220kV光纤电流互感器

（一）项目简介

1.1 立项理由、意义和目的

改革开放以来，由于实行了多渠道集资办电的政策，电力工业的发展速度和规模在我国历史上是空前的，在全世界也是少有的。截止1997年底，我国的装机容量和发电量跃居世界第二位，进入电力大国的行列。虽然我国电网主网架在向500KV电压等级发展，但还未形成有足够输电能力的主网架。1988年以来，尽管每年装机容量达到1000万KV以上，年平均发电量的增长率也接近11%，但缺电局面并没有完全扭转，仍成为制约国民经济发展的重要因素之一。目前我国超高压输电设备和技术与发达国家相比，还比较落后。因此，对我国高压输变电设备提出合理可行的改造、产品更新、已刻不容缓。

电流和电压互感器是输电线路中最基本的最重要的检测设备，其作用是就是将输电线路上的高电压和大电流数值降到可以用仪表直接测量的数值，以便于用仪表直接进行测量。互感器除用作测量外，还为各种监控及保护设备提供电信号，以监控电力系统的运行。

传统的电压和电流互感器是电磁感应式的，具有类似变压器的结构。随着电力系统传输的电力容量的增加，电压等级越来越高，它们暴露出一系列固有的缺点：

1． 绝缘结构越来越复杂，产品的造价也越来越高，产品重量大，支撑结构复杂。

2． 电磁式电流互感器固有的磁饱和现象，使二次电流严重畸变，严重影响继电保护设备的运行，造成拒动或误动。

3． 输出为模拟量，不利于电力系统的数字化进程。

利用现代光电子技术发展起来的数字式光纤电压和电流互感器具有许多优点：

1． 绝缘结构简单；重量轻（约为电磁式的1/10）；体积小。

2． 没有铁心，不会发生饱和，二次电流不会发生畸变，这将有利于差动保护、过流保护等继电保护设备的运行。

3． 输出为数字量，省去中间的CT和PT，可以大为简化现有的继电保护设备，有利于电力系统的数字化进程。

4． 可利用GPS全球定位系统，给互感器的数字输出量打上统一时标，有利于大电力系统运行状态的实时监控。

5． 各个功能模块相对独立，便于安装和维护。

现有的保护装置包括微机保护由于受传统的互感器性能的限制，其保护原理基本上都是基于工频量进行保护判断的。易受过渡电阻和系统振荡等的影响，其保护性能难以满足当今电力系统向着高电压、大容量、远距离方向的发展要求。利用故障时的高频暂态分量作为判断量的保护是一个新兴的发展方向。电力系统发生故障时，会产生从工频到高频噪声的故障暂态分量，这些故障暂态分量中，必然含有与故障有关的各种信息包括故障地点、故障类型、故障程度、持续时间等。这些信息的提取与分析利用，是提高保护性能的关键，它可以解决传统保护性能上存在的不足。利用暂态量的保护，对互感器的线性度、动态特性等都有较高的要求，而传统的互感器无法满足这个要求。

近年来迅速发展的光纤通信技术、计算机技术、自动控制技术和电力系统光纤传感技术为新一代电网的自动保护、监测和控制提供了很好的技术支持。基于光纤网的电力系统自动保护、监测和控制系统是电网发展的趋势。它用光纤传感的方法获取必要的信息，通过光纤网传输这些数据、命令和其它信息、进入计算机数据处理并监视，然后进行继电保护的控制，从而实现了一整套的自动化功能，这种系统在美国、日本、英国、德国80年代初就已在小型电站用光纤局域网对电站的保护和控制进行了安装实验。日本90年代初实现了电站的数字化通讯、保护和控制，美国、英国、德国等国家也正在大型电网安装和实验这方面的系统。

我们选择电力系统光纤传感技术为切入点，并连带发展与其相关的继电保护设备。这是考虑到，一是我们有一定的基础；二是这两种技术的发展是未来电力系统光纤数字网的关键技术，掌握了它们，在以后电力系统光纤数字网的研制中具有更大的优势。

