双正交全反射型光学电流互感器传感头精度分析

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第20卷第5期量子电子学报、b1．20NO．52003年10月CHINESE．JOURNALOFQUANTUMELECTRONICSOct．．2003文章编号；1007—5461(2003)05·0599·04双正交全反射型光学电流互感器传感头精度分析吕亮，谢建平，黄文财，王安廷，陈曦耀，李峰，吴云霞，明海(中国科学技术大学物理系合肥230026)摘要：本文对双正交全反射法光学电流互感器传感头的精度进行了分析，分析结果表明采用小折射率的磁光材料以及大入射角传感头方案可以降低对加工精度的要求。同时对双正交全反射法

2、和临界角入射法这两种设计方案中加工精度对传感器精度的影响进行了比较，得出了双正交全反射法在加工精度要求方面较临界角入射法宽松的结论．关键词：光学电流互感器；法拉第效应；磁光材料；传感精度中图分类号：TP212文献标识码：A1引言电力工业在国民经济中占有重要的地位，现代工业、农业、交通、国防以及人民生活的许多方面都离不开电。输变电设备是电力设备的重要组成部分，电站发出的强大电能，只有通过输变电设备才能输送到各个用户。随着电力系统的传输容量的不断增加、电压等级的不断提高，传统的电磁式电流互感器(CT)越来越暴露出自身难以克服的缺点【，主要有：(1)充油有爆炸事故

3、危险；(2)有磁饱和问题，使其测量精度和范围受到限制；(3)有铁磁共振问题；(4)有磁滞效应；(5)二次开路有过电压的危险；(6)体积大、笨重、价格昂贵。随着电力系统大发展，需要质优价廉的新型传感器代替传统的电磁式电流互感器。从60年代初就开始研制的光学电流互感器(OCT)正是传统CT的一个非常好的替代品。由于光纤技术及光纤传感技术的发展，如今OCT技术已经趋于成熟和完善。光学电流互感器尤其是光纤电流互感器，与传统CT相比，具有绝缘性能优良、无暂态磁饱和问题、动态测量范围大、频率相应宽、抗电磁干扰能力强、安全性好、体积小重量轻、易于与数字设备接口、价格便宜等

4、优点。目前国际上对光学电流传感器的研究主要集中在磁光材料型的光学电流互感器上，这种光学电流互感器的传感精度受传感头的影响非常显著，本文的主要工作就是对双正交全反射法中加工精度对传感器传感头精度的影响进行了分析和模拟计算，并同临界角入射法进行了比较，分析结果表明对采用小折射率的磁光材料以及大入射角传感头方案可降低对加工精度的要求。同时对双正交全反射法和临界角入射法这两种设计方案中加工精度要求对传感器精度的影响进行了比较，得出了双正交全反射法在加工精度要求方面较临界角入射法宽松的结论。这些对磁光材料型的光学电流传感器的传感头的设计具有一定的参考价值。2磁光材料型

5、OCT的基本原理磁光材料型OCT的原理是基于法拉第效应【引，就是当一束平面线偏振光通过置于磁场中的磁光材料的时候，其偏振面发生旋转的现象。其偏振面偏转角为△西=VHL基金项目；安徽省自然科学基金资助项目(01042402)．收稿日期：2002-12-04；哆改日期2002—12—31E—mail：lvliang~mail，ustc．edu．cn维普资讯http://www.cqvip.com量子电子学报20卷其中。是费尔德常数(rad／A)，H是磁场强度(A／m)，L是光在磁光材料中通过的长度(m)。对于载流导线周围产生的磁场，会使垂直于导线平面上的环行绕光

6、的偏振面旋转。只要确定△大小，就可测出载流导线的电流。而△的测量由检偏器和光探测器变为电信号，经过放大处理，最终得出待测电流。目前基于法拉第效应的光学电流传感器主要包括磁光材料型和全光纤式的光学电流传感器。全光纤式的OCT由于光纤固有的双折射所造成的信号漂移等问题尚未解决好，使其目前难以进入实用阶段。目前块状材料型的稳定性和灵敏度均优于全光纤结构，所以它成为目前实用化过程中普遍采用的方案。作为OCT关键部分的传感头的结构设计应该遵循光路尽量闭合、抗电磁干扰、传输损耗小、结构简单、便于安装的原则。为了保证在磁光传感中不会因反射造成偏振面的改变而采取保偏方法，即

7、采取双正交全反射法[3J，它是利用连续的两次全反射来抵消全反射中垂直分量(S)和平行分量(P)引入的附加相位误差。图1是日本人Sato【0】等提出的双正交Fig．1Thesensorheadwithdual—layer反射法设计的正方形传感头，光线在a、6、c的每一个角opticcircuit上经过两次45。的全反射。由于每个角上两次反射的反射面完全正交的，上下反射面的S、P分量恰好互换，这样每个角上由于全反射引起的P分量和S分量之间的附加位相差相互抵消。3双正交发射面光学加工精度对传感器精度影响的分析在双正交全反射法中入射光线在光学面上[】(此时入射光角度

8、大于全反射角)反射时在反射光和入射光之间会产生位相延