光電式電流互感器在高壓電能表中的應用研究

摘 要：隨著電網中非線性負荷的增加，常規電能表已無法準確計量電能。針對當前傳統電能表用電流互感器測量范圍小、易飽和等問題，提出將光電式電流互感器元件應用于高壓電能表。文章介紹了高壓電能計量、光電式電流互感器研究現狀，并在此基礎上，提出光電式新型高壓電能表在實際運行中的應用。

關鍵詞：光電式電流互感器；高壓電能表；應用

隨著電網中非線性負荷的增加，產生的諧波現象日益加劇，常規的電能表已無法滿足計量諧波電能的需求。目前常規電能表一般采用傳統電磁式電流互感器進行電流信號轉換，而傳統電磁式電流互感器帶鐵芯、測量范圍小、易飽和，且易受電磁干擾。光電式電流互感器作為一種新型的電流互感器，涉及光電、光纖傳感技術和非線性光學信號等技術，具有傳統互感器所不具備的優勢。

文章提出將光電式電流互感器應用于高壓電能表，介紹了高壓電能計量、光電式電流互感器研究現狀，并在此基礎上，提出光電式新型高壓電能表在實際運行中的應用。

1 高壓電能計量現狀

目前，高供電能計量裝置使用較多的是結合高壓電壓互感器、高壓電流互感器、二次回路和電能表相連接的裝置。這種計量方式存在一定的弊端：（1）故障隱患多，測量一個計量點需要多臺互感器，尤其是電壓互感器，受系統中多個因素（如電磁諧振、過電壓操作等等）影響，易出現熔斷器被熔斷甚至爆炸的現象；（2）耗能過高；（3）裝置體積過大，多臺互感器之間要求一定安全距離，同時還要求外部接地，占地面積較大，安裝費用多；（4）無法直接讀取電量，需根據互感器的倍率計算，不利于管理；（5）綜合誤差很大，計量裝置各組成部分都有系統誤差，安裝過程中還會造成人為誤差；（6）無法防止竊電，回路部分線路裸露在外面，易發生竊電現象。

2 光電式電流互感器

光電式電流互感器是一種集光纖傳感技術、光電技術、非線性光學及信號處理等多個學科的理論和應用于一體的新型互感器。利用光纖將一次側的電流信號傳輸到二次側的數據處理系統。

光電式電流互感器（OCT）涉及多個學科，包括光纖傳感和光電技術、非線性光學信號處理等理論。我國對該項技術的研究起步較晚，于80年代開始進行理論研究，90年代后與國外電力公司協同合作，正式掛網試行，目前我國OCT距離發達國家的仍有差距。

OCT可以分為有源型和無源型兩種。有源型OCT又叫做電子式光纖電流互感器，高壓側采用電子器件制成傳感頭，利用光纖技術將高壓側光信號傳遞到低壓側。按信號調制方式和傳感頭處采樣方式又可分為調幅電子式OCT、壓頻轉換采樣式OCT、ADC式OCT三種。有源型OCT結構簡單、造價成本低、精度高、設備安裝檢修和維護簡便，運行時也非常安全，穩定性好，適用于自動化的高壓電能計量。無源型OCT是不需要供電電源的測量裝置，采用法拉第磁光效應原理，它的缺點是精度、穩定性易受溫度、震動的影響。結合有源OCT和無源OCT特性，高壓電能表宜采用有源光電式電流互感器。

