（高电压与绝缘技术专业论文）基于超磁致伸缩材料和光纤光栅的电流传感技术的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于超磁致伸缩材料和光纤光栅的电流 传感技术的研究 摘要 电流互感器是电力系统中进行电能计量和继电保护设备，其精度及可靠 性与电力系统的安全和经济运行密切相关。随着电力工业的发展，传统的电 流互感器难以满足需求，而光电流传感器因其独特的优点具有潜在的应用价 值，是未来电力工业电流测量发展的趋势。 本文通过广泛阅读资料，回顾了光学电流传感器近年来的进展，分析 了该技术领域存在的问题，结合光纤光栅传感技术，提出了一种基于超磁致 伸缩材料( g m m ) 调谐光纤布拉格光栅( f b g ) 的光电流传感器，对交直流电流 传感从理论分析、计算机仿真、实验验证三个方面进行了研究。 为了实现直流电流传感，利用了超磁致伸缩材料特性曲线上较线性的一 段区域，并通过实验验证光谱仪解调直流电流传感特性。实验表明，在测量 范围内布拉格波长漂移量与外施电流成线性关系，重复性很好。 针对交流电流传感提出了两种动态解调方式：调制型双光栅解调和放大 自发辐射a s e 光源谱特性解调，建立数学模型通过计算机仿真对其可行性 进行了分析。最终用a s e 光源谱特性解调方案将a c 电流形成的光纤光栅 波长漂移解调成电平信号。并通过实验标定a s e 光源谱特性解调应变灵敏 度系数。 对于交流电流传感，根据超磁致伸缩材料特性分不加偏磁和加偏磁两种 情况进行了探索。两种情况下g m m 的磁场强度一应变关系都是回线特性， 利用传感系统的电流输入信号与输出电平的关系通过数据重建，求得了这些 回线关系。 本论文对基于超磁致伸缩材料的光纤光栅电流传感器进行了有意义 的、基础的研究，为光电流传感开辟了新的研究领域。 关键词光电流传感器；光纤布拉格光栅；超磁致伸缩材料；解调 坠玺鎏墨三銮兰三兰堡圭兰堡丝圣 t h er e s e a r c ho fc u r r e n ts e n s i n g b a s e do ng m m a n df b g a b s t r a c t t h ec u r r e n tt r a n s d u c e ri st h ei m p o r t a n td e v i c eo fp o w e rm e t e r i n ga n dr e l a y i n g i t s p r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yr e l a t e dt h es a f e t y a n de c o n o m yo fo p e r a t i o ni n e l e c t r i cp o w e rs y s t e mc l o s e l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e r ，c o n v e n t i o n a l c u r r e n tt r a n s d u c e rc a n tm e e tr e q u i r e m e n t s w h i l eo p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ( o c t ) h a v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o nc o s tb e c a u s eo fi t s u n i q u ea d v a n t a g e s ，w i l lb e u s e dt or e p l a c ec o n v e n t i o n a lc u r r e n tt r a n s d u c e r si nt h ef u t u r e i n t h i sp a p e r ，t h ep r e s e n ts i t u a t i o na n ds t a t eo fr & d ，e x i s t i n gp r o b l e m si nt h e f i e l do fo c ti sr e v i e w e da n da n a l y z e dt h r o u g he x t e n s i v er e a d i n go ft h es c i e n t i f i c p a p e r s a n dr e p o r t s an o v e le l e c t r i c a lc u r r e n t s e n s i n gc o n f i g u r a t i o nw a s c o n s t r u c t e db a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) a n dg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v e m a t e r i a l t h ea c d cc u r r e n ts e n s i n gi sr e s e a r c h e db ym e a n so ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s 、c o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n t h el i n e a r i t ys c o p eo fg m mm a g n e t o s t r i c t i v ep e r f o r m a n c ew a su s e dt o r e a l i z e dd cc u r r e n ts e n s i n g t h es e n s i n gp e r f o r m a n c eu s i n go p t i cs p e c t r u m a n a l y z e rd e m o d u l a t i o nw a sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t d e m o n s t r a t e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb r a g gw a v e l e n g t hs h i f ta n dc u r r e n ti s l i n e a r ，a n dr e p e a t a b i l i t yw a sv e r yg o o d ， t w ok i n d so fl i g h ti n t e n s i t yd e m o d u l a t i o nm e t h o d s ：d o u b l eg r a t i n g sc o r r e l a t i o n a n da s e s p e c t r u mc h a r a c t e rc o r r e l a t i o nw e r ed i s c u s s e db yt h e o r e t i c a ld e d u c t i o n a n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n a s ec o r r e l a t i o nm e t h o dw a su s e dd e m o d u l a t e dt h ea c c u i t e n tg e n e r a t e dw a v e l e n g t hs h i f tf i n a l l y t h es t r a i ns e n s i t i v i t yw a sd e m a r c a t e d b ye x p e r i m e n tu s i n gs p e c t r u mc h a r a c t e ro f a s ed e m o d u l a t i o n a cc u r r e n ts e n s i n gw a sr e a l i z e db yd cb i a sc o n d i t i o na n dw i t h o u td cb i a s c o n d i t i o n i nt h et w oc o n d i t i o n sm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h s t r a i nr e l a t i o no f g m ma p p e a r e dh y s t e r e s i sl o o pc h a r a c t e r t h el o o pc u r v ew a so b t a i n e db y c o m p u t e rr e c o n s t r u c t i o no fi n p u tc u r r e n ta n do u t p u ts i g n a ld a t a i i 旦尘堡堡三奎兰三耋塑当兰堡丝兰 t h ef b gc u r r e n ts e n s o rb a s e do dg m mw a sr e s e a r c h e ds i g n i f i c a n t l ya n d f u n d a m e n t a l l yi n t h i sp a p e r an e wr e s e a r c hf i e l do no p t i cc u r r e n ts e n s i n gw a s e s t a b l i s h e d k e y w o r d so p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e rf i b e rb r a g gg r a t i n g g i a n tm a g n e t o s t “c t i v em a t e r i a l ；d e m o d u l a t i o n 1 1 1 哈尔滨理工大学r 学硕士学位论文 1 1 课题背景与意义 第1 章绪论 长期以来，在电力系统运行中，高压电网的电流测量工作一直是由传统的 电流互感器来完成。人们在设计、使用传统电流互感器方面积累了丰富的经 验，而且这种互感器的大多数指标到目前为止还是不可替代的。