（通信与信息系统专业论文）膜片式高灵敏度光学电流传感器系统研究.pdf

华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 光学电流传感器与传统电流互感器相比，具有抗电磁干扰能力强、动态范围宽、 绝缘结构相对简单、易与微机接口的优点，在电力系统中有着广泛的应用前景。本 论文在此背景下系统的阐述了光学电流传感器的发展及存在的问题，在基于光的电 磁理论、弹光效应理论基础上，提出并设计了膜片式光学电流传感器系统。此系统 传感头部分光路结构简单，传感头敏感元件尺寸小，其中敏感元件选用新型的磁光 材料b i g d ：y i g ，来减小线性双折射的影响，提高系统的温度稳定性。本论文完成了 整个实验系统的设计，包括光路结构、电路结构、信号处理等各方面。实验系统采 用l d 为信号光源，p i n 管为光电检测器，并利用p c 机对信号进行数据采集和处理。 最后对系统进行了实验验证和性能测试，实验结果表明所设计系统具有可行性。 关键词：光学电流互感器，法拉第磁光效应，线性双折射，灵敏度，磁光材料 a b s t r a c t o p t i c a lc u r r e n tt r a n s d u c e r ( o c t ) h a sp o t e n t i a lb e n e f i t so v e rc o n v e n t i o n a lc u n e n t t r a i l s d u c e r ( c t )s u c ha si m m u n i t yt oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ， e n h a n c e m e n ti n s i g i l a lb a i l d w i d t ha n dd y i l a m i c 删1 9 e ，e a s eo fi n t e 铲a t i o ni n t om t u r ed i g i t a lc o n t r o la i l d w i l lb ew i d e l yu s e di np o w e re l e c t r i c a ls y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep r o b l e m so n o c t ，o nt l l eb a s i so fe l e c t r o m a g n c t i ct h e o r ) ，a n de l a s t i c o p t i ce f 绝c tt h e o r yo fl i g h t ， p r o p o s e da i l dd e s i g n e dt h i ns l i c et y p eo p t i c a lc u r r e n ts e n s o rs y s t e m t h i ss y s t e mh 嬲 s i m p l eo p t i c a ls t m c t u r ei nt h ep a no fs e n s o rh e a d ，s m a l ld i m e n s i o no fs e n s i t i v ee l e m e n t ， a n ds e l e c t e dn e wt y p eo fm a g n e t o o p t i c a lm a t e r i a l sb i g d ：y i qt or e d u c et h el i n e a r b i r e 衔n g e n c ea n di m p f o v et e m p e r a t u r es t a b i l i z a t i o no ft h es y s t e m t h ed e s i g i lo ft h e w h o l ee x p e r i m e n t a ls y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e d ，i n c l u d i n gs y s t e mo p t i c a ls t m c t u r e ， e l e c t r o n i cs t r u c t u r e 锄ds i g n a lp r o c e s s i n g ，e t c t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mu s e dal da s l i g h ts o u r c e ，ap i na sd e t e c t o r a n dap ct oa c q u i r eo u t p u ts i g n a la n dd a t ap r o c e s s e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o na n dp e r f l o m a n c