3 光電式新型高壓電能表的應用

3.1 光電式新型高壓電能表的系統設計和工作原理

光電式新型高壓電能表包括三個組成部分，高壓側組成部分、光纖傳輸部分、低壓側組成部分，光電式互感器位于高壓側部分。

光電式新型的高壓電能表采用了光電式互感器代替傳統的電磁式互感器，利用較弱的輸出電流進行高壓電能計量。高壓電流傳感器的取樣回路與高壓側電流的微電流信號成正比，而高壓電壓傳感器的取樣回路與高壓側電壓的微電壓信號成正比，采集到微電壓和微電流信號后，經處理傳送到電能計量的單元，瞬間乘法器將電壓和電流相乘輸出一個直流電壓，這個電壓與采集時間段內的平均功率成正比，經變頻器變換為相對應的脈沖序列，再進行分頻后顯示出實時的電量。計量裝置的工作電源采用電容取流電路提供的電源，設計時計量單元與傳感器結合在一起，改變了傳統方式，按模塊要求將傳感器輸出的信號輸入到系統中直接得到可用的弱信號，不用進行標準電壓的二次轉換。在高壓側即可完成計量，通過光纖將數據傳送到低壓側，利用傳感器將高壓側的電流電壓信號轉變成弱信號傳送到低壓側，保留了傳統的讀取數據形式。

3.2 光電式新型高壓電能表的優點

3.2.1 安全性能高

與傳統的電磁式互感器比較起來，光電式互感器將高壓側和低壓側完全分離開來，采用光作為能量來源，因此高低壓被完全地分離開，從而安全等級提高，電能表的安全性能也有所加強。

3.2.2 抗干擾能力強

傳統的電磁式互感器的絕緣難度很大，應用到高壓電力系統中時要求更高，需要增加很多輔助設備，導致總體體積增加、重量加重、花費增多，一旦出現問題，還要投入更多的資金維護。光電式的新型電能表由于采用光信號進行信息傳輸，可以簡化互感器中的絕緣結構，摒棄傳統的電能表中比較復雜的結構，具備了更好的絕緣性能，性價比也有所增加，提升了自身抗干擾能力，從而測量的數據更加精確。

3.2.3 無磁飽和、諧振問題

傳統的鐵磁式互感器在使用中會出現鐵芯飽和現象，這時勵磁電流便會超過規定的額定電流，從而產生大量的熱量，嚴重時甚至會燒斷線路，從而影響電壓表的正常工作。光電式的互感器中不存在鐵芯，故不會出現磁飽和或是鐵磁諧振現象，測量范圍也更大，同時減小了故障發生率。

3.2.4 無噪音、污染小

因單個互感器的測量范圍有限，傳統的高壓電能表為保證測量范圍和精度，需要多個電磁式互感器進行工作，設備增加后不僅花費更多資金，同時多項設備共同運行也會產生更多的噪音和污染。而光電式新型高壓電能表在工作時噪音更小，光電式的信號傳輸要比傳統模式便捷，不需要多個互感器，減少了金屬使用，也減少了污染。

3.2.5 體積小、重量輕

新型的光電式高壓電能表由于采用了光電式互感器會大大減小其自身體積，光纖等材料的應用更是能減輕電能表的重量，從而節省了運輸費用。若是實際應用中出現了故障或是其他問題，維護更方便。

3.2.6 適應智能化需要

目前，國內外的電力系統總體設計都在向著數字化、信息化、智能化和網絡化發展。作為電力系統中用于計量電能的裝置，電能表需朝智能化發展。傳統的電磁式互感器應用的電能表已無法適應智能化要求，光電式的新型電能表應運而生，將之發展成數字化信息化的新型高端電氣設備。

4 結束語

光電式電能表的應用解決了傳統電能表中計量精度低、安全性差、體積過大、質量過重、抗干擾能力差等諸多問題，同時還能進一步將高壓電能表引入智能信息化的領域。但是我國的光電式新型高壓電能表還沒能根據各地區的不同標準進行普及，還需要進一步的繼續研發，爭取實現全國范圍內的高壓電能表光電化。

參考文獻

[1]蒙媛.新型高壓電能表原理及應用[J].中國新技術新產品，2013（03）.

[2]王月志.光電式電流互感器的研究[J].計量與測試技術，2012（06）.

[3]邸榮光，劉仕兵.光電式電流互感器技術的研究現狀與發展[J].電力自動化設備，2006（08）.

[4]金維剛，單瑞卿.基于ADE7169ASTZF16的光電式高壓電能表設計[J].武漢大學學報（工學版），2008（04）.