然而随着社会 对电力需求量和输电距离的增大，发电行业和高压工程行业越来越注重采用大 幅度的提高电压等级的方式束提高输电效率，目前我国电网的最高电压等级已 达5 0 0 k v 。随着电压等级的提高，传统的电磁式电流互感器暴露出一系列严重 的缺点：绝缘结构同趋复杂，生产成本与电压等级呈指数上升；电磁感应式电 流互感器所固有的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、频带窄以及有油易燃易爆 等。因而，传统的电磁式电流互感器己难以满足新- 4 2 电力系统在线检测、高 精度故障诊断、电力数字网等的发展需要。在这种背景下，寻求更理想的新型 电流互感器已势在必行，目前注意力已集中到光学传感技术，即用光电子学的 方法来发展所谓的光电式电流互感器( o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ，简称 o c t ) 。 光纤通信、传感技术以及光电子技术、微型计算机技术的发展，为光电式 电流互感器的产生提供了客观条件和契机，并引起诸多学者的极大关注。光电 式电流互感器与传统电力互感器原理比较见图1 1 。传统电流互感器的结构类 似变压器。在它的铁芯上绕有原边和副边线圈。在正常条件下使用时，电流互 感器的一次绕组串联在回路里，二次绕组经某些负荷( 测量仪表和继电器) 而闭 合，并保证通过的负荷电流与一次绕组的电流成正比。这样，通过测量二次绕 组电流，便可以方便计算出一次绕组中电流的大小。光学电流互感器将输入的 电信号变换成为光信号，光信号沿光通道传输又重新变成为带有后级放大的电 信号，这一电信号经过后级信号处理电路的处理后，将传送给计算机或继电保 护装置。与传统的电流互感器比较，光学电流互感器有明显的优点：( 1 ) 测量频 带宽。由于法拉第效应的建立几乎是瞬时的，因而频带宽度完全由信号处理部 分电子线路频率h 向应决定；( 2 ) 动态范围大，可在相当宽的电流范围内保持良好 的线性特性，克服了电磁互感器的磁饱和现象；( 3 ) 绝缘性能好，用来做传感元 件的光学材料、传输信号的光纤都是良好的绝缘材料，无需精良的高压绝缘设 哈尔滨理工人学t 学硕士学位论文 计；( 4 ) 无开路导致高压的危险；( 5 ) 不含铁芯，无铁磁共振影响；( 6 ) 可靠性 强，不含油，因而自身具有防爆特性；( 7 ) 输出信号易于转换成数字信号，抗环 境随机干扰能力强；( 8 ) 不需要复杂的外部接线；( 9 ) 不怕雷击；( 1 0 ) 体积小、质 量轻、结构简单、成本低廉。正是由于光电式电流互感器的这些特点，它特别 适用于高电压大电流的测量，能够解决传统电磁式电流互感器难以解决的问 题。并且，电压等级越高光电式电流互感器就越能显示出其独特的优越性。 因此高压工程、发电行业以及光纤传感领域里的研究者越来越多地把注意力投 向光电式电流互感器。 电磁礴应式电流互感器的绝缘结构和t 作原理 光电式电流互感器l 作原理 图1 1 光电式电流互感器与传统电力互感器原理比较图 f i g 1 - 1c o m p a r i s o no f o c t a n dt r a d i t i o n a lc t 早期的光电式传感器研究主要集中于应用光学玻璃作传感头光电电流互感 器、光电混合式电流互感器和全光纤电流传感器。光学玻璃型电流互感器采用 有较高v e r d e t 常数韵整块光学玻璃作探头，外界温度及振动都将影响其灵敏 度；全光纤电流传感器采用光纤作为敏感元件，其输出灵敏度受外界温度、光 纤本身的双折射及入射偏振面的影响极大；光电混合式电流互感器基于传统的 电流互感器，以光纤作为信号传输通道，其传感头完全是由电子线路组成，需 供电电源，高压端供电将是一个难于解决的问题。二十多年来，为了实现光电 式电流传感器实用化，国内外的诸多科学工作者进行了艰苦卓绝的努力，但没 有取得很好的成效，仍在探索中。本课题提出了一种基于超磁致伸缩材料的光 纤布拉格光栅电流传感器。光纤布拉格光栅制造工艺简单，是良好的传感元 件，除具有光纤传感的所有优点，还具有自参考特点，容易实现多路复用。 哈尔演埋工大学工学硕士学位论文 1 2 光纤光栅传感应用概况 光纤布拉格光栅是8 0 年代后期产生的。自问世以来，对光纤通信、光纤 传感、光纤激光器产生了巨大的影响。近十年来，光纤布拉格光栅传感技术已 经成为光纤传感技术中最具活力的一种技术”1 。布拉格光栅的传感原理是基于 光纤光栅布拉格波长漂移理论，将被感测信息转化为其波长的漂移，通过波长 解调判断待测量大小。由于光纤光栅传感器基于波长漂移的传感原理，所以该 传感器不受光源功率波动和系统损耗的影响，而且具有易于复用、可靠性好、 抗电磁干扰、抗腐蚀、可埋置等特点。因此，在建筑、石油、医学等行业中得 到了深入研究和广泛应用。虽然在电力工业中的应用研究起步较晚，正处于研 究的初始阶段，但其良好的绝缘性能、抗电磁干扰特性及体积小等特点，使其 成为处于强电磁场中电气设备在线检测的最佳选择，在电力系统中有着广阔的 应用前景。 下面将介绍光纤光栅传感器在民用工程结构、航天器和船舶航运、石油化 工、电力工业和医学等传感中的应用情况。 1 民用工程结构中应用民用工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最 活跃的领域。