混合式光纤电流互感器经过三十余年的发展，测量技术逐步成熟，混合式光纤电流互感器作为下一代电流互感器的主流产品，其不可替代的技术优势和价格优势已经凸现出来，随着当前混合式光纤电流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。

1.2 本项目国内外科研开发水平和发展趋势

80年代美、日、德、英、法、中等国投入光学电流/电压互感器的研究人员大约有150人，近20个课题组。其中成就最突出的是美国，其次是日本。

日本80年代的研究重点是GIS用的MOCT与光学PT、组合式光学零序电流/电压互感器。他们从1981年起，在理论、材料、性能、组装和电子学信号处理等方面进行了系统的研究；也取得了不少成功的挂网运行的经验。尤其是他们在1982年世界上首次获得磁光材料SF6、FR5玻璃、YIG（铁磁体）等磁光材料的温度（-25℃-80℃）特性曲线。此后，SF6被认为是MOCT的最好的磁光材料之一。

进入九十年代以来，随着电子技术和计算机技术的不断发展，中大规模集成电路不断推陈出新，低功耗、高精度、高速度的A/D变换器、压控振荡器和信号处理芯片已经可以广泛地应用在工业现场了。因此，近年来，各国也很重视混合式光电电流互感器（Hybrid Optical Current Transformer）的研制工作，混合式光电电流互感器也被称为混合式光纤电流互感器（Eoct-Electronic Optical Current Transformer），这种传感头和磁光式电流互感器的主要区别在于传感头完全是由电子线路组成的。美国的Photonic Power Systems公司已经将这种电流互感器产品化；瑞士的ABB公司、德国的RITZ互感器公司也有同样的产品。

最近国际电工协会已发布电子式电压互感器的标准，以及电子式电流互感器（传感器）的标准的讨论稿。电子式互感器的含义，主要包括光电式的互感器，还包括其它各种利用电子测试原理的电压、电流传感器。这充分说明，在电力系统中使用光电式的互感器的时机已经到来。

（二） 混合式光纤电流互感器市场分析

根据国家机械工业局对全国33个重点互感器企业统计，1999年全年共生产互感器（包括电压互感器、电流互感器以及特种互感器）760474台，其中220kV及以上电压等级的4697台，实现工业总产值14.90亿元。

1999年，全国33个重点互感器企业共生产电流互感器636963台，其中500kV生产196台，330kV生产30台，220kV生产3824台，60kV生产1133台，油浸20～35kV生产11271台，浇注20～35kV生产16777台，10kV生产208035台，6kV及以下生产385861台。

以220kV电流互感器为例，目前220kV的传统电磁式电流互感器市场价格约为8万元左右，而220kV混合式光纤电流互感器成本价估计在1～2万元，具有很强的市场优势和技术优势。

由此可见，考虑到电力系统对电流互感器的年需求量以及已有电流互感器的更新换代，如果其中20％为新型的混合式光纤电流互感器，每年对混合式光纤电流互感器的需求量将达到220kV以上等级50台，220kV等级1000台，220kV以下2000台。

（三） 原材料和附加产品的市场分析

3.1 原材料的市场分析

混合式光纤电流互感器的主要原材料由电子元器件、激光管、光纤以及硅橡胶绝缘子组成。现代微电子技术的发展使得大量低功耗的集成电路不断涌现，所有传感头和信号处理部分的元器件能够容易地从中国市场上获得。

传感头部分主要包括下列元器件：模数转换器、计数器、参考电压源和移位寄存器等，为了尽量减小传感头电路的功耗，所有元器件都采用高速CMOS工艺元器件。传感头部分的核心器件是模数转换器，本装置采用的模数转换器为12bit的低功耗多路采集系统，可同时采集8路模拟信号。目前AD公司、TI公司和MAXIM公司都生产该种型号的芯片，而且都可以在中国市场上获得，价格在100元以内，大批量订货能获得更优惠的价格。其它器件比如计数器、参考电压源和移位寄存器都是市场上常见芯片。

信号处理部分主要包括电平转换芯片、单稳态触发器和数模转换器。这一部分电路的核心器件是数模转换器。同样，可以采用AD公司、BB公司和MAXIM公司的数模转换器，有多种满足要求的芯片都可以有中国市场获得。

