光学电流互感器研.docVIP

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(Current Transducer,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(Optical Current Transducers,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,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。 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, 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633 nm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