基础结构的状态，力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层 建筑和运动场馆的维护是至关重要的，通过测量建筑物的分布应变，可以预知 局部荷载的状态。德国德累斯顿附近a 4 高速公路上有一座跨度7 2 米的预应力 混凝土桥，德累斯顿大学的m e i s s n e r 等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱 中，测量荷载下的基本线性响应，并且用常规的应变测量仪器作了对比试验， 证实了光纤光栅传感器的应用可行性”1 。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构 的表面，也可以在浇筑时埋入结构中对结构进行实时测量，监视结构缺陷的形 成和生长。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个网络对结构进行分布式 检测，传感信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测。因此在民用工程 中，光纤光栅传感器成为结构监测的最重要手段。 2 兢空航天业中的应用航空航天业是一个使用传感器密集的地方，一架 飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的 位置等，所需要使用的传感器超过1 0 0 个，因此传感器的尺寸和重量变得非常 重要。光纤光栅传感器只有l 根光纤，敏感元件( 光栅) 制作在纤芯中，从尺寸 小和重量轻的优点来讲，几乎没有其他传感器可以与之相比。因此航空航天业 对光纤光栅传感技术非常重视，仅波音公司就注册了好几个光纤光栅传感器的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 技术专利”。 3 船舶航运业中的应用光纤光栅传感器能够为现代船舶的操作提供瞬时 的和丰富的传感信息，进而通过提供船舶操作人员所需要的早期危险报警和损 伤评估来保证船舶的安全。现代船用传感器中多达9 0 是压力或温度传感器， 通过选择适当的封装和衬底材料可以将光纤光栅应变传感器转变成温度和压力 传感器，利用波分和时分复用原理，一个探测系统的光纤光栅传感器数量可以 多达数万个”1 。g c r mt c 已经在o r l e a n s 大学研制成功用于船舶损伤监测的大 规模光纤光栅传感系统l 。 4 石油化学工业中的应用石化工业属于易燃易爆的领域，电类传感仪器 用于诸如油气罐、油气井、油气管等地方的测量存在不安全的因素。光纤光栅 传感器因其本质安全性非常适合在石油化工领域里应用”1 。w e i s 等人用光纤光 栅制成了一个井下光纤光栅调制器，用来跟踪钻井过程中绞盘头的幅度变化量 ”1 。有人在海上钻井平台的复合材料锁链中安装光纤光栅传感器用来测试锁链 棒的强度和疲劳”1 。美国的c i d r a ”和英国的s m a r tf i b r e sl t d l “3 都在将光纤光 栅传感技术用于海洋石油平台的结构监测。 5 医学中的应用传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的，光纤光 栅传感器是现今能够做到最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的 侵害方式对人体组织功能进行内部测量，提供有关温度、压力和声波场的精确 局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的损害非常之小，足以避免对正常医疗 过程的干扰。一种光纤光栅阵列温度传感器被设计用来测量超声波、温度和压 力场“，另一个光纤光栅温度传感系统被研制用来遥测核磁共振机中的实地温 度“3 1 。光纤光栅传感器还被研究用来进行心脏效率的测量“，这种测量基于一 种定向热稀释导流管方法。 6 核工业中的应用核工业是个高辐射的地方，核泄漏对人类是一个极大 的威胁，贝尔格利核电站泄漏的影响至今还没有消除，因此对于核电站的安全 检测是非常重要的。由于核装置的老化，需要更多的维护和修理，最终必须被 拆除，所有这些都不在设计时预见，因此需要更多的传感器以便遥控设备，处 理不确定情况。同时核废料的管理也变得越来越重要，需要有监测网络来监视 核废料站的状况，对监视网络长期稳定的要求也是前所未有的。日本核能研究 院1 9 9 9 年4 月2 0 0 0 年3 月的年度报告中提到，他们f 在r 本材料测试反应 堆，通过辐射环境测试确保光纤光栅用于核电厂设备和管道的传感，并能在几 乎整个反应堆寿命期间忍耐核辐射“”。目前，光纤光栅传感器己用于核电厂的 混凝土变形测量，地下核废料堆中的应变和温度测量“。 堕堡堡矍三奎兰三兰堡圭兰堡篁塞 7 电力工业中的应用电力工业中的设备大都处在强电磁场中，一般电类 传感器无法使用。很多情况下需要测量的地方处在高压中，如高压开关的在线 监测，高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时测量， 这些地方的测量需要传感器具有很好的绝缘性能、体积要小、而且是无源器 件，光纤光栅传感器是进行这些测量的最佳选择。有一些电力设备经常位于难 以到达的地方，如荒山野岭、沙漠荒原中的传输电缆和中继变电站，使用分布 式光纤光栅传感系统的遥测能力可以极大地减少设备维护费用。