光纖電流互感器技術綜述

1、光纖電流互感器技術綜述摘要：隨著電力行業(yè)的飛速發(fā)展，對電流測量精度的要求越來越高，傳統(tǒng)的電 磁感應式電流互感器不斷顯露出它的局限性：精度不高、絕緣性不夠、易受電磁 干擾、重量太大、體積驚人、價格昂貴、以及容易保護誤動作等。光纖電流互感 器正是為了克服電磁感應式電流互感器的缺點而研制的，光纖電流互感器具有以 下的優(yōu)點：絕緣性能好，抗電磁干擾能力強，測量準確度高，體積小，重量輕， 測量動態(tài)范圍大，頻帶寬，本文主要論述光纖電流互感器的研究綜述。關鍵詞：光纖；電流互感器0引言光纖傳感器以其高靈敏度、抗電磁干擾、耐腐蝕、無源等優(yōu)點被人們廣泛測 試并應用。目前為止光纖傳感器可以用于測量溫度、壓力、振動、轉

2、動、彎曲、 應變、速度、電流、電壓等多種物理量。同時在一些特殊領域起到了不可忽視的 推動作用。測量電網(wǎng)中傳輸?shù)碾娏魇请娋W(wǎng)輸電環(huán)節(jié)的重中之重。在電網(wǎng)中測量電流大小 的器件被人們稱作電流互感器。自電力系統(tǒng)成立以來，電流互感器幾乎全部是根 據(jù)電磁效應原理而設計并被使用的。由于長時間的使用與運行電流互感器已經趨 于穩(wěn)定并且技術成熟。但是隨著社會對電力需求的不斷增長，電壓等級的逐漸加 大，傳統(tǒng)電流互感器逐漸暴露出了它的局限性，體積重量大、安裝復雜、鐵芯易 于磁飽和、易爆容易產生危險等。在這樣的情況下，全光纖電流互感器應運而生， 并憑借著體積小、重量輕、電絕緣、抗電磁、動態(tài)范圍大、頻域響應范圍寬、靈 敏度

3、高且便于安裝等諸多優(yōu)點，在與傳統(tǒng)電流互感器的競爭者取得明顯優(yōu)勢。1光纖電流互感器的測量原理及分類光纖電流互感器是以法拉第磁光效應為基礎，以光纖為傳輸介質的電流計量 裝置，通過測量入射光強、光波在通過磁光材料時其偏振面在電磁場的作用而發(fā) 生旋轉后的出射光強來間接確定被測電流的大小，其分類也因標準不同而各異， 現(xiàn)在常用的分類標準有：偏振面旋轉角度的檢測方法、傳感機理和所用的傳感材 料。1.1 .根據(jù)偏振面旋轉角度分類根據(jù)偏振面旋轉角度的不同，光纖電流互感器可以分為單光路光纖電流互感 器和多光路光纖電流互感器。其中，單光路光纖電流互感器是以偏振片作為檢測 器件，多光路光纖電流互感器則是以渥拉斯頓棱鏡

4、作為檢測器件。單光路光纖電 流互感器只有一路輸出光，具有結構簡單、便于耦合、器件結構穩(wěn)固、光路調試 方便、價格較便宜等優(yōu)點。多光路光纖電流互感器具有多路輸出光，常用的是雙 光路電流互感器，具有結構比較復雜以及耦合光損耗大等缺點，但由于光速分成 兩路，能有效去除外界環(huán)境因素的干擾，提高系統(tǒng)測量的精確度度和可靠性。1.2根據(jù)傳感原理和傳感頭所用材料分類根據(jù)傳感原理和傳感頭所用材料的不同，光纖電流互感器主要可以分為三類: 全光纖式、混合式、塊狀玻璃式。1）全光纖電流互感器。全光纖電流互感器 （MOCT）是將傳感光纖圍繞在被測導線周圍，根據(jù)光纖內傳輸?shù)墓獠ň哂衅?特性的機理，通過測量磁光效應在光纖中