et e s ti sc a r r i e do u ta n dt h et e s tr e s u l t sp r o v e t h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m 、m a n gx i a o j i n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o s h a n gq i u f e n g k e yw o r d s ：o p t i c a ic u r r e n tt r a n s d u c e r f a r a d a ye f f e c t ，l i n e a rb i r e f r i n g e n c e ， s e n s i t i v i t y ；i a g n e t o o p t i c a lm a t e r i a l s 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 光学电流传感器与传统电流互感器相比，具有抗电磁干扰能力强、动态范围宽、 绝缘结构相对简单、易与微机接口的优点，在电力系统中有着广泛的应用前景。本 论文在此背景下系统的阐述了光学电流传感器的发展及存在的问题，在基于光的电 磁理论、弹光效应理论基础上，提出并设计了膜片式光学电流传感器系统。此系统 传感头部分光路结构简单，传感头敏感元件尺寸小，其中敏感元件选用新型的磁光 材料b i g d ：y i g ，来减小线性双折射的影响，提高系统的温度稳定性。本论文完成了 整个实验系统的设计，包括光路结构、电路结构、信号处理等各方面。实验系统采 用l d 为信号光源，p i n 管为光电检测器，并利用p c 机对信号进行数据采集和处理。 最后对系统进行了实验验证和性能测试，实验结果表明所设计系统具有可行性。 关键词：光学电流互感器，法拉第磁光效应，线性双折射，灵敏度，磁光材料 a b s t r a c t o p t i c a lc u r r e n tt r a n s d u c e r ( o c t ) h a sp o t e n t i a lb e n e f i t so v e rc o n v e n t i o n a lc u n e n t t r a i l s d u c e r ( c t )s u c ha si m m u n i t yt oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ， e n h a n c e m e n ti n s i g i l a lb a i l d w i d t ha n dd y i l a m i c 删1 9 e ，e a s eo fi n t e 铲a t i o ni n t om t u r ed i g i t a lc o n t r o la i l d w i l lb ew i d e l yu s e di np o w e re l e c t r i c a ls y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep r o b l e m so n o c t ，o nt l l eb a s i so fe l e c t r o m a g n c t i ct h e o r ) ，a n de l a s t i c o p t i ce f 绝c tt h e o r yo fl i g h t ， p r o p o s e da i l dd e s i g n e dt h i ns l i c et y p eo p t i c a lc u r r e n ts e n s o rs y s t e m t h i ss y s t e mh 嬲 s i m p l eo p t i c a ls t m c t u r ei nt h ep a no fs e n s o rh e a d ，s m a l ld i m e n s i o no fs e n s i t i v ee l e m e n t ， a n ds e l e c t e dn e wt y p eo fm a g n e t o o p t i c a lm a t e r i a l sb i g d ：y i qt or e d u c et h el i n e a r b i r e 衔n g e n c ea n di m p f o v et e m p e r a t u r es t a b i l i z a t i o no ft h es y s t e m t h ed e s i g i lo ft h e w h o l ee x p e r i m e n t a ls y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e d ，i n c l u d i n gs y s t