVT GIS集成应用Fig.4 Application of GIS OVT

2 光学互感器的技术特点及发展情况

2.1 技术特点

1）安全性

光学互感器采用全光纤测量方案，高压侧与低压侧通过传感光纤连接，从根本上实现高压光电隔离，无电磁能量传递，非介入式光学传感，有效解决传统电磁式互感器爆炸、谐振、二次开路、二次短路等危险[21]。

2）可靠性

高压侧仅一根无源敏感光纤，无需高压激光供能，可靠性高。通过加速老化寿命试验，一次敏感光纤常温下寿命150 a，85℃下寿命35 a，并且一次敏感光纤可实现冗余备份，特别是与DCB、GIS集成，能够与高压一次设备寿命匹配，确保一次侧高可靠性，二次侧光电子器件寿命可达10 a[22]。

3）抗干扰性

光学互感器无一次采集模块，信号敏感和传输均通过光纤实现，能够从根本上隔离高压一次侧的雷电过电压、操作过电压、快速暂态过电压VFTO（very fast transient overvoltage）的干扰问题[23]。

4）测量准确性

光学互感器能够准确测量交流、直流及高次谐波，并且暂态特性优异，能够满足现有的继电保护及测控要求。光学电压互感器无需电容分压，暂态特性优异，准确级0.2/3P[24]。

5）智能化

光学互感器真正实现一次设备智能化，具有故障自诊断、在线实时报警功能，避免了由于互感器自身故障引起保护误动作。一次部分高可靠，并具有冗余设计，可实现免维护。二次部分的故障，可实现高压带电维修[25]。

6）集成化

光学互感器安装方式灵活，可与DCB、GIS、变压器、罐式断路器、开关柜、发电机等高压一次设备高度集成，大幅度节约占地[26]。

2.2 发展情况

光学互感器在传感技术路线、Sagnac干涉微弱信号检测、闭环控制技术、温度等误差抑制技术、光纤工艺、核心光学元器件、质量保障体系及产业链上与光纤陀螺基本相同，二者原理框图对比如图5所示。光学电流互感器与光纤陀螺区别在信号敏感光纤环，在光电模块信号解调及处理部分相同（图5中左侧框中所示），主要体现在以下几方面。

图5 原理框图对比Fig.5 Comparison of principle diagram

1）光路实现

测量光路与光纤陀螺在信号敏感部分不同，主要的光路在二次端，光学互感器与光纤陀螺相同。

2）微弱信号检测

光纤陀螺和光学互感器均通过检测偏振光的相位差实现信号测量，相位差无法直接测量，通过测量两个偏振光干涉的光强间接测量相位差。最小敏感的相位差所对应的光程差约为0.01 nm，接近氢原子直径的1/100。常规方法无法测量，需要通过Sagnac干涉仪实现微弱敏感信号的检测，且采用±π/2偏置，通过相干信号检测，提高信号检测灵敏度。目前能够达到的敏感度为10-6π[27]。

3）双闭环控制

光学互感器和光纤陀螺均采用闭环控制技术，如图6所示。第1闭环用于提高灵敏度，保障在700 kA测量范围内的线性度；第2闭环用于消除相位调制器的半波电压漂移，确保高低温产品的一致性和稳定性[28]。

图6 双闭环控制系统结构Fig.6 Structure of dual-loop control system

该控制技术包括方波调制、四态调制、随机调制等，技术已经成熟，但对线性度、重复性、零位及零位稳定性等方面仍然需要深入研究。

4）核心光学器件

光纤陀螺和光学互感器核心光学元器件相同，均采用SLD光源、探测器、保偏耦合器、光学相位调制器、保偏光纤，且技术参数指标基本相同。特别是大部分核心器件，均在光纤陀螺牵引下，技术已经完备，并全部实现国产化[29]。

5）光路工艺

在光路绕制、光路固化、尾纤处理、熔接对轴等核心光路工艺上，均基本一致。通过几十年在陀螺领域的技术积累，在工艺方法与设备制造上均已经完备[30]。

6）误差机理及抑制方法

在误差机理方面，均可通过ALLAN方差进行识别，并在噪声机理、误差抑制方法等方面均基本相同。目前光纤陀螺技术的测量准确度国内最高达0.001°/h，光学互感器（电流参数为600 A和0.2 s）的测量准确度相当于1.0°/h陀螺水平，因此光学互感器技术完全可借鉴高精度军工陀螺技术，测量准确度及稳定性具备很大的优势。

7）产业链及质量保障

光学互感器与光纤陀螺在上游核心元器件产业链相同，产业链已经完备，且在核心元器件有军工质量保障体系，确保了这些核心器件的可靠性和长期稳定性[31]。

光学互感器产品工程化技术已经逐渐成熟，其准确度、温度、振动等环境适应性问题均从元器件、工艺、光路设计、系统补偿等多方面解决。在与高压设备GIS、DCB、罐式断路器、变压器等安装集成、施工、现场试验、故障处理等多方面逐步完善，特别是实现光学互感器在线自诊断功能，有效避免因光学互感器异常而导致的误动。