激光管及其驱动装置由清华大学电机系与中科院半导体所共同研制，该装置的主要作用是通过光纤向传感头供能。光纤出纤最大功率为1.5W，经过功率转换以及DC－DC转换电路，传感头电路获得的最大功率为200mW左右，完全能够满足电路的功率需求。

绝缘子生产可以由绝缘子厂完成，成本约在2～3千元之间。

3.2 附加产品的市场分析

通过对混合式光纤电流互感器的研究，可以促进相关领域的研究和发展：

1． PASS系统的研究

PASS系统（插接式智能组合电器，Plug and Switch System，简称PASS）是一种新型的GIS装置，具有占地面积小、运行可靠性高、安装工作量小以及检修周期长等优点。它的设备本体部分包括复合绝缘套管、隔离开关、SF6断路器以及电流/电压互感器。相对于传统的电磁式电流互感器，混合式光纤电流互感器具有体积小的优势，非常适合应用于PASS系统。

2． 电力系统光纤网的建设

基于光纤网的电力系统自动保护、监测和控制系统是电网发展的趋势。它利用光电检测方法获取信息，通过光纤网将数据、命令和其它信息传输到测量仪表、继电保护设备以及控制设备等，从而实现电力电力系统自动保护、监测和控制。

混合式光纤电流互感器输出直接为数字量，省去中间的CT 和PT，可以大为简化现有的继电保护设备，有利于电力系统的数字化进程。

（四） 清华大学混合式光纤电流互感器的技术特点

1． 技术水平分析

（1） 激光供能技术：在国内首次提出激光供能的方案，激光器输出光能通过光纤由低压端传输到高压端，可向处于高压端的传感头提供大约150mW的功率，满足传感头电路的需求。

（2） 传感头设计方案：在国内首次提出利用Rogowski线圈提取一次信号，利用A/D转换器进行数字化，测量准确度达到IEC6044-8标准规定的0.5级混合式光纤电流互感器技术指标。

2． 技术特点

（1） 传感头供能采用激光供能的方式。其它供能方式主要包括：母线电流供能方式、电池供能方式和超声电源供能方式。母线电流供能方式的困难在于初级电流大幅度变化时难以保证直流电源的可靠性；电池供能方式的困难在于蓄电池寿命比较短，而且不易更换；超声电源供能方式由于超声波设备价格昂贵，难以达到实用程度。而激光供能方式的优点是输出电源比较稳定，电源纹波小，而且激光器处于低压端，更换方便。

（2） 采样线圈采用Rogowski线圈。随着微机保护的普及，继电保护设备不再需要高功率输出的电流互感器，因此低功率输出、结构简单、线性度良好的Rogowski线圈可以替代传统的电流互感器。

（3） 使用A/D转换器将Rogowski线圈输出信号数字号。如果直接将Rogowski线圈输出模拟信号直接通过电光变化转换成光信号，由于光信号在光纤中传输中衰减、损耗等，难以保证测量的准确度。如果光纤中传输的是数字光信号，将会大大提高测量信号的抗干扰能力。

3． 清华大学电机系混合式光纤电流互感器原理图

混合式光纤电流互感器的工作原理是：在高电位侧用Rogowski线圈将母线电流变成电压信号，该电压信号为模拟量，经过A/D转换成数字信号，用电光转换（E/D）电路将此数字信号变为光信号，然后通过光纤送到地电位側，再由地电位侧的光电转换器件（O/E）和数模转换（D/A）将其转换为电信号。