e mo p t i c a ls t m c t u r e ， e l e c t r o n i cs t r u c t u r e 锄ds i g n a lp r o c e s s i n g ，e t c t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mu s e dal da s l i g h ts o u r c e ，ap i na sd e t e c t o r a n dap ct oa c q u i r eo u t p u ts i g n a la n dd a t ap r o c e s s e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o na n dp e r f l o m a n c et e s ti sc a r r i e do u ta n dt h et e s tr e s u l t sp r o v e t h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m 、m a n gx i a o j i n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o s h a n gq i u f e n g k e yw o r d s ：o p t i c a ic u r r e n tt r a n s d u c e r f a r a d a ye f f e c t ，l i n e a rb i r e f r i n g e n c e ， s e n s i t i v i t y ；i a g n e t o o p t i c a lm a t e r i a l s 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文膜片式高灵敏度光学电流 传感器系统研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和 致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：王蟠 日期：丝圣! 圣： 6 导师签名： 日期：逊! 墨：丛 华北电力大学硕十学位论文 1 1 论文选题的背景及意义 第一章引言 在高压电机、变电站等高压电气系统中，磁场的监测是极其重要的，现代电网 的发展对电流互感器、电压互感器提出了小型化、高可靠性要求，传统的电磁式电 流互感器对绝缘的要求极高，因此它也就成为一个价格昂贵和结构复杂的系统。而 光学电流传感器是一种将光学传感技术应用于电力系统的新设备，它克服了传统电 磁式电流互感器中不足，具有如下一些优点【i 2 】： ( 1 ) 绝缘性能好，重量轻、体积小，造价低 光学电流互感器中的传感材料为磁光玻璃、光纤等绝缘材料，结构简单，造价 低。 ( 2 ) 不含铁芯，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题 电磁式电流互感器由于使用铁芯，必然存在磁饱和、铁磁共振和磁滞效应等问 题，o c t 不采用铁芯做磁耦合，不会存在这方面的问题。 ( 3 ) 抗电磁干扰性能好，无输出开路危险 由于光学电流互感器的高压与低压之间是只存在光纤，而光纤具有良好的绝缘 性，无磁耦合。因此，低压边无开路高压危险，免除了电磁干扰。 ( 4 ) 测量动态范围大，精度高 电磁式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，光学电流互感器 有很宽的动态范围，额定电流可测到几十安培至几千安培，即可测交流又可测直流。 ( 5 ) 频率响应范围宽 o c t 的测量频率范围主要决定于电子线路部分。o c t 已被证明可以测出高压电 力线上的谐波【3 】，还可进行电网电流暂态、高频大电流与直流的测量。 ( 6 ) 不含油，无易燃、易爆炸的危险【4 5 】 电磁式电流互感器一般采用充油来解决绝缘问题，这样不可避免的存在易燃、 易爆炸等危险，而光学电流互感器不存在这些问题。 ( 7 ) 易于和数字仪表接口，适应了数字化、微机化和自动化发展的潮流 光学电流传感器具有传统c t 无法比拟的优点，符合了未来电站、变电所发展 的需要，是传统电流互感器较为理想的替代品，但其技术仍有不完善之处。双折射、 温度的影响和长期稳定性是困扰光学电流互感器发展的主要问题，其中传感系统的 双折射是影响系统的灵敏度和精度的重要原因，而由温度引起的暂态双折射的影响 呈现复杂的随机特性，难以找到有效的方法来解决。这一问题是阻碍光学电流互感 器实用化的关键性技术难题之一。 华北电力大学硕十学位论文 1 2 本课题的国内外研究现状 l8 9 4 年，最早有人提出利用m i c h a e lf a r a d a y 发现的磁光效应进行电流测量。 由于当时技术条件所限，研究仅限于实验阶段【6 j 。但直到2 0 世纪6 0 年代半导体集 成电路技术、激光技术和光纤技术出现后，才有了多种新型电流互感器方案，并于 八十年代末九十年代初期具有了商业价值。