全光纤电流传感器的原理及应用

光纤

第34卷　第8期2006年8月华东电力

EastChinaElectricPowerVol.34　No.8Aug.　2006

全光纤电流传感器的原理及应用

江智伟,林勇锋,李福兴,张志成,邵　东,金运敏

3.华东电力试验研究院,上海　200437)

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(1.上海致达智利达系统控制有限责任公司,上海　200333;2.上海电力设计院有限公司,上海　200025;

摘　要:,,绝缘和高频电流的测量难题。关键词:;作者简介:(2),,,。中图分类号:T:B　　文章编号:100129529(2006)0820078204

Workingprincipleoffullopticalfibercurrentsensoranditsapplication

JIANGZhi2wei,LINYong2feng,LIFu2xing,ZHANGZhi2cheng,SHAODong,JINYun2min

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(1.ShanghaiZeniTekGenesisSystemControlCo.,Ltd.,Shanghai200333,China;2.ShanghaiElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200025,China;3.EastChinaElectricPowerTest&ResearchInstitute,Shanghai200437,China)

Abstract:Thefullopticalfibercurrentsensor,whichisusuallyusedformonitoring,protection,andmeasurementinhighvoltagegrid,isimportanttopracticalengineeringprojects,andcansolvethedifficultiesinmeasuringhighvolt2ageisolationandhighfrequencycurrent.Theworkingprinciple,structure,andtechnicalperformanceofthefullopti2calfibercurrentsensorareintroducedindetail.

Keywords:fullopticalfibercurrentsensor;currentmeasurement;monitoringandprotection

全光纤电流传感器以其高绝缘性、抗高电磁

噪声、高线性度响应等诸多优点,在高电压强电流的测量及保护领域中得到广泛的重视和研究。

常规电磁互感器的缺点是体积大、重量重、易受电磁干扰、绝缘困难、误差大、输出端不能开路。

为此,人们寻求用光学传感方法取而代之。目前大多采用光学块状玻璃电流传感器和混合式光纤电流传感器,而对全光纤传感器研究较少。由于

(4)反措完善技术支持系统

通过对电网事故发生、发展、处理、恢复全过程的分析,及时总结反思相关技术支持系统的欠缺,制定反措改进方案,不断完善EMS相关功能及其它提升调度调控能力的技术支持系统。

(5)安全规章制度闭环管理电网安全风险管理必须实现闭环管理,这是高效应对下次电网风险的有力保障。为此,应根据事故处理过程中反映出来的问题及时修订相应的事故处理预案等技术文件、进一步完善事故抢险与坚持处置体系,滚动修正风险管理策略,健全电网安全规章制度的闭环管理,并通过跟踪、反馈,落实改进意见,不断提高调度风险管理水

平。

3　结语

由于电力行业的公用性、一体性及电力生产的同时性,决定了它是一个高风险行业。近年来国内外的电网事故越来越呈现出影响范围大、发展速度快、后果日益严重的趋势,从而产生巨大的政治、经济、社会影响。电网的特殊运行规律和事故特点决定了电网调度部门必须对电网安全风险加以科学地管理,建立与完善有效的事故防范体系,切实采取有效措施,提升对电网事故的调控能力,更好地应对电网安全风险。

收稿日期:2006201207

光纤

江智伟,等　全光纤电流传感器的原理及应用79(总737)

光纤具有抗电磁干扰强、电绝缘性能好、柔软可弯曲等优点,还有比其它光学电流传感器体积小、重量轻、结构简单、可靠性高、易与传输光纤耦合、可长距离传输、便于与计算机连接组成遥测网络等优点

[1]

,因而基于法拉第旋光效应的全光纤电流

光纤圈数来控制灵敏度。

但一般通信用石英光纤的费尔德(Verolet)常数很小,且光纤绕成线圈将产生很强的线性双折射,使光纤本来很低的费尔德常数又大大降低(约为原来的1/50),加上在电线上缠绕光纤时必须停电,因而无法实际应用。