5、引起的Faraday旋轉角，從而測量出通 電導體中的電流大小。由于其不僅利用光纖作為信號傳輸?shù)慕橘|，還將光纖形成 閉合回路環(huán)繞通電導體作為傳感頭，因此，稱為全光纖電流互感器。全光纖電流 互感器具有結構簡單、體積較小、重量輕便、測量靈敏度高等優(yōu)點；2）混合式 光纖電流互感器?；旌鲜焦饫w電流互感器（HOCT）與全光纖電流互感器不同點在 于，它僅以光纖作為信號傳輸?shù)慕橘|，傳感部分仍然是采用傳統(tǒng)的互感器結構， 它是一種采用傳統(tǒng)的電流傳感機理、采用有源器件調制技術和光纖傳輸技術的混 合式電流互感器?；旌鲜焦饫w電流互感器具有結構簡單、絕緣性好、長期工作穩(wěn) 定性好、精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點；3）塊狀玻璃式光纖

6、電流互感器。塊狀玻璃 式光纖電流互感器與其他類型光纖電流互感器的最大區(qū)別在于，它是采用光學玻 璃作為傳感頭。測量原理是，采用法拉第效應，導引線偏光在光學玻璃中進行多 次全反射，并形成了圍繞通電導體的閉合回路，通過測量出線偏振光的Faraday 旋轉角，并根據(jù)法拉第定理計算出電流大小。塊狀玻璃式光纖電流互感器與全光 纖電流互感器相比，光學材料的選擇范圍比光纖寬，穩(wěn)定性較好，精度較高，但 加工困難、傳感頭易碎、加工成本昂貴等。2光纖電流互感器技術現(xiàn)狀2.1抗振動干擾技術為了降低FOCT振動等非互易性誤差，G.Frosio等提出一種反射式干涉儀光路 用于提高FOCT測量性能及環(huán)境適應性。偏振器與相位

7、調制器之間的光纖45熔接， 其輸出的線偏振光被分成兩束正交傳輸?shù)木€偏振光，經反射鏡反射后交換傳輸路 徑，返回至偏振器發(fā)生干涉。J.Blake等人則進一步研究了機械振動、環(huán)境溫度等 對反射式Sagnac干涉儀系統(tǒng)的影響及克服辦法，實驗結果顯示反射式光路結構的 敏感單元對振動不具有敏感性，能夠顯著提高FOCT的抗振性能。并且該方案電 流引起的法拉第相移是Sagnac干涉式的兩倍，靈敏度更高，成為主要光路方案。Short等人研究結果表明，雖然反射式FOCT的敏感單元具有較好的抗振性能， 其余光路對振動仍具有敏感性。在實際應用中，一次側敏感單元更易受到來自于 斷路器及母線傳來的振動，而二次側光路則可置

8、于隔振效果較好的控制柜中。因 此該方案具有較好的工程適應性。2.2高低溫環(huán)境適應性技術圓保偏光纖線圈是敏感電流磁場的關鍵元件，其雙折射特性直接影響FOCT的 性能。傳感光纖主要有低雙折射光纖和高雙折射光纖兩種，其中低雙折射光纖是 在單模光纖的生產過程中，為消除結構上的非理想性而進行旋轉。這種光纖更接 近于理想的單模光纖，能保持各種偏振態(tài)光波的傳輸，但易受彎曲及溫度應力的 影響而產生附加雙折射，從而影響FOCT性能，主要應用于早期的互感器樣機。 通過對高線性雙折射光纖拉絲中進行扭轉制成的橢圓雙折射光纖，能夠有效抑制 微觀的擾動（如彎曲）、宏觀的擾動（振動應力或纏繞）等引起的雙折射誤差， 具有很好的高低溫性能、抗干擾性能和長期穩(wěn)定性，成為高性能FOCT的核心元 件。2.3長期穩(wěn)定性技術閉環(huán)反饋控制技術通常被應用于傳感器系統(tǒng)，能夠有效提高系統(tǒng)測量精度和 長期穩(wěn)定性。在FOCT技術方案中，相位反饋、調制系數(shù)反饋、光源溫控、光源 驅動反饋等是提高長期穩(wěn)定性的關鍵技術。干涉光強是法拉第相移的余弦函數(shù)，在小電流情況下的靈敏度較低，在大電 流輸入的情況下，輸出信號的非線性誤差將增大，會嚴重影響到繼電保護判斷的 正確性和可靠性。為解決靈敏度