国外a b b 、a l s t o m 、n x t p h a s e 、s i e m e n s 等公司已经开发出一系列光电电流互感器产品并在世界各地挂网试运行多年。1 9 8 7 年美国西屋公司研制的光纤电流传感器在田纳西电力公司经过1 8 个月的连续长期 现场测试【7 】，测试结果表明此电流传感器的测量精度和可靠性能较好地满足电力系 统的测试与监控要求。1 9 9 1 年6 月，a b b 公司公布了用于3 4 5 k v 电站的计量和保 护用o c t ，其中不仅有多种电压等级的交流o c t ，还有直流o c t 。2 0 0 0 年8 月， a l s t o m 公司研制的光学电流互感器在美国德州挂网运行。2 0 0 1 年1 0 月，n x t p h a s e 公司的三相c o v c t n x v c t 在h y d mq u 6 b e c 成功安装，采用全光纤传感头。 我国光电电流互感器的研究始于8 0 年代，先后有清华大学、电子部2 6 所、北 京电科院、上海互感器厂、沈阳变压器厂、哈工大、华中科技大学、华北电力大学 等多家大学和科研单位开展这项研究工作。其中，华中科技大学与广州番禺电器、 广东玮钰科技三方合资成立的广东玮钰光电科技有限公司，从2 0 0 3 年起即在这个 领域内不断研发和试制无源光电互感器；哈尔滨工业大学、华北电力大学合作，已 开发出无源光电互感器产品【8 】。另外，国电南瑞、国电南自，也在纷纷进行从光电 互感器到适于光电产品的二次保护全套技术的研发。国电南自，专门成立南自新宁 公司从事光电互感器研发以及二次保护改造工作，并在2 0 0 5 年9 月内蒙古电力公 司2 2 0 k v 变电站招标中，中标一套从一次光电互感器到二次保护的全套产品作为其 试验的基础。2 0 0 6 年1 2 月1 3 日，我国首座2 2 0 千伏数字化变电站内蒙古杜尔 伯特变电站建设成功，并投入生产运行。采用的就是南自新宁公司研发的数字化变 电站系统，将具有国内领先水平的数字化电流( 电压) 互感器取代了传统的互感器。 在传感材料方面，目前光学电流传感系统中比较常用的磁光材料有磁光玻璃、 y 3 f e 5 0 1 2 ( y i g ) 、以及稀土掺杂( r e y ) 3 f e 5 0 1 2 ( r e y i g ) 。这方面的进展如下：7 0 年代 初，英国姆拉达公司申请了“y i g 单晶磁光电流测试仪专利【9 l ，采取了许多补偿 办法和结构改革使测试精度大大地提高。1 9 8 3 年，日本中央研究所和松下产品机器 研究所采用材料( y t b ) 3 f e 5 0 1 2 和z n s e ，推出了在工业中应用的光学电流传感器。 1 9 8 4 年，日本东京大学和日本大学的y 0 s h i n o 等人经过多年研究实践，联合推出s f 6 磁光玻璃光纤电流传感器，采用了多路反射式结构。增加光在介质中行进的距离， 提高测量精度。s f 6 磁光玻璃的费尔德常数v = o 0 9 m i n c m g ，设计反射次数为2 0 次。此传感系统有良好的线性关系，快的响应速度，较高的精度，小的尺寸，可以 测试正常和短路情况下的高电压传输，其磁场测量灵敏度为d i d h = 2 3 x 1 0 q g 。1 9 8 4 2 华北电力人学硕+ 学位论文 年，瑞士s t o c l 【l l o l m 皇家技术学院，对y i g 晶体光学传感系统作了研究l2 1 。他们 用了单模保偏光纤作传输介质，并采用了集成光学技术，研究了y i g 不同特性对光 纤传感器的影响。他们指出y l g 磁光材料经过退火处理后，性能更好，线性度明显 提高。1 9 9 0 年，美国国家标准与技术研究所的d e e t e r 小组采用y i g 作为法拉第材 料，其频率响应可以达到7 0 0 m h z ，在8 0 h z 此晶体的可测量等噪声电流达到 1 0 i w ( h z ) 2 。1 9 9 3 年，他们用y 3 ( f e g a ) 5 0 1 2 ( ( y g a ) i g ) 作材料，等噪声电流为 2 0 0 n ( h z ) 沈，并有很宽的频带，在一3 d b 时约为2 6 m h z 【1 ”。与此同时，还有其 他许多的研究机构也对此作了广泛的研究，并取得了相应的进展。 国内从7 0 年代以来也曾有一些单位对光纤电流传感器作了研究。例如华中理 工大学、上海硅酸盐所、上海冶金所、华北电力局、北京化工学院等一些科研机构 对此进行了研究探索。如上海冶金所的刘湘林等，研究了( b i t m ) 3 f e 5 0 1 2 ( ( b 汀m ) i g ) 和( b i p r ) 3 f e 5 0 1 2 ( ( b i p r ) i g ) 两种材料的电流传感器【h l 。1 9 9 1 年，清华大学用c e 玻璃 作为法拉第传感材料的光学电流传感器，此光学电流传感器的测量范围为2 0 a 2 0 0 0 a ，测量精度为o 3 ，灵敏度为1 a ，工作范围1 0 6 0 ，测量误差o 3 。 