光纤电流传感器的工作原理及应用.pdf

上 海 电力 2 0 0 8 年第 6 期 光纤电流传感器的工作原理及应用 邓隐北 ， 彭晓华。 ( L郑州大学 电气 一 r 程学 院， 河南 郑州,1 5 0 0 5 2 ； 2 森源电气股份有限公司 ， 河南 郑州4 5 0 0 1 6 ) 摘要 ： 基于法拉第效唐 的光纤 电流传感器 与传统 的电流互感器相 比 ， 具有许 多优点 。文 章回顿 了光 纤电流 传感器的开发历程 介绍 了现有 各种光纤 电流传感器 的工 作原理 、 分类以及在 圉外的应用情况 ， 展示 r光纤 电 流传感器在电力 系统 中广阔的应用前景 。 关键词 ： 光纤 电流传 感器 ； 无源式 ； 全光纤式 ； 有源式 中 图 分 类 号 ： TM4 5 2 9 4 文 献 标 识 码 ： B l 光 纤电流传感器 的开发历 程 与 电磁 式 电流 互 感 器 ( C “ I 、 ) 相 比 ， 基 于 光学 、 微 电子 、 微 机技术 的光 纤 式 电 流传 感 器 ( ( ) F C T) ， 具 有无 铁心 、 绝缘 结构 简单 可靠 ， 体 积小 、 重 量轻 、 线 性 度好 、 动态 范 围 大 、 无 饱 和 现 象 ， 输 出信 号 可 直接与 微机化 计量 及 保护设 备接 口等 优点 。这些 优点 既满 足 、 推 动 了电力 系统 的发展 ， 而且 应用 前 景 十分 广 阔 。 1 8 4 5年 ， 英圈发现法 拉第效应 ， 能在 电流的 周 围检 测磁 场 ， 并 通 过磁 场 的检 测 测 出 电流 的大 J 、 。2 0世纪 6 O年 代 ， 法 拉 第 效 应 用 于 电力 设 备 中的电流测 定装 置 ( 当时称 为 激光 电流互 感器 ) 。 对 于流过 电力 设 备 中的 电 流计 测 ， 通 常 采 1f =I 由铁心和线圈制造 的电磁式 C T， 但 其存在体积 大 、 信 号受 到 电 磁 噪音 干 扰 等 难 题 。作 为解 决 方 案是应用法拉第效应研制成 激光 C T， 东京 电力 公司与东京大学共 同开发激 光 C T， 并在电力 中 央研 究所 进行 了试 验 ， 但 尚未达 到实 用化 的程度 。 其 原因之 一是 当时 处 于光 电子 的 初 期 阶段 ， 相关 技 术还不 成熟 。2 0世纪 七 八 十 年代 ， 光 纤 通 信 已经普及 ， 由英 圈 中央 电学 研 究 实验 所 ( C E R I ) 等 机构提 出 ， 光纤 通 信 应 用 到法 拉 第 传 感 器 的 元 件 。 因 为 ， 光 纤 电流 传 感 器 是 基 于 F a r a d a y 效应来测定电流的， 采用光纤作为传感介质 ， 故在 绝缘性 、 抗 电磁干扰 、 可靠性等方 面， 比传统的电 磁 式 C T有很 大优 势 。而且 ， 它还 不 含 交流 线 圈 ， 不存 在 开路危 险 。 与传 统 的 电磁 式 C T 比较 ， 光 纤 电 流传 感 器 除具有前述的优点 以外 还具 备( 1 ) 容易安装 ， 不 用断开导线 ， 仅将细长 、 柔软 的绝缘光纤卷绕在导 55O 体上就可检测电流 ， 能实现整个传感装置的小利 轻量 化 ； ( 2 ) 无 电磁 噪音 的干扰 。近年 的计测 控制 系统 中 ， 一 般将 传 感 器 的输 出连 接 于 半 导体 的 电 子 回路 ， 传感装置本身全部由光学器件构成 ， 故具 有抗 电磁 干扰 ( E MI ) 特性 ； ( 3 ) 计 测 范 围 广 ， 没有 铁 心磁饱 和 的制约 ， 同时 ， 法 拉第 效应 的 响应速 度 快 ， 具 有 从 低 频 到 高频 、 到 大 电流 的广 阔测 量 范 闱； ( 4 ) 因为信号通过光纤传输 波形畸变小 传输 损耗小 ， 故可实现长距离的信号传输。 