4． 混合式光纤电流互感器现场安装示意图

（五） 经济效益分析

5.1 技术设备

（1） 电子测量设备。包括若干数字示波器，频谱分析仪。

（2） 焊接设备。焊接对象包括标贴元件和直插元件。

（3） 绝缘子生产设备。

（4） 外壳生产设备。包括传感头封装外壳和信号处理单元外壳。

（5） 光纤生产设备。要求能够生产60μm～200μm芯径的光纤。

（6） 其它辅助设备。 设备总投资约100—300万元。

5.2 效益分析

5.2.1 生产规模：

220kV电流互感器年产1000台；

5.2.2 经济效益：

1． 成本

原材料成本：

电子元器件：0.5万元/台×1000＝500万元

激光器：0.4万元/台×1000＝400万元

绝缘子：0.2万元/台×1000＝200万元

其它：0.2万元/台×1000＝200万元

原材料成本总计：500＋400＋200＋200＝1300万元

设备损耗：

前期投资设备费为200万元

200万元/10=20万元/年耗

水电费用：

0.05万元/台×1000＝50万元

人工费用：

1.2万元/人·年×30人＝36万元/年 总成本＝1300＋20＋50＋36＝1406万元

2． 产品收入

220kV电流互感器：8万元×1000台＝8000万元；

总收入＝8000万元 毛利润＝8000－1406＝6594万元（税前利润）

3． 结论：

可以实现当年投资，当年投产，当年盈利

（六） 土建工程

本工程设计要求占用土地面积约10亩，建筑面积约1000平方米。

1. 综合考虑与周围环境和谐统一以及当地的规划要求，厂区从整体设计到建筑单体设计应力求简洁、明快、富有现代气氛，同时能够体现本行业的特色，将厂区的设计与主要产品的形象设计有机地结合起来，树立以高科技产品为主导的现代化企业形象。

2. 本设计按照国家及行业制定的有关建筑、消防、规划、环保等各项规定，在满足工艺和生产管理的条件下，尽可能地改善工人的操作环境，在不额外增加投资的前提下，对建筑单体从型体到色彩质地，力求简洁鲜明大方，突出现代化工业建筑的个性，在整个建筑设计中，力求采用新材料，新技术，以使建筑物富有艺术感，突出时代特点。

3. 厂区总体设计包括厂前区的办公楼和倒班楼，均为两层，立面用乳白色喷涂配红色装饰架，造型庄重富有变化，配以厂前区绿地草坪及空透金属栅栏围墙。墙下种植低灌木及各色花卉点缀。各车间均做白色喷涂墙面加浅暖色线条色带，配以扁长铝合金窗、整体与银白色油罐、黄红绿黑各色架空管道，组成一幅新颖，现代的工业环境。

（七） 环境分析

自然环境是人类赖以生存发展的基本条件，是发展物质生产的基础。为了保护环境，维护生态平衡，保障人民身体健康，必须防止工业“三废”对环境的污染。

本工程属于电气设备工程，在符合国家卫生标准的同时，还必须符合电力工业的“卫生标准”，即不能对电网造成谐波污染。

本工程没有气态、液态和固态废物排放，属于环保工程。在工作间的设计上，应尽量保持良好的通风条件，注意环境的清洁卫生，为工人创造一个舒适的工作环境。另外，应该尽量减少各种电力电子器件对电网的谐波污染。

（八）人员配备

1． 总工程师职称级别1人，负责总体规划和全面生产、技术工作。

2． 工程师职称级别2~3人（大学本科或硕士生毕业），从事车间第一线生产指挥与管理。

3． 技术员级别4～5人（中等专科学校或大专班毕业），从事车间生产第一线的领班工作即生产设备操作。

4． 技术工人（初中毕业）20人，从事第一线生产设备操作的熟练工人。

高级技术人员：1人

中级技术人员：2～3人

初级技术人员：4～5人

技术工人：20人

总计：30人

以上人员须经过2－3个月的专业培训，考试合格后方可上岗。

中级以上技术人员须到生产厂进行设备操作培训。

（九）综述

本项目投资小，收益大，国内市场还没有主打产品，国外厂商的产品不符合国内电力企业的成本预算，因此立即上马该项目具有极广阔的市场前景和经济价值；清华大学具有国内一流的科研条件和开发人才，技术先进可靠，且已经积累了相当多的光电互感器产品研制和现场工程测试经验，从而能将投资方的开发风险降到最小限度，在最短的时间里开发出工艺成型，运行可靠的光电互感器产品，迅速填补国内市场空白。

（十）主要技术指标和现有技术鉴定