h a m m o n 等人 演示了用光纤光栅传感器测量高压变压器的绕组温度，长期监测的精度已达到 3 “”。德国西门子公司正在将光纤光栅传感器用于气冷涡轮发电机定子温 度的测量“。o g a w a 等人在3 0 k m 长的电缆上布置了1 0 个光纤光栅，光纤光 栅贴在金属板上，金属板固定在电缆上，荷载变化引起的电缆应变经金属板传 入光纤光栅，用波分复用技术对光栅反射信号进行解调1 。日本北海道就在用 光纤光栅传感器测量高压传输电缆的积雪荷载“0 1 。 电力系统运行的稳定性对国家经济发展起着至关重要的作用。例如2 0 0 3 年“8 1 4 ”美加电网崩溃，大面积停电事故造成直接经济损失不下于3 0 0 亿美 元。因此必须配置可靠的检测系统对电力系统进行实时在线监测，及时发现故 障并加以维护，保证电力系统安全、稳定、健康运行。光纤光栅传感器作为八 十年代以来逐步发展成熟的一种新型传感技术，自其问世之日就显示出巨大的 优越性。其良好的电气绝缘性能、卓越的抗辐射能力及极快的频响等特点都为 其在电力系统中的应用提供了潜在的可能性。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题在对光纤电流传感器的研究概况以及光纤光栅传感技术进行了广泛 深入分析的基础上，提出了一种以超磁致伸缩材料调谐光纤光栅的电流传感 器，并进行了系统研究。所做的工作主要有以下几个方面： 1 对基于超磁致伸缩材料的光纤光栅直流电流传感进行了理论分析，实验 验证。 2 针对交流电流传感，提出了两种动态解调方案，并建立数学模型进行计 算、分析，通过实际数据仿真验证其可行性。 3 对该传感系统实现交流电流传感，根据超磁致伸缩材料的性能特点分两 种情况进行探讨，首先通过计算机仿真证实理论可行性，然后组建基于a s e 光谱特性解调实验系统进行实验验证，完成相应的数据处理及分析工作。 竺垒堡矍三查兰三兰堡圭兰堡堡圣 第2 章光电式电流传感器研究概况 以光学测量原理为基础，人们对用于电力系统测量电流的光电流传感器的 科学研究和产品开发已进行了二十多年。特别是近几年，随着电力工业的不断 发展，电网电压等级不断上升，电流测量系统和继电保护、故障诊断系统要求 也不断提高，使光电式电流互感器的研究进展十分迅速，商品化生产的呼声越 来越高。光电式电流互感器在世界各地的公司、企业、院校、科研单位呈竞相 研究、开发的势头，尤其是近年来更多公司、企业的参与和大量的资金投入， 为光电式电流互感器的商品化生产开辟了光明的前景“”1 。 2 1 光纤电流互感器的发展概况 本世纪6 0 年代初光纤和光纤通讯的问世，引起各界人士的关注，将这些 具有优良性能的新技术成果用于高压电力系统的计量、继电保护、控制与监视 是日益发展的电力事业的需要，也是人们把新技术用到各自领域的渴求。由此 拉开了光纤电流传感器研究的序幕。 利用光纤技术测量电流始于2 0 世纪6 0 年代。最早的一套是美国发明的 “t r a s e r ”型电流互感器及其装置。以玻璃为脉冲传输波导。它于1 9 6 3 年在俄 勒冈b o n n e v i l l e 电力局( b p a ) 2 3 0 k v 电网上安装运行，其后，m o u l t o ngh 等人 应用光脉冲传输原理设计了一套高压保护装置。2 0 世纪6 0 年代中期ss a i t o 等 人基于磁光效应，利用光波导进行了超高压电力传输线电流测量。这一时期为 光纤电流互感器的兴起及理论、方法和实验的试验时期”。 目前对光电式电流互感器的研究主要可分为两类，即电光、磁光型 o c t ( 亦称p a s s i v eo c t ，简称p o c t ) 和辐射内调制型o c t ( 亦称a c t i v eo c t ，简 称a o c t ) 。 下面从这两个方面对光电式电流互感器的发展概况进行阐述。 2 1 1 电光、磁光型o c t ( p o c t ) 2 1 1 1 基于法拉第磁光效应的光电流传感器利用法拉第磁光效应的光电流传 感器是目前研究最为广泛的。采用法拉第磁光效应进行电流测量方法是基于磁 光材料在外加磁场和光波电场共同作用下产生的非线性极化过程的原理。当一 束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的偏振面就会线性地随着 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 平行于光线方向的磁场大小发生旋转；通过测量通流导体周围线偏振光偏振面 的变化，就可间接地测量出导体中的电流值。图2 1 所示为磁光式电流互感器 测量原理图。用算式表示为： 口= v i h d l ( 2 - 1 ) 式中口线偏振光偏振面的旋转角度； v 透明介质的磁光旋转率，目p v e r d e t 偏振面旋转的角度； ，磁光材料中的通光路径； 日电流，在光路上产生的磁场强度 图2 - 1 基丁= 法拉第效应光电流传感原理方框图 f i g 2 - 1p r i n c i p l ed i a g r a mo f o c tb a s e do i lf a r a d a y 如果将介质置于场致螺线管内，则上式变为 口= v n f n f i( 2 - 2 ) 式中，光纤通过螺线管的次数； 妒螺线管线圈的匝数； 卜待测的电流强度 当介质中的光路形成绕载流导线的闭合或近似闭合的环路时，方程变为环 路积分 护= 4 v h d l ( 2 3 ) 可知在闭合光路的条件下，通过介质并环绕载流导线的线偏振光的偏振角 的变化，与光束所围电流成正比。