3 光学互感器的技术难题与解决方案

表1和表2给出了近年来光学互感器（FOCT和OVT）在应用过程中出现的主要技术难题及解决方案。光学互感器在应用过程中主要解决温度稳定性和环境适应性，在核心技术、工程应用技术、环境适应性、长期可靠性技术等方面，光学互感器不断借鉴军工陀螺技术并加以改进，技术水平得到很大提升，关键技术及应用技术均获得突破，能够满足智能变电站要求，提供坚强支撑。但是从整体来看，光学互感器厂家技术水平及质量保障能力参差不齐，需要严格对厂家把关。

表1 FOCT技术难题及解决方案Tab.1 Technical problems and solution plan of FOCT

表2 OVT技术难题及解决方案Tab.2 Technical problems and solution plan of OVT

4 光学互感器的发展机会与前景

1）把握技术路线

FOCT在光纤传感技术路线、核心光学元器件、信号检测、工艺及生产模式与光纤陀螺基本相同，技术方案及产业链已经完备。FOCT工程大量应用，可靠性较高，无激光供能问题，抗电磁干扰性能好，暂态特性好，集成度高，是互感器的发展方向。

OVT通过双极相位干涉式光路及等势腔等技术，解决了长期稳定性和环境适应性等问题。在工程上得到验证，技术路线可行，能够解决电容分压的安全性、暂态特性差等问题，具有突出的技术和可靠性优势，为后续智能变电站最佳的选择路线。

2）提升产品性能可靠性

光学互感器通过国网公司中国电科院新一代关键技术课题牵引，产品可靠性得到提升，并通过大量的工程应用进行问题改进，产品能够满足现有智能变电站的需求。

3）加强标准化建设

由于全FOCT不存在高压电磁干扰导致的AD故障模式，AD抗干扰可靠性更高，并且内部自诊断能够完全覆盖AD故障并报警，所以传统互感器及有源式电子式互感器的双AD要求对FOCT不适应，大大增加了变电站投资成本，因此建议FOCT配置按照保护配置要求，单套保护配置单光路，双套保护配置双光路，满足继电保护可靠性要求，同时减少变电站投资，推动行业健康发展。

同时，由于目前在制定电子式互感器与合并单元通讯协议时，各个厂家均采用私有协议，不能满足变电站通常合并单元需要接入多家互感器要求，导致现场产品不具备互换性，在性能检测方面也大大增加了工作量。因此，需要统一互感器与合并单元通讯协议，增加产品的互换性，将合并单元与互感器独立招标采购，分别检测，与实际工程应用相适应。

4）加强质量把控

FOCT技术及产业链已经完备，但是厂家质量把控能力参差不齐，有的厂家产品技术不成熟，质量把控不到位，影响了行业健康发展，因此需要提高工程产品入围门槛，确保工程质量及行业健康发展。

5）逐步扩大应用规模

光学互感器技术总体基本成熟，但在工程化应用技术方面还需要通过应用来完善，特别是质量需要量的暴露和提升，把握好技术路线方向，积极稳妥地推进光学互感器应用，特别是在超高压、特高压上技术优势和性价比优势更突出，需要逐步扩大应用规模。

光学互感器目前应用量较少，导致成本较高。如果应用量达10 000相，其直接材料成本能够较大幅度下降，在110 kV、220 kV达到常规互感器水平，在超高压、特高压成本低于传统互感器。

5 结语

光学互感器能够解决传统互感器在超高压、特高压应用领域的缺点与不足，是智能变电站建设的重要环节与关键技术，具有广阔的发展前景与巨大的市场效益，但其存在的成本、性能、质量等方面的问题阻碍了其发展与推广。因此，需要结合当前光学互感器的应用现状与技术难题，把握好其今后发展的技术路线，不断提升产品性能，加强质量把控与标准化建设，逐步扩大其应用规模，充分发挥其技术优势与应用价值。

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关于论文摘要和关键词

1 摘要

（l）摘要的内容包括研究的目的、方法、结果和结论，篇幅以200字左右为宜。

（2）摘要应具有独立性和自明性，应是一篇完整的短文。一般不分段，不用图表和非公知公用的符号或术语，不得引用图、表、公式和参考文献的序号。

（3）英文摘要一般与中文摘要内容相对应。

2 关键词

（1）关键词是为了便于作文献索引和检索而选取的能反映论文主题概念的词或词组，一般每篇文章标注3～8个。

（2）中、英文关键词应一一对应。

摘编于《中国高等学校自然科学学报编排规范》（修订版）

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 谦（1984—），男，硕士，高级工程师，主要从事输变电设备状态检测与试验方面的研究工作。Email：wang312412@sina.com

陆宇航（1973—），男，博士，高级工程师，主要从事输变电设备状态检测与试验方面的研究工作。Email：lyh-1323@163.com

刘 勇（1980—），男，博士，副教授，主要从事输变电设备状态检测与试验方面的研究工作。Email：tjuliuyong@tju.edu.cn

2016-03-25；

2016-06-07

参考文献：国家电网公司科技资助项目（52020116000A）