但是到目前为止国内还没有进入工业实用的报道。 目前光学电流传感器研究的趋势是，研究改进传感系统结构和系统测量电路， 以提高电流传感器的测量范围和测量精度以及系统的可靠性。而在微弱电流( 磁场) 的测量方面，则是努力提高材料的法拉第旋转角和传感系统的灵敏度和频率响应， 使之能够测量出极小电流，并可能成为磁场测量的一种新的标准。影响光学电流互 感器实用化进程的主要因素是双折射、温度的影响和长期稳定性问题。其中传感系 统的双折射是影响系统的灵敏度和精度的重要原因，而由温度引起的暂态双折射的 影响呈现复杂的随机特性，难以找到有效的方法来解决。这一问题是阻碍光学电流 互感器实用化的关键性技术难题之一。本论文采用了新型的光学材料，提出膜片式 传感头结构的光学电流互感器，尝试一种新型的光学电流传感方案，以解决暂态双 折射的影响问题。 1 3 本论文的主要工作 本论文的工作包括以下几个方面。 1 ，从理论上分析双折射的产生及其对系统的影响，重点分析由热应力产生的 双折射，为传感系统的设计提供理论依据。 2 ，研究磁光材料的磁光性能，如：法拉第旋转。 3 ，完成整个传感系统结构的设计，包括系统光路结构、电学结构、光源驱动 电路、信号处理等方面。 3 华北电力人学硕十学位论文 4 ，对整个系统进行实验验证，并分析实验结果。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章光学电流互感器的原理及存在问题 2 1 光学电流互感器的基本原理 光学电流互感器可以采用多种物理效应，如：法拉第磁光效应、磁致伸缩效应、 压电效应和电光效应等，其中研究最为充分、最具有实用化前景的是基于法拉第磁 光效应的o c t 。这种o c t 是通过测量由被测电流引起的磁场来间接测量电流的。 法拉第磁光效应的原理如图2 1 所示。 入射线偏振光磁光玻璃出射线偏振光 图2 一l 法拉第磁光效应原理图 加在磁光材料上的外部磁场会使通过磁光材料的偏振光发生偏振面的旋转，偏 转角0 和外加磁场的关系为： o = y 陋万 ( 2 一1 ) 其中，为法拉第磁光材料的磁导率；矿为磁光材料的v e r d e t 常数，它与介质 的特性、光源波长、外界温度等有关；日为作用于磁光材料的磁场强度；l 为通过 磁光材料的偏振光的光程长度。若磁场日是由电流j 产生，则可由0 的测量值求出 电流j 的大小，载流导线在周围空间产生的磁场遵守安培环路定律，对于长直导线 有： 日= ( 2 积) ( 2 2 ) 式中，r 是光学介质中光路中某一点离电流导线中心的距离，因此，只要测量0 ，三， r 等值，就可由下式计算得出电流 秒：丝生( 2 3 ) 匦面趣m 罗骷徊 起偏嚣 日 检偏器 图2 2o c t 的传感原理图 5 华北电力人学硕十学位论文 由于偏振光的偏转角不能被直接测量，因此，采用检偏器将其转化为光强信号 来检测。光学电流互感器的传感原理如图2 2 所示，选择参考坐标系使起偏器透光 轴和x 轴平行，检偏器与起偏器轴的夹角为4 时检测灵敏度最高。设光源产生的 光电矢量为最，经过起偏器后，其琼斯矢量为 斟 其中，吃= 去瓜面。磁光介质的法拉第旋转特性可用琼斯矩阵表示为 ，= 嚣捌 ，= ll ls i n 0c o s oi 根据琼斯算法，经法拉第物质和检偏器后的矢量为 e - 搿掣4 m 篇4 嚣瑚等例 ：皋s i l 讣p 俐 ( 2 3 2is i n ( 口+ p 4 ) j 则输出光强p o 与输入光强b 之间的关系为 p 。= 去( 1 + s i i l 2 口) ( 2 4 ) 交流分量为 只c = 去s i n 2 口 直流分量为 = 去只 单光路检测方法采用滤波电路分别检出交流分量和直流分量，为消除输入光强 波动的影响，取调制量 m = 只c = s i n 2 秒 当调制度较小时，肌2 0 。单光路检测方法只能测交流信号。 如果用偏振分光棱镜( 如渥拉斯登棱镜) 作为检偏器，两个出射光轴与起偏器 的夹角分别为4 和一4 ，则两输出光路的光强分别为 己= 去只( 1 + s i n 2 秒) ( 2 5 ) 6 华北电力大学硕十学位论文 调制量为 只：= 三即“n 2 p ) 脚：墨l 二垒：s i n 2 秒 只i + 2 这种检测方法称为双光路检测方法。该方法能测交流信号，也能测直流信号。 2 2 光学电流互感器存在的问题及解决方法 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 光学电流传感器具有传统c t 无法比拟的优点，是传统电流互感器较为理想的 替代品，但目前为止还没有真正经过实际运行考验达到实用化要求的o c t 商品出 现。f a r a d a y 磁光效应的o c t 仍然面临两个主要问题：测量精度受双折射影响达不 到计量的要求及长期运行稳定性问题。 2 2 1 稳定性问题 闭合光路的块状o c t 传感头的结构如图2 3 所示。此图为单光路传感头结构， 是一种应用比较普遍的光学传感头结构，它包括4 块条状光学玻璃和6 块9 0 。直角 棱镜，两个条状玻璃的端面分别为入射面和出射面，9 0 。直角棱镜的4 5 。