这就是法拉第磁光效应电流传感器的理论基 哈尔滨理工人学工学硕七学位论文 础，只要测定0 的大小就可测出通流导体中的电流“。但只有当电流穿过传感 元件内部的光学环路，在传感元件中传播的线偏振光的偏振方向上保持不变时 上式才能成立。如果这一条件不被满足，则传感元件内光学环路的不同部分就 会具有不同的测量灵敏度，致使传感器总的结果受导线在传感元件内部的位置 以及由其他电流产生的杂散场的影响，上式不再严格成立。而由于存在光纤内 在的以及弯曲所致的线性双折射，使上式所要求的条件不能满足。所以对该类 型的电流传感器而言，其最重要的问题是如何消除线性双折射及其影响。 基于法拉第效应的传感头可归纳为三种类型：电一光混合( 集磁器) 型探 头、环形全光玻璃探头和全光纤式探头，如图2 。2 所示。 磁 器 光玻璃 器 检 体 体 集磁器型 环形全光玻璃型全光纤型 图2 - 2 光学电流传感结构示意图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f o c t 下面将介绍这三种类型光纤电流传感器的结构、存在的问题以及研究状 况。 1 全光纤型全光纤传感头电流互感器光路简单，便于加工，但其输出灵 敏度受外界温度、光纤本身的双折射及入射偏振面的影响极大。主要表现为： ( 1 ) 当用偏振仪进行测量时，由于光纤的双折射使得入射偏振光的两个j 下交振动 分量之间产生了额外相差，输出光变成椭圆偏振光，使得测量的灵敏度降低。 而且当输出的光变成圆偏振光时，电流测量的灵敏度为零。( 2 ) f 1 3 于线性双折射 的存在，探头的灵敏度随偏振方位的改变而周期性变化。因为对于不同的入射 偏振面，传感器具有不同的测量灵敏度。由于光纤的线性双折射使得不同偏振 面的入射线偏振光引入的位相不同，所以产生了以上的结果。( 3 ) 由于应力引力 的双折射分布随温度变化而改变，所以传感器的测量灵敏度将随温度变化而漂 移。 1 9 7 7 年英国电力研究中心的r o g e r s aj 和s m i t h a m 分别对全光纤磁光电 器m 一 器一 引 瞥祭一 一 一 nuh口h件d 哈力 滨理工大学工学硕士学位论文 流互感器的原理进行了分析研究，在实验室对研究的试验获得了成功，并于 1 9 7 9 年在发电站试运行”“。这是最早对全光纤电流互感器投入研究并挂网试 运行的国家，奠定了全光纤电流互感器的里程碑。近二十年，世界各国的不同 学者在此方面做了大量的工作，提出了多种方案，也取得了一定的成果。1 9 7 9 年i r i c hru 和d a ygw 等就提出采用扭转光纤和退火光纤制作电流传感头的 方法。研究表明扭转光纤可显著减少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：而退火光纤处理则可显著减小光纤的弯曲致线性双折射。 1 9 9 0 年，t a n dd 等人利用把光纤匝退火的方法有效地消除弯曲产生的线性双 折射”。c h uw 等利用保偏光纤模式耦合法设计了全光纤电流传感器，使互感 器对外界杂散电流场具有良好的抗干扰能力，并抑制线性双折射的影响m ，。 1 9 9 6 年r o s eah 等提出将扭转光线和退火光纤这两种方法结合起来，即用扭 转过的光纤在经过退火处理后制作电流传感头。实验表明，其使灵敏度和温度 的稳定性都有很大提高。1 9 9 6 年日本的k u r o s a w a 用铅玻璃光纤作为传感元 件做成光纤电流传感器，铅玻璃光纤是采用低光弹系数的比例材料制作的光 纤，可以降低光纤内部的光弹性效应，也可以减小线性双折射”“。1 9 9 6 年， k u n ga 等利用b f i l l o u n 光纤激光器两束逆向传输光的相互作用实现了新的互 易和准互易结构全光纤电流互感器。这两种结构互感器的灵敏度达到 1 2 6 h z a ，它非常接近没有线性双折射光纤达到的这个指标”“。 综上所述，全光纤型电流互感器存在的线性双折射问题，影响并制约其发 展的步伐，虽然已提出采用扭转光纤、退火光纤、低光弹性系数的比例材料光 纤、利用倒易性等办法，但还没有完美化，随着科技的发展，有待于进步完 善。 2 闭环全光玻璃型闭环全光玻璃型o c t 采用有较高v e r d e t 常数的整块 光学玻璃作探头，并形成闭合( 或近似闭合) 的光学电流互感器装置。为了将待 测电流包围在闭合光路之内，全光玻璃探头电流互感器不可避免地要采用反射 结构，从而在光线的反射过程中引入两个互相正交间分量问的相移，使传感系 统在灵敏度、温度与振动稳定性及抗外部杂散场干扰能力三个方面的性能均受 到不良影响。因此在制作这种非功能型传感器应考虑以下一些因素的影响：( 1 ) 用作光学传感头的光学玻璃要求有大的v e r d e t 常数越大，但通常v n 越大，温 度系数越大，传感器的灵敏度随温度而变，这就存在一个温度补偿电路的设计 依据问题。( 2 ) 由于光束需要在探头内围绕载流导体形成闭合光路，由此引起 “由全反射导致的位相差”的问题。输出偏振光的偏振态因此会发生改变，从 而影响全光玻璃探头电流传感器的检测灵敏度。 