由于缠绕在电线上的线圈直径不能小于4～5c,从而使所得信。因,,好的补偿方案。

(2)用块状光学晶体制成

这种传感器可以使用费尔德常数比通信光纤高的特殊晶体材料制成,大大提高了对磁场的灵敏度。而且,晶体退火后释放了内应力,从而减少线性双折射。块状光学晶体本身在温度变化和机械影响的情况下,性质相对稳定,保证了传感器的可靠稳定工作。而且,块状光学玻璃的成本相对低廉,满足能大规模生产的前提。

这种传感器的体积比同规格光纤传感器大,而且,块状光学玻璃不是铁磁性的,所以费尔德常数相对较低,限制了在大电流测量中的应用。

为了解决块状光学晶体存在的问题,一些学者发现了一种提高传感器灵敏度方法———在块状光学玻璃周围排列多环路的阵列已经被,但是在应用中这样的结构有一定的局限性,即容易产生温度波动。这个问题的解决方法正在研究之中。

(3)用磁光材料制成

铁磁性的材料每单位厚度具有很大的费尔德常数,例如BiTb2Y3Fe5O12,这样就可以用很小的法拉第旋转角度测量特定的磁场强度,使体积大大减小,从而能够降低成本、降低安装难度。

据国外专业厂家介绍,这种材料的生产方法已经成熟。并且,还可以直接应用到其他领域,特别是光通信,已经形成的规模效应远远超过了光学晶体和光纤材质的传感器。2.2　安装方法

图1展示了光纤电流传感器3在电缆上的应用,用一个与电缆直径大小匹配的一个特制支撑钳4将其固定在电缆上。

支撑钳4有3个作用:固定光纤电流传感器使之在指定的位置;避免光纤传感器内部材料产

传感器愈来愈受到人们的重视。

1　工作原理

1946年米切尔 法拉第(MochaelFaraday)

,向发生改变,应,被广泛应用于光纤通讯领域,特别是用在阻止从耦合连接处产生的反射光线回到光源,改变光源的频率、功率输出等参数。

其旋转角度

Φ=VH dl

l

∫

(1)

式中　V———光学介质的Verdet常数;

l———光在介质中的传播的距离;H———磁场强度。

当磁场H穿过传感头导体中的电流I产生,且光路围绕载流导体闭合时,利用安培环路定律上式可改写为:

Φ=VNLI

式中　NL———围绕载流导体闭合光路圈数。

(2)

可见,只要测出偏振光旋转的角度Φ,即可计算出待测电流的大小。另外,利用适当的光路设计增加围绕载流导体的光路圈数可提高传感头灵敏度。

光线偏振面的转旋角与磁场强度成正比,磁场强度与电流和温度成正比。测出通过磁场的光的偏振面的旋转角,就可以计算出电流强度。

根据法拉第效应,把光学传感器阵列放置在磁场中。通过监测入射光偏振面的旋转情况,得到磁场强度和电流。

用通信光纤、块状光学玻璃和磁光光纤都能产生法拉第效应。

2　全光纤电流传感器的特性

2.1　光纤取材

(1)用通信光纤制成

把光纤缠绕在电线上,根据安培定理,可以直接测量出电流的大小。通过改变缠绕在电线上的

光纤

80(总738)华东电力2006,34(8

)

偏光镜13。从偏光镜13出射的光波通过定位片17打到旋转材料19上,在磁场的作用下光波的偏振方向发生了一定的旋转,这个旋转角度和磁场的强度成正比。

透过旋转材料的光波打到定位片18上,18固定在旋转材料载体21和固定器/调整器16之间。固定器/调整器16用来固定偏光镜14,偏光镜14和,但偏了一个19出来的旋

图1　光纤电流传感器安装方法

生法拉第效应,的安装和拆卸,直接与电缆接触,,对操作人员来说也更安全。

固定器5有两个作用:固定光纤1和光纤2;尽量使光纤1和光纤2伸直,减少双折射现象。2.3　全光纤电流传感器的结构(见图2

)

。剩下部分就是和前面描述的对应了。从光纤10和2出来的光被光电倍增管变成电信号,最后电信号由电信号处理器进行处理。2.4　磁光全光纤电流传感器技术指标

(1)技术指标(见表1)

在60Hz正弦激励作用下,光纤电流传感器的小/大信号线性度的测试表明,传感器对于小信号电流相应的线性度非常好,对于大信号电流相应是线性的,但是随着电流幅值的增大至接近2kA时,出现了磁滞现象,这仅与产生法拉第效应