斜面为传 感头的反射面；通过六个反射面偏振光进行了六次全反射而围绕通电导体旋转一 周。还有多光路传感头结构，它由4 块矩形棱镜、一块小的9 0 。直角棱镜构成。通 过改变入射光处的小玻璃棱镜以调节光的入射点位置，可以改变闭合光路的圈数， 使得光路多次环绕载流导体。 图2 3 块状0 c t 的光学传感头的结构 从图2 3 可以看出，块状0 c t 为了形成闭合光路要采用多个光学元件，各光学 元件之间需要采用光学胶粘合，光在传感头中传输要经过多次反射，多次由光学胶 粘合面透射。光学胶粘合的影响主要体现在：光学胶的透射效率是温度和时间的函 数；温度对光学胶粘合面的影响将导致光路偏离原来设计的理想光路，影响输出透 镜到光纤的耦合效率。由于多处采用光学胶粘合，致使块状o c t 在运行一段时间后 出现基本输出光强衰减的现象，带来了运行稳定性问题。 7 华匕电力人学硕十学位论文 光路长，环节多是造成o c t 长期运行稳定性问题的原因，也成为阻碍o c t 实 用化的主要原因之一。因此，解决f a r a d a y 磁光效应o c t 的运行稳定性问题的关键 是简化光路【1 5 ，1 6 】，尽可能少的采用光学胶粘合，这可以靠采用直通式传感头结构来 实现。直通式传感头无需反射棱镜，仅由一个起偏器、一段磁光玻璃和一个偏振分 光器三部分组成，三者光轴在一条直线上，相互之问并不粘接。 直通 光源、信号处理单元 图2 4 旁观型o c t 的系统结构示意图 不采用任何磁场搜集方式的直通式o c t 称为旁观型如图2 4 所示，其法拉第旋 转角和电流之间的关系为 凸p 纥f u 一一2 耵 其中，p 为法拉第磁光材料的磁导率；y 为磁光材料的v c r d e t 常数；三为通过磁光 材料的偏振光的光程长度；，为磁光材料和电流导体之间的距离。 将上式和闭合光路0 c t 的传感表达式( 2 2 ) 相比，可知旁观型o c t 的传感灵 敏度低，为提高直通式传感头的灵敏度，采用具有高费尔德常数的光学材料( 如y i g 晶体) 。另外，减小了传感元件的尺寸，传感元件的尺寸越小，所处位置的磁场越 均匀，测量精度越高。 2 2 2 温度的影响 温度对电流互感器的影响主要表现在置于户外的传感头的精度上。根据实际情 况可分为下面两个温度源的影响【l 7 】：一是缓慢变化的空间上均匀分布的环境温度； 二是变化复杂的空间上分布不均匀的温度。在均匀温度场中，传感头中传播的光强 会因此发生变化，进而使得光功率变化。对于这种影响可采用适当的数据处理方法 得以解决。在非均匀温度场中，由于温度的不均匀使得传感头中的磁光材料，光学 器件及他们之间发生非均匀的热膨胀，从而使之产生内应力，引起附加温度应力双 折射，直接影响线偏振光的偏转角，导致难以消除的测量误差。温度除了产生双折 射以外，还影响介质v e r d e t 常数、折射率等。 华北电力大学硕十学位论文 温度变化引起的双折射是本论文讨论的重点。外界温度的变化，将导致传感头 周围温度场的非均匀分布，磁光玻璃为热的不良导体，因此传感头外部和内部将产 生温度差，从而沿温度梯度方向产生应力，进而产生线性双折射。 温度变化引起的双折射影响是随机而复杂，所以，暂态双折射是阻碍光学电流 互感器发展的关键难题。为了消除温度引起的双折射的影响，人们提出了许多补偿 的方法【”】。主要包括以下几种： ( 1 ) 基于温度测量的补偿方法。文献【1 9 】提出，首先离线记录o c t 在某一特 定温度下当温度存在扰动时的测量精度与温度的关系曲线并存储，在线通过热电偶 直接测量环境温度，然后与存储的曲线相比对来进行温度补偿。 ( 2 ) 改进光技术或光学材料。这种补偿方法是o c t 研究的重点。文献【2 0 】充 分利用晶体的左右自然旋光效应，将分别具有左旋光效应和右旋光效应的晶体或者 平行叠放、或者串行叠放，适当分配分别进入左、右旋光效应晶体的光强，以达到 消除温度影响的目的。有人提出了一种基于偏振光干涉原理的温度补偿技术，它是 将入射到磁光材料的偏振光一分为二，其中一束光入射到被温度和磁场作用的磁光 材料中，另一束则经过线性旋光器，两束光相互干涉，被测磁场从干涉仪的边缘可 见性变化中得以恢复。或利用法拉第磁光效应的非互易性原理和双折射的互易性来 消除双折射的影响，即同一线偏振光沿着同一光路正反传播时双折射被消除而磁光 效应被加强二倍。文献 2 1 提出用扭转光纤、退火光纤或扭转和退火工艺相结合的 方法制作电流传感头。扭转光纤可显著减小由光纤中剩余应力及几何非对称性引起 的内在线性双折射；退火工艺可明显降低光纤中存在的弯致线性双折射，实验表明， 采用新工艺使系统灵敏度与温度稳定性均得到明显改善。文献 2 2 】采用新光纤材料 燧石玻璃光纤克服线性双折射问题，燧石玻璃是一种具有极小光弹性系数的较理想 的玻璃材料，其内在双折射及弯致双折射均小到可忽略不计。e a u l m e r 的课题组 提出了“线偏振光平行于温度引起的双折射媒介中的特征方向时通过该媒介仍然保 持线偏振态 的理论。文献【2 3 通过分析o c t 输出中直流分量和交流分量与双折射 之间的关系，进而找出近似的补偿表达式。