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 日本的科研工作者以材料性能研究著称先后得出f s 6 、f s 5 玻璃和y i g 铁磁体等磁光材料的温度特性曲线”“”“，为块状玻璃电流传感器的发展奠定了 基础。为了解决位相差，目前至少提出了两种方法：双正交反射法和临界角反 射法。 所谓双正交反射法，是指相继的两次反射光的平行分量( 或者垂直分量) 之 间相互抵消。闭环双正交全反射式光电电流互感器是指采用方形玻璃传感头， 并形成闭合( 或近似闭合) 的光学电流互感器装置。利用上述方法已开发出了一 些新型电流传感器。k a n o im 用硅酸硼冕玻璃设计了一套双正交全反射光电式 电流互感器。它具有o 4 的非线性误差和小于1 的温度稳定性，并能获 得在3 0 k a - 1 5 0 k a 的短路电流- - + 4 的精度。该装置安装在气体绝缘开关上， 在7 0 k v 的电力线路挂网运行，有较好的线性度和温度稳定性”。y ib 等设计 了一种光路能绕导体几周的闭环双正交全反射式光电电流互感器，它能大大地 提高互感器的灵敏度”。a r c o d i d g ojl 等建立了方形、夹式，且出射面涂有 反射层，在玻璃块状传感头内来回传输光的闭环双正交全反射式光电电流互感 器数学模型，及输入与输出关系表达式”“。罗承沐等在传感头的组装上进行了 深入的研究，采用无组装应力传感头组装法，有效地消除了组装应力及温度产 生的双折射对光电式电流互感器的影响1 。闭环双j 下交全反射式光电电流互感 器的研究由开始的结构设计到现在的重点解决温度、振动等环境因素及双折射 对互感器性能的影响。这种类型的互感器，挂网运行最多，实际的经验最多， 相比之下运行的稳定性也是最好的。 闭环临界角反射法，是指当一束偏振光以一定的角度入射反射面时，它的 偏振态能保持不变，这个入射角度就称为临界反射角。w o o l s e yga 等为了克 服不能严格满足临晁角反射的缺陷造成的误差，他们采用在反射角处充以s f 6 气体，它有相对大的折射率。通过调节气压可达到临界角状态。这是一种补偿 措施，它加大了系统的复杂性和费用”。这种类型的传感器临界角问题是这种 结构的关键。即临界角的制造误差，温度对临界角的影响等。c h ubcb 等利 用铅玻璃空心三角形构成了一个闭环临界角式光电电流互感器，在1 a 3 k a 的 电流测量范围内，能获得2 0 m a h z 的分辨率，并在1 h z - l o k h z 的频率范围内 获得了平坦的频率响应”。j a c h s o n d a 教授领导的课题组对块状玻璃闭环临界 角反射式光电互感器进行了研究”。 3 集磁器型集磁器型o c t 指被测电流产生的磁场通过开口的铁芯环和磁 光玻璃材料组成一个闭合磁路，用来增加磁光材料的磁场强度，提高传感器的 灵敏度，其加工容易但测量受被测物的相对位置影响很大。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 9 9 1 年，日本的a i k a w ae 等利用( c d 0 9 m n o1 ) t e 材料作为法拉第传感元 件，设计了一套聚磁环式光电电流互感器，他们把它用于非接地电网系统的零 序电流的测量，经测试，互感器在一2 0 6 2 的温度范围内有较好的稳定 性，它的测量参数满足日本标准j e c 1 2 0 2 1 9 8 5 的要求“。y o s h i d ay 等设计的 聚磁环式光电流互感器在1 6 0 0 a 的比差能达到o 3 的精度，在o 5 0 温度 范围内的比差变化为0 5 ”“。华北电力大学贾庆泉等提出组合型零序光学电 流传感器结构，用于电缆线路。选用费尔德常数非常高的钇铁石榴石f y i g l 类 材料( 费尔德常数一般为1 0 4 r a d ( t m ) 数量级，比典型的磁光玻璃材料高2 3 个数量级) 。如果在y i g 材料中参杂某些元素，可进一步提高费尔德常数及温 度稳定性。如何消除因v e r d e t 变化导致的误差，王廷云提出了具有闭环反馈系 统的方案“。 对于光学块状玻璃电流互感器，由于块状光学材料电流互感器研究的历史 较短，其理论研究尚不很完善，对以往线性双折射及反射相移等因素对系统影 响的研究多限于定性的描述或计算机仿真结果。近年来，研究者则力图给出能 反映上述因素对系统影响的解析表达式，以期增进对发生在传感头内物理过程 的理解，并为传感头的最佳设计寻求方向。 2 1 1 2 干涉间接式电流互感器基于压电效应、磁致伸缩效应、热效应等物理 原理，利用干涉仪实现的装置，都可称为干涉间接式光电电流互感器。 王廷云等利用r o g o w s k i 线圈采集电流信号转变为电压信号，然后基于压 电效应用压电陶瓷筒调制s a g n a c 干涉仪，把光信号传到信号处理单元“。 t a n g o n a ngl 等利用涂在光纤上金属电阻产生的热效应，使用马赫一曾德 尔干涉仪进行小电流测量“。该方法受光纤本身长期性能稳定可靠性及外界干 扰等因素的制约比较严重，这使研究应用未能得以深入，近年来难以见到有关 这方面的报道。 磁致伸缩效应光纤电流传感器一般把光纤固定在磁致伸缩材料上，磁致伸 缩材料置于磁场中，其形状及尺寸将随磁场的变化而变化时，将引起光纤内的 应变，利用光纤干涉仪检测光纤内应变的变化，从而间接地测出被测的电流 值。