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1、光学电流互感器调研总结1研究意义在电力系统中,为了计量和保护的需要,对高压输电线路中的电流进行实时测量是必不可少的。这种电流测量系统可分为3部分,如图1所示。传感头位于户外被测高压线处,传输线路用来将信号传输到控制室,显示及接口单元位于控制室内。目前普遍使用的高压电流测量系统是充油式电流互感器(CurrentTransducer,简称CT),其传感头利用电磁感应原理,信号通过导线传输。为了解决高压隔离及电磁干扰问题,造成其传输线路非常笨重,使得整个系统体积庞大,图1高压电流测量系统造价昂贵,这是传统电流互感器的主要缺点。此外,这种互感器在故障电流情况下还会发生
2、磁饱和现象,且存在起火及爆炸的危险。相比之下,近年来广受关注的光学电流互感器(OpticalCurrentTransducers,简称OCT)技术,在理论上几乎能克服传统CT的所有缺点。光学电流互感器目前离大规模应用还有一定距离,许多技术问题还有待解决。2基本原理目前对光学电流互感器的分类还不统一,但无论哪种形式,其传输线路都是采用光纤,这是OCT与传统CT的基本区别和主要优点。根据传感头形式不同,本文将光学电流互感器分为全光纤型、块状玻璃型及混合型3种。2.1全光纤型全光纤型以光纤作为传感材料,将光纤绕在被测电流导线周围,形成光回路。根据信号检出方法的不同,
3、可分为偏振调制型和相位调制型2种。2.1.1偏振调制型图2为偏振调制型的基本结构。当线偏振光通过光纤圈时,电流产生的磁场使线偏振光产生法拉第旋转(旋转角度与被测电流成正比)。法拉第旋转角与被测电流的关系用下列两式描述:θ=∮VH·dl(1)∮H·dl=I(2)（1）式表示法拉第效应,(2)式是安培环路定律。式中,θ为法拉第旋转角;V为代表光纤材料特性的维尔德常数;H为光传播方向上的磁场强度;l为光路长度;I图2全光纤型电流互感器为被测电流。从传感头返回的线振光经渥拉斯顿棱镜后分解成光矢量互相垂直的两束线偏振光,通过测试这两束线偏振光的相对强度,获得法拉第旋转角
4、。2.1.2相位调制型对法拉第效应的解释是,外加磁场使得物质对左旋和右旋圆偏振光的折射率产生差别,而线偏振光可以分解为一个左旋圆偏振光和一个右旋圆偏振光,因而传播一段距离后就表现为线偏振光的振动面发生旋转。因此,通过测量左旋和右旋圆偏振光传播一段距离后产生的相位差,也可以得到外加磁场的强度,实现电流测量。图3是一种塞格奈克(Sagnac)干涉仪结构,其中λ/4波片用来将入射到传感头的线偏振光转换成2个旋向相反的圆偏振光,并将出射光还原成2束线偏振光,利用干涉原理测出这2束线偏振光的相位差。这和法拉第旋转角是等价的。由于法拉第旋转引起的相位差很小,因此图中使用了
5、一个相位调制器引入偏置相位。图3干涉型电流互感器通常可将保偏光纤绕在压电陶瓷筒(PZT)上制成相位调制器。当PZT加上调制信号时,沿保偏光纤2个正交轴传播的线偏振光将引入与调制信号变化规律相同的相位差。如果不考虑光路损失,则探测器接收到的光强可表示为=/2{1+cos[4VNI+φ(t)]}式中,为光源发出的光强;φ(t)为相位调制器产生的相位差;I为待测电流;V和N分别为传感光纤的维尔德常数及光纤圈数;4VNI为对应于法拉第旋转的相位差。如果用正弦信号作为调制信号,φ(t)=cos(t),用锁相放大检测技术得到中的一次谐波分量,则I可通过下式得到:VNI式中
6、,为一阶Bessel函数。除过Sagnac型之外,还有马赫-泽德尔、法布里-珀罗等干涉仪结构也属于相位调制型。全光纤型OCT的主要缺点是传感光纤的固有双折射难以处理。由于普通硅光纤的维尔德常数较小(波长633nm时约为4.7×rad/A),光纤固有双折射引起的光偏振态的改变倾向于淹没法拉第旋转角。要提高灵敏度,就必须增加传感光纤圈数,但与此同时又会增加本征双折射和弯曲引起的线性双折射,从而使传感器灵敏度远远低于理论预计值。此外,光纤的双折射及维尔德常数还是温度的函数,这进一步增加了研制的难度。全光纤型OCT自20世纪70年代被提出以来,近30年的研究始终围绕着
7、光纤固有双折射的处理问题,至今没有得到圆满的解决。从报道的情况看,目前采用的方法主要有以下几种:(1)采用扭转光纤将传感光纤沿轴向扭转多圈以增加其固有圆双折射。这样,电流磁场产生的法拉第旋转将叠加在其固有圆双折射上,使测量灵敏度增加。这种方法的主要问题是扭转产生的圆双折射随温度变化,为了满足实际工作环境的要求,需要采取复杂的温度补偿措施。(2)采用退火光纤所谓退火,就是将绕制完成后的传感光纤圈加热到大约800℃,然后慢慢冷却,这样可以消除光纤弯曲引起的线性双折射。如果在绕制光纤圈之前先将光纤扭转多圈,退火后还可以消除光纤几何形状误差引起的线性双折射。这种方法的
8、缺点是退火后的光纤变得非常脆,且光纤的