文献【2 4 】给出了s a g i l a c 方案o c t 的误 差描述公式，证明了s a 9 1 1 a c 方案具有抑制双折射的能力。文献【2 5 】采用两个光学传 感头来提高抗干扰能力。 ( 3 ) 引入参考磁场。文献 2 6 提出了采用高稳定度永久磁体产生的磁场作为参 考磁场，与被测电流产生的磁场进行比较测量，对费尔德常数及双折射的变化进行实 时补偿。永久磁铁的磁性必须保证高稳定度，才是比较理想的参考源。但永久磁铁 的高稳定度恰恰难以保证，比如在系统发生故障时，永久磁铁处于很大的磁场之中， 会产生退磁现象，故障消失后，不能回到原来的数值，再进行补偿将使效果大打折 9 华北也力大学硕士学位论文 扣。 ( 4 ) 被动保护方法。文献【2 7 】引入过渡介质以减少由较大的温度梯度引起的暂 态双折射，同时设计了一种无组装应力传感头组装方法来解决传感头组装引起的应 力双折射问题。 由于温度的影响随机而复杂，而光学材料本身又具有多参量交叉敏感性，致使 以上补偿方法都未能达到理想的效果。解决双折射问题的正确思路是抑制温度梯度 引起的暂态双折射，选用高费尔德常数的磁光材料。 2 3 本章小结 本章介绍了光学电流互感器的测量原理，指出了影响光学电流互感器发展的主 要的难题，即长期运行稳定性和温度的影响，以及在这两方面的研究进展，并指出 了解决这两个问题的途径是选用高费尔德常数的磁光材料和简化光路结构。 l o 华北电力人学硕士学位论文 第三章双折射问题的理论分析 由于磁光材料的双折射效应，使射入磁光介质的线性偏振光变成椭圆偏振光。 其结果是：从检偏器输出的光强度变化与被测电流不成正比，引起误差，使光学式 电流互感器的灵敏度不稳定，影响测量精度。磁光晶体中的双折射问题是光学电流 互感器的研究难点，也是重点。世界上各个课题组都对此进行了不少研究。 3 1 双折射的电磁本质 光波是一种电磁波，光波在物质中的传播过程可以用麦克斯韦方程组和物质方 程来描述。在透明非磁性各向同性介质中，可以写成如下形式f 2 8 】： v 6 = o ( 3 1a ) v 厅= o( 3 1 b ) v 云一附警 l c ) v x 疗：罢 ( 3 _ 1 d ) 西：s 云 ( 3 1 e ) 下面用麦克斯韦方程组和物质方程来分析单色均匀平面波在各向同性且均匀 的介质中的传播特点。均匀平面波在一个波平面上，电场强度应有相同的振幅及相 位，磁场强度雷也是如此，且电场和磁场有相同的相位。当它在均匀物质里传输时， 在尹处的电场和磁场可以表示为： e ( 尹) = 易e x p ( 一弦尹) e x p ( 研) ( 3 2 a ) 日( 尹) = 日d e x p ( 一弘尹) e x p ( _ ，栅) ( 3 2 b ) 或、玩为常矢量；云称为波矢量；尹代表空间位置；缈为光波的频率。下面为 了分析方便，把雷( 芦) 、疗( 尹) 简写为豆和百。 把( 3 2 a ) 、( 3 2 b ) 代入( 3 一l c ) 、( 3 一l d ) ，并应用下面关系： v ( 妒) = v 缈彳+ 妒彳 v e 一且。= 一j 毛e 一五 有： 云或= 柚。 七日d = 啤磊 ( 3 3 a ) ( 3 3 b ) 华北电力大学硕十学位论文 这是各向同性且均匀介质中波矢量七所满足的方程，其中和g 为常标量。如 果物质各向异性均匀时，上两式在形式上仍然成立，但、s 应由常张量西、蚕来 替换。由于一般情况下，乃为各向同性且均匀，所以仍然为一常标量，则上面两式 应改写为： 云扇= 础。( 3 4 a ) 云玩= 一和。( 3 4 b ) 为分析方便，令云：竺i ，i 为平面波传播方向上的单位矢量；以为平面波传播时的 介质折射率；c 为光速。则上式可以变形为： 兰扇= 旃。( 3 5 a ) 兰玩= 一参邑= 一豌 ( 3 5 b ) 由以上两式消去霄o ，得到： 属= 一事i ( j 磊) = ；匦一j ( i 扇) 】 ( 3 6 ) 在主轴坐标系统下有： 弘d o = 西e o = i x 辉。e 眈+ ip 邮y e 吵+ i z 陋z e 眩0 一，i 、 式中：以、胪，、胪：可由下式表示： 版= 等蚂：孚胆：萼 c 3 嘞 把( 3 7 ) 、( 3 8 ) 代入( 3 6 ) ，并令等式两端各个分矢量相等，则有： 刀x 2 一万2 ( 1 一瓯2 ) 】e m + 靠2 s ，邑e 砂+ ，1 2 s 。s ：e 如= o ( 3 9 a ) 7 1 2 影最“刀y 2 一刀2 ( 1 一s 2 ) + 疗2 邑芝= o ( 3 9 b ) 刀2 疋e 名+ 刀2 s ：邑e k + 疗：2 一刀2 ( 1 一s ；2 ) 】五k = o ( 3 9 c ) 根据上式，可以确定任何传播方向i 上的电场矢量磊以及相应的折射率。可以 看出扇有解的条件为系数行列式为o ，所以有： k 2 一刀2 ( 1 一足2 ) 疗2 黑s y 刀2 s 。