东京 电力 公 司 与 H( ) YA公 司共 同研 制 的 传 感 器元 件专 用光 纤 ， 将 光 弹性 系 数非 常小 的 铅 玻 璃用作原材料。该传感器元件所用的铅玻璃光纤 现 已开发并 应用 。 由于 光在光 纤 中 ， 一 边 反 射 ， 一 边 行 进 ， 偏 振 波相应 于 曲线 的形 状 会 出现 旋 转 。针对 此 现 象 ， 在光纤 的 一端设 置一 块镜 面导 致光 纤 中光线 的往 返 ， 借助光的来回往返， 成功补偿和解决了偏振波 的旋转 问题 。 将铅玻璃光纤用 于传感器元件， 并结合利 用 镜 面的方 法 ， 只需把 光纤 卷绕 在 载流导 体上 ， 用 于 电流计测的反射型传感器就基本完成。其次 ， 开 发了调制程度的平均处理与信号处理方式 ， 这有 利 于特性 的稳 定及 噪音 的抑 制 。此外 ， 对 光源 、 受 光元件、 信号传输光纤等种类 与传感器特性的关 系进 行 了研 究 ， 而且 ， 慎 重选 择 了 旨在 降低 成本 和 实现小型化的传感器制作技术 。 目前 ， 光纤传 感器技术正朝实用化的方向进展 ， 以适应 电力系 统的广泛需求 。 2 光 纤电流传 感器的工作原理与种类 ( ) F c T主要由传感头 、 输送与接收光纤、 电子 2 0 0 8 年第 6 期 上 海 电力 回路等三部分组成 ， 如图 1所示 。传感头包含 载流导体 ， 绕于载流导体上的传感光纤 ， 以及起偏 镜 、 检偏镜 等光 学部 件 。 电子 回路则有 光 源 、 受 光 元件 、 信号处理电路等 。从传感头有无 电源 的角 度 ， 可 分为 无源 式和有 源 式两 类 。 1 光 纤 电流 传 感 器 的结 构 不 意 图 2 1无源式 OF CT OF C T 主要利 用 了 F a r a d a y磁 光 效应 。即磁 场不能对 自然光产生 直接作用 ， 但 在光学各 向同 性的透明介质中， 外加磁场 H 可使在介质中沿磁 场方向传播平面偏振光的偏振面发生旋转 。这种 现象被 称 为磁致 旋光 效应 或 F a r a d a y效应 。 当一束 线性偏振光通过置 于磁 场中的 F a r a d a y旋光材料时 ， 若磁 场方 向与光 的传 播方 向 相 同 ， 则光 的偏振 面将 产生 旋转 。旋转 角 0正 比于磁场强度 H 沿偏振 光通 过 材料 路 径 的线 积 分 ： 一 v f H d l V 式 中 ， 为 磁 光 材 料 的 Ve r d e r常 数 ， 旋 转 角 度 与被测 电流 i 成正 比。利用检偏器将旋转 角度 的变化 ， 转 换为输 出光强度 的变化 ， 经 光 电变换 及 相应的信 号处 理， 便可 求得 被 测 电流 i ， 如 图 2 所 示 。 载流 导体 图 2 光纤电流传感 器的传感 头 石玻璃 2 2 全 光纤 式 A oF C T 实 际应 用 中 还 有 一 种 全 光 纤 ( Al l f i b e r ) 式 C T， 其 工作 原理 与无 源 式 0F C T相 同 ， 如 图 3所 示 。 载 光纤 输出 光纤 图 3全 光 纤 式 cT 的 传 感 头 以前 ， 光纤 C T 的研究主要集 中在磁光 晶体 结构的传感头方案上。欧洲 AB B公 司研制 出达 到 I E C标准 0 2级晶体结构的 O F C T。近年来 ， 北美 Nx t p h a s e公 司 研 制 出超 过 I E C标 准 0 2 S 级 的全光 纤 AOF C T； 我 国清 华 、 华 中科 大也 相继 研制 出正 常 环 境 下 精度 为 0 3 的 块状 结 构 AOF C T。北航研制 的新型 AOF C T， 传感光纤采 用共光路设计 ， 因而具有 较好 的互易性和较强 的 抗干扰能力 。全温下 比例因数变化小于 0 5 。 