摘要：  光纤电流传感器的原理及其在地下供电线路上的应用。

关键字：  光纤电流传感器，电流互感器

1 前言
电力设备中电流的检测设备，一般采用变流器（电流互感器），但这种测量方式是由载流导体穿过铁芯和绕线组成的圆形线圈。利用此线圈结构检测电流时，如果被测的电流越大，铁芯的体积就越大；而且电压愈高，圆形线圈的直径也要越大。因此，电流互感器在测试大的电流时，就须要采用大型的线圈，重量也随之增加。这就存在难于安装及搬运等问题。为解决这些课题，开发了一种利用光特性的光纤电流传感器。
光电流传感器的光纤为一柔性的微细管形状，只要将其卷绕在被测对象上，即可稳定地检测电流，能对原有设备简单的进行测试。
下面，对光纤电流传感器的原理及其在地下供电线路上的应用予以介绍。
2 光纤电流传感器
2.1 原理
光是电磁波的一种，光波一边振动，一边向空间传播，这一振动面（以下，称偏振波面），穿过磁场并倾斜（图1）。该现象称为“法拉第效应”，这就是光纤电流传感器的基本原理。
图 1  中偏振波面的旋转角（法拉第旋转角）
θF=VHL                                       (1)
式中，H—磁场强度（光进行方向的部分）(A/m)；L—法拉第传感器的长度(m)；V—菲尔德(verdet)系数；deg/A（取决于介质的种类与光的波长）。如式(1)所示，法拉第旋转角与施加于介质的磁场强度成比例，因此，将该介质（这里为光纤）作为传感器元件使用，如果测定法拉第旋转角，即可检验出磁场强度。
此外，产生于电力电缆周围的磁场强度，一般与流过其电缆的电流成正比例（安培定则，图2）。故离电流r距离的磁场为H的话，则流过电缆的电流为：
I=2πrH                                           (2)
从而，由式(1)、(2)，只要将光纤传感器卷绕于电缆的周围，就可测出流过电缆的电流（图3），也就是说，电流产生磁场，其磁场强度取决于电流大小，电流越大，磁场就越强，光在磁场中通过时，藉测量偏振光波面的倾斜度，就可计算出电流的大小。
2.2 向实用化进展
如上所述，光纤电流传感器建立在非常简单的原理上，但为了开发符合实际应用的传感器却是困难的。因为在光纤施工时，对其弯曲会产生倾斜（光弹性问题）；对其扭转也会产生与形状相应的倾斜（旋转偏振波问题）。偏振波面会受到这些磁力（法拉第效应）以外的影响。
面对这些问题，东京电力公司与HOYA公司共同开发了无石英的一般原材料，采用光弹性系数非常小的铅玻璃新型光纤，因而解决了光弹性问题。关于旋转偏振波问题，是在光纤的端部，安装一镜面，导致光纤中光线的往返，用这一有效方法，以解决偏振光波面倾斜的问题。
这样一来，移动、搬运容易。成功开发的光纤电流传感器，只要将光纤卷绕于导体，就能正确的测定电流大小。这种电流计世界上尚无同类产品。一般认为，在进入成熟期的电力技术之中，这是非常有划时代意义的技术开发。
2.3 新型传感器的特点
对地下供电线路的应用中，已开发的光纤电流传感器，对照电流互感器存在的问题可列出以下特点。
(1)小型轻量 元件和光传输线路中因无金属，容易确保传感器的绝缘。由于没有铁芯和容易绝缘，故能实现装置的小型轻量化。
(2)安装容易 不断开主回路，只要将柔软的光纤缠绕在导体上就能进行测定。
(3)抗电磁噪音 除电子电路以外，全部为光学元件，故不受电磁感应噪音的影响。
(4)测量范围宽 能高速响应，而且没有因铁心磁饱和导致的特性劣化问题。
3 事故区间判定装置
3.1 装置的目的