s ； l ，1 2 墨蔓刀y 2 一万2 ( 1 _ s ，2 ) 以2 s y s ： l ，1 2 叉最 刀2 s ：s”：2 一刀2 ( 1 一s ：2 考虑到+ s ；+ s ：= l ，把上式展开有： 1 2 = o ( 3 1 0 ) 华北电力大学硕十学位论文 胛4 0 ：+ 以；s ；+ 刀；疋2 ) 一刀2 k ；n ；( s ；+ s ；) + 聆；刀：( + ) + 疗；以；( s ：+ ) 】 + n ：，l 颡= o ( 3 1 1 ) 上式为刀2 的二次方程，一般地由这个方程可解得，1 2 的两个不相等的实根以? 和 刀；，说明在各向异性介质中沿着任意s 方向上，有两组平面波可以传播，这两组平 面波有着不同的折射率和不同的光波相速度。把以= 力，和，l = 刀：两个根分别代人( 3 一1 1 ) 式，可以确定对应于折射率为和，l ，的两个光波的电矢量。分析表明，两个光波都 是线偏振光，且他们的电矢量相互垂直。 结论：从上面的分析，我们可以看出当一束单色光在各向异性介质中传播时， 一般可以分成两束光，这两束光有着自己的传播方向和传播速度，这种现象叫做双 折射。另外当原来为各向同性的一些非结晶材料( 如光学玻璃等) 受到应力时，其 各向同性会被破坏，也可观察到双折射现象【2 9 1 。在应力作用下，这些材料具有和各 向异性介质一样的性质。但是材料的这种各向异性只在材料载荷作用期间持续，一 旦去掉载荷，材料又恢复为各向同性，这就是人工双折射或瞬时双折射。 3 2 双折射对0 c t 测量的影晌 葺 f y o1 d = l 一纱g j ，ol e ( 3 1 2 ) l o o 乞j 召= 胪 ( 3 1 3 ) 戋 _ l 兰。k h 三厂z r = 巴戋乏一戋p = 。 p 均 光波的电场强度矢量e 具有非零解的条件是式( 3 一1 4 ) 中的二阶系数行列式等于 后4 一w 2 ( q + 占y ) 七2 + w 4 2 ( s 。占y 一厂2 ) = 0 ( 3 1 5 ) = 去w 2 ( 占，+ s _ y ) ( g ：+ s ；+ 2 占，占j ，) w 4 2 4 w 4 2 t g j ，+ 4 w 4 2 厂2 1 3 华j 匕电力人学硕十学位论文 = 三w 2 k q + 占y ) 石_ = 二；了而】 ( 3 一1 6 ) 将式( 3 一1 6 ) 代入到式( 3 一1 4 ) 中，可得： 其中，口= 盼彳胁砷c 一， 酚彳小七， 2 q _ 【( ( s y + q ) + 厄j 丽】 ( 3 一1 7 ) ( 3 1 8 ) 从光学的电磁理论可知，式( 3 一1 7 ) ( 3 一1 8 ) 是两束相互正交的椭圆偏振光，将 ( 3 1 7 ) 、( 3 一1 8 ) 整理，并应用矩阵理论将其转换为矩阵形式，可得： 阻，=c o s ( 2 荔) c o s ( 裂蚴参l s t 越咖( )c o s ( 么) + z c 0 默s i n ( 么) b 上= o ( 3 1 9 ) 其中，矽毋z ，万兰t t ，c o 蹄= 葛，s 血= 嚣 考虑到，对于晶体的线性双折射存在关系： x2 一码sy 2 s 一。 将其代入到式( 3 1 6 ) 中，进行t a y l o r 展开，并忽略，7 4 ，7 4 的高次项有： 万z ：( t 一) z ：2 w ：s 一2 w ：痧j f 7 ：2 w z 从s 一彳了) + d ( 刁) ：华+ 华 ( 3 - 2 0 ) 上式右边第一项为介质的双折射p ，( 单位为弧度每单位长度) ；第二项为介质的法 拉第旋转角2 9 ，( 单位为弧度每单位长度) 。由此可得以下关系式： 万= 而；c o 虢= 詈州n x = 詈 根据光学电流互感器原理，入射到磁光材料中的光波为线偏振光，不妨假设该 线偏振光是沿y 轴方向振动，其电矢量为： 乏 瑚= 乏 ；经过磁光材料后的两束 出射光的电矢量为： 1 4 华北电力大学硕士学位论文 阱批 l 2 疆 c 。s r 至 l 2 争 c 0 8 憧 p ， s m d p j s m d 西 2 矽 _ 2 _ + ( 3 2 1 ) 这两束出射的偏振光的光强分布分别为： 扣即w = 譬( 1 - 2 口孚) p 2 2 ， 如= 宰= 譬( t + 2 9 孚)c 3 2 3 ! 由以上分析可以看出，由于双折射的存在，将影响光学电流互感器的探测灵敏 度。 3 3 由热应力产生的双折射的理论分析 o c t 受温度影响主要来自于温度变化引起的应力双折射。当传感头处于以通流 导体为中心向四周分布的这样一个非均匀温度场中时，由于温度的不均匀使得制作 传感头的磁光晶体、光学器件及它们之间发生非均匀的热膨胀，从而使之产生内应 力，引起附加温度应力双折射，即暂态双折射，直接影响线偏光的偏转角，导致不 可消除的测量误差。 3 3 1 线性双折射与应力的关系 介质中存在弹性应力或应变时，介质的光学性质( 折射率) 将发生变化，从而 影响光在其中的传播特性，这就是弹光效应【3 1 1 。应力或应变对介质折射率的影响可 以通过介质折射率椭球的形状和取向的改变来描述。 假如沿晶体主轴方向加单向应力盯，则沿此力方向折射率刀要发生变化，其表 达式为 万= ，l o + 口盯+ 6 盯2 + ( 3 2 4 ) 式中口，6 ，为常数。改变仃之方向，物体就由受拉变成受压，相应的，l 值也随之变 化，所以各向同性材料无一级电光效应，但有一级弹光效应。 晶体的折射率可用折射率随椭球来