的材料有关,不会限制传感器的应用。

表1　磁光全光纤电流传感器技术指标

动态范围/dB频率响应/Hz满量程/A1)隔离电压/kV

绝对误差(不含磁通量集中器)敏感度分辨率重复性漂移

图2　光纤电流传感器

温度量程(无补偿2))/℃

(有补偿

3)

≥60

标准5～20,更宽亦可

30～3000

高于11.3(峰 峰值)小于±0.6%满量程高于0.01%满量程高于0.1%满量程小于2%/1000h

19～33-40～7028

光纤电流传感器的立体分解图(a)和剖面图(b)。一个半导体激光器发射出来的光通过分叉

)/℃

4)

传感器重量/g(不含磁通量集中器)

管1进入光纤电流传感器,分叉管1内部有一传输光纤9。从9出来的光经过毛细管7打到一个四分之一格林透镜11上,格林透镜被固定在中空管5和有色平行管3内,格林透镜的作用是校准并传输入射光,然后光打到偏光镜13上,偏光镜被固定在固定器/调整器15里,通过13的光产生了一个具有特定偏振态的任意光。

旋转材料10以特定的方向被旋转材料载体20和紧固销21固定在传感器内。旋转材料中

注1)标准满量程是3000A。最大量程可以根据实际应用,通过

切割法拉第水晶厚度以及位置来调整;

2)“无温度补偿”测量使用纯的模拟信号处理系统;3)“有温度补偿”测量需要使用数字信号处理系统;4)重量不受被测电流或电压的影响。

(2)全光纤电流传感器的模式

全光纤电流传感器有非往返式和往返式两种模式。非往返式操作系统是光只从一个方向通过电流传感元件,而往返式操作系统就是光从两个相反的方向同时通过电流传感元件。非往返式光电转换系统一般用在小信号处理和降低成本的场合;而往返式光电转换系统一般用在大信号的处

空,其列阵与从偏光镜13传播出的光波面一致。在15和20之间是一个调整定位片17,用于微调

光纤

江智伟,等　全光纤电流传感器的原理及应用81(总739)

理或者用于避免震动的场合。两种模式下设备的

工作方式是相同的。

图3给出3种光纤电流传感器的往返式光电转换系统。

在图3(a)中,半导体光源产生一个偏振光通过光纤电流转换器,转换器输出的光强与磁场强度成正比,经光电二极管把光信号转换成电信号,送到模拟/数字电子设备进行处理

。

交替产生的偏振光经光耦合器以相同的路径到达转换器,从转换器出来的光经过分光镜后,分成了两束相互正交的偏正光,经两个光电二极管,光信号变成电信号,送到模拟/数字电子设备进行处理。与图3(b)系统不同的是这个系统可同时测量光的与磁场大小成比例的旋转角和温度的变化。

4(c、。它的原理与路,分别经耦合器到达转换器,然后再经耦合器分别送至两个偏振分光镜

。

图4　往返式光纤电流互感器

这个系统可以同时测量光的与磁场大小成比

例的旋转角和温度的变化,与非往返式的光电转换系统相比,处理信号更加稳定和准确。

3　结语

全光纤电流传感器技术是先进的,国内有些重点工程已开始使用,迅速形成具有自主知识产权、实现国产化是当前急需解决并实现的重大课题。

国内目前已有上海光子光电传感器设备有限公司等数单位进入该领域的开发研究,相信不久将能进入实用阶段。

参考文献:

[1][2][3][4]

图3

图3(b)中,多了一个偏振分光镜和一个光电二极管,从转换器出来的光经过分光镜后,分成了两束相互正交的偏正光,经两个光电二极管,光信号变成电信号,送到模拟/数字电子设备进行处理。

非往返式系统1与非往返式系统2相比有一个优点,如果入射光直接与输入光纤相连,那就没有必要用偏光镜,偏振分光镜已经起到了偏光镜的作用。

图3(c)是另一种光纤电流传感器的非往返式光电转换系统,与图3(b)不同的是多了一个半导体光源和一个光耦合器。两个半导体光源

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收稿日期:2006207210

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ld5j.html