全光纤 C T系统构成如图 4所示。整个结构 按功能可分为光学传输、 光学传感头和信号处理 电路三部分 。其中光学传输部分完成光信号的产 生 、 传输、 转换 和干涉 ； 光学传感头部分则传感导 线中的电流 ， 并将它转换为干涉光的相位信息 ； 信 号处理电路产生调制电压； 对信号进行解算得到 电 流值 。 S L D( 超光度二极管) 光源发出的光经过单模 ( S M) 耦合器后 由起偏器起偏成为线偏光 。线偏 光 以 4 5 。 注入保偏光纤分别沿 X轴或 Y轴向前传 播 。当这两 束正 交 模 式 的 光 经过 X 4波 片 后 ， 分 别变为左旋和右旋的圆偏振光进入传感光纤。 由于受到导线中的电流产生的磁场作用 ， 左 右旋圆偏振光以不 同的速度传播 ， 从 而引起光波 相位变化 。光在 由传感光纤端 面的镜面反射后 ， 这两束圆偏振光的偏 振模式互换 ， 再次通过传 感 光纤而再次受到磁场作用 ， 使所受 的作用效果 加 倍。这两束返 回的光再次通过 X 4波片后 ， 恢 复 为线偏振光 ， 并在起偏器处发生干涉。最后 ， 携带 相位信息的光由耦合器耦合进入探测器 。在整个 光 的传播过程中， 光都经历了保偏光纤的 X轴 和 Y轴与传感光纤 的左旋和右旋模 式， 只在 时间上 略有差 异 。 一 5 51一 一 上 海 电力 2 0 0 8 年第 6 期 图 4全光 纤 电流 传 感 器 糸 统 结 构 图 2 3有源 式 OF C T 这是 一 种 基 于传 统互 感器 传 感原 理 ， 利用 有 源器件调制技术 、 以光纤为信号传 输媒介 ， 将 高 压侧转换得 到 的光 信号 送 到低压 侧解调 处理 ， 并得到被测电流信号 的新 型传感 器 。它既发挥 了光 纤 系 统 的绝 缘 性 能 好 、 抗 干 扰 能 力 强 的 优 点 ， 明显 降 低 了大 电 流 高压 互 感 器 的体 积 、 重 量 和制造成本 ， 又利用 了传 统互感 器原 理技 术成 熟 的 优势 ， 避免 了纯 光 学 互 感 器 光 路 复杂 、 稳 定 性 差 等技 术 难 点 。 有源 O F C T是通过一次采样传感器( 空心线 圈或小 C T。 电阻分 流 器) 将 电流 信 号传 递 给 发 光 元件而变成光信号， 再 由光纤传递到低 电位侧 、 变 换喊 电信号 以后输 出。高 压侧 电子 器件供 电方 式 有 光 供 电 、 母 线 电流 供 电 和太 阳能 电 池供 电 等 。 目前应 用 最 多 的 是 采 用 空 心 线 圈 的 有 源 式 OF C T， 其组 成原 理如 图 5所示 。 ： ( b ) 压 蹲 图 5 有源式光纤电流传感器组成 原理框 图 空心 线 圈的截 面为 矩 形 或 圆形 ， 其 感应 电动 势 与线 圈的尺 寸 、 匝数 以及一 次 电流有 关 ， 受外磁 场和载流导体位置的影响小。因此 ， 对空心线圈 的输 出电压 积分 即可还 原 为被测 电 流 。 3光纤 电流传感器 的应 用前 景 OF C T不 仅能 用 于 电 力 系 统 中 电流 的测 量 ， 而且与电机制造厂、 测量仪器仪表厂结合 ， 还可研 一一 5 52 制开 发 l 线路 事故 点的标 定装 置及 事故 区 间的判 定装 置 等一 系列 电力系 统 的测 量 诊断装 置 ， 如 图 6 图 8所示 1 。随 着 光 电技 术 及其 相关 技 术 的 迅速 发展 ， OF C T在 电力 系统 中的应 用 前景 将 日 益 广 阔 。 图 6 反射 ( ) F C 1 、 的外观 图 7 应用于架空 电缆的线路事故区间判定装置 图 8 安装予 2 7 5 k V地下输电线 、 用于检测浪涌电流的传感头 参考文献 ： 1 黑泽 世 界才 、I J T7技 术 开发 电 力研究者 匕L 步 尢 墨 道