对于架空供电线与地下供电线混合的电力系统，以及有地下分支的电力系统等，为早期的判定事故区段，设置了判断事故区间的装置。为此目的，这里应用了由“东京电力”、“关西电力”、“高岳制作所”三公司联合开发的光纤电流传感器，作为事故区段的判定装置。
3.2 装置的组成结构
图4为装置的基本结构，表1列出事故区间判定装置用光纤电流传感器的规格。
在地下电缆两端（A点、B点），安装光纤电流传感器。传感器部分（传感头）能检测出事故时的零相电流。按照事故时流过的电流，已调制好的传感头，其输出光经光纤传输线，送入设置于变电站内的检测盘。在检测盘的光电变压器中取得电流的测定值，将该值输出至继电器。继电器根据A点与B点的电流测定器，通过电流的差动运算以判定事故区间。
图5所示为阻抗接地系统用传感器及其与电缆的安装结构。在电缆头下面收束捆扎三根电缆之处，将传感器光纤包绕住三根电缆，就能高精度地检测接地事故的电流。缆头下面收束捆扎三根电缆之处，就能高精度地检测接地事故的电流。传感器头部为防水结构，可适用于担心浸水的地下场所。
3.3 实用化
关西电力公司自平成16年以来，一直采用本装置的实际线路。东京电力公司平成19年4月在某分支的66KV线路上开始应用本装置。照片1为在66KV实际线路上安装传感器的情况。
4 事故点标定装置
4.1 装置的目的 
与上述的事故区间判断装置不同，这里是标示事故点的事故点标定装置。该装置可检测出从电缆端部到若干米的地点出现了事故。在东京电力公司，对于超高压地下供电线路，必须相应地装设浪涌接收型事故点标定装置。“东京电力”、“东光电气”等共同研发了应用光纤电流传感器的事故点标定装置，旨在确保该装置的工作可靠性等。
4.2 装置的结构
图6为事故点标定装置的整体结构。表2列出事故点标定装置用光纤电流传感器的规格。该装置是由光纤电流传感器（光CT）2组，标定装置子台2个，标定装置主台1个，以及这些装置的数据传输线所组成。光纤电流传感器安装在电缆头部。这一系统的工作原理如下：
(1)一旦发生事故，光纤电流传感器检测出从事故点到达的浪涌电流信号，并传输至子台。
(2)通过光纤电流传感器发出的信号，正确的计测出由GPS（全球定位系统）记时的浪涌到达时刻，并将这些值传送到判定装置主台。
(3)在主台上，由各子台传来的浪涌到达时刻的差值，用以确定事故点（理论上，在电缆的中间点出现事故时，主台至子台的浪涌到达时刻是相同的）。
4.3 实用化
利用已开发的这一装置，在实际的线路上进行了事故点的标定试验。该装置的实用性已得到确认。此时的标定误差绝对值最大为48m，平均为38m（5次平均）。通过事故点附近的换气孔或MH（检查维护孔）的检验。可确认已达到充分的精确度。由这一试验结果再对装置进行了调整。
平成19年3月，东京电力公司对275KV地下供电线（全长13.9km）应用了该装置，并一直正常运行着（照片2、3）。
5 结束语
本文介绍了有关的光纤电流传感器，以及将传感器用于地下供电线路的事故区间判定装置和事故点标定装置的情况。新型光纤电流传感器应用中，只要将传感器的光纤卷绕在电缆上，就能稳定的对电流进行检测。由于具有抗电磁噪音、可高速响应等特点，今后可望在供电系统中更充分的发挥作用。

参考文献
[1] 那须川慎介，光ファィバ电流センサの地中送电设备への应用，（日）《电气现场技术》2008.No7. P28~31
[2] 邓隐北 彭晓华，光纤电流传感器的工作原理及应用，《上海电力》2008. No6. P550-552

作者简介
邓隐北(1937- )男，江西萍乡市人，华中理工大学5年本科毕业。原郑州大学机电工程学院院长，研究员，现任森源电气公司技术顾问。
张振兴(1986- )男，河南新郑市人，洛阳理工学院毕业，工程师。