通常它有下列3 种结构形式：( 1 ) 磁致材料圆柱体的圆周上绕以光纤。( 2 ) 在磁致材料带或管上粘贴光纤。( 3 ) 在光纤表面上涂或镀一层均匀的磁致伸缩材 料金属膜。第1 种情况缠绕的光纤要比后两种长，所以它的灵敏度较高，但体 积偏大。后两种情况由于光纤与磁致材料的粘合处存在“负载效应”，它降低 了传感材料的磁致伸缩效应。l a r s o ndc 等人及捷克的s e d l a rm 等利用马赫一 曾德尔干涉仪基于磁致伸缩效应对磁场或电流测量方面也进行了研究。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 2 辐射内调制型o c t ( a o c t l a o c t 就是基于传统的电流互感器( t a ) ，利用有源器件调制技术，以光纤 作为信号通道，把高压侧转换的光信号传到地面进行信号处理，得到被测信号 的装置，如图2 3 所示。这种传感头和磁光式电流互感器的主要区别在于传感 头完全是由电子线路组成的。由此可见，这类系统即利用了光纤系统提供的高 绝缘性的优点，又充分发挥了已被电力工业界广泛接受的、常规的电流测量装 置的优势，同时还避免了由光纤及光学玻璃作为传感头产生线性双折射和环境 影响等难题。 低压于系统 图2 3a o c t 原理图 f i g 2 - 3s c h e m ed i a g r a mo f a c t i v eo c t 2 1 2 1 相位调制式在这种方式下，一个常规的电磁式电流互感器被用来作为 一次传感元件，一个光纤干涉仪则被用作二次传感，经过相位调制后，得出被 测信号。如图2 4 所示。n i n gyn 等把一个高功率电阻串联于h p 3 0 型标准电 磁式电流互感器的次级输出端，电流互感器将电流变化信号转换成相应的电压 信号，然后再将这个电压信号直接加于压电晶体上，压电晶体的变形将改变有 一个低功率单模激光二极管为光源的马赫一曾德尔干涉仪的传感臂的相位，干 涉仪的输出信号经过个光探测器被转换电信号后，通过相位检测技术即可得 到被测电流信号n 。 蜜 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 幽2 - 4 相位调制式a o c t f i g 2 - 4p h a s em o d u l a t i o na o c t 这种类型的电流互感器基本工作过程是：电流j 电压j 相位调制j 输 出。它的精度主要受到电磁式电流互感器及信号传输系统的限制。它的分辨率 要比同类互感器的高。 2 1 2 2 强度调制式在这种方式下，一个常规的电磁式电流互感器被用来作为 一次传感元件，一个大功率发光二极管及其驱动电路被连接到电磁式电流互感 器的次级的回路中，它们将电流信号转换成强度信号，再通过光纤把信号传到 地面，解调光强信号得到被测电流。n i n gyn 等用一个在l 5 0 0 m a 驱动电流 范围内输出光强与其有线性关系的发光二极管，实现电流信号对光强信号的线 性调制。用个多模光纤将被测电流调制过的光强信号传送到地面，再用一个 光纤探测器将光信号转换成电信号，从而恢复出电流信号“”。 窭一 倒2 - 5 强度调制式a o c t f i g 2 - 5i n t e n s i t ym o d u l a t i o na o c t 这种类型的电流互感器基本工作过程是：电流j 电压j 光强调制j 输 出。它有个一个值得注意的问题：发光二极管的性能受温度影响。强度调制混 合式光电电流互感器具有结构简单、价格低廉、性能可靠、易于安装等明显的 优点。它特别适用于探测并指示导线是否有电流通过的检测系统，或在高压电 网低精度电流的测量。 2 1 2 3 频率调制式在这种方式下，一个常规的电磁式电流互感器被用来作为 一次传感元件，一个大功率电阻或其它器件并联于电流互感器的次级输出端， 它们将互感器次级的电流输出转化为电压信号，此电压信号施加于一个电压频 率转换器上，转换成正比于输入电压值的频率信号，再用此频率信号来驱动一 哈尔演理1 = 大学t 学硕十学位论文 个发光二极管即可实现光电转换，以便姆载有待测电流信息的光脉冲信号，通 过光纤传到地面，解调此脉冲信号可得到被测电流。早在1 9 7 9 年，意大利 a r t u f icm 等就已经研制出了压频变换式光电电流互感器。试验测试表明，在 测量5 0 h z 工频电流时，最大误差可以达到0 2 ；在测量直流电流时，测量误 差小于o ，1 1 。 津氇蓬 图2 - 6 频率调制式a o c t f i g 2 - 6f r e q u e n c ym o d u l a t i o na o c t 这种类型的电流互感器基本工作过程是：电流j 电压频率调制j 输 出。它具有比较好的温度稳定性，但传感头不得不设计成有源的，这是它的一 个弱点。 2 1 2 4a i 转换式在这种方式下，一个常规的电磁式电流互感器被用来作为 一次传感元件，一个大功率电阻或其它器件并联于电流互感器的次级输出端， 它们将互感器次级的电流输出转化为电压信号，此电压信号施加于一个a d 转 换器上，并转换成数字信号大小正比于输入电压值的光信号。再用此数字信号 来驱动一个发光二极管即可实现光电转换，以便将载有待测电流信息的光脉冲 信号，通过光纤传到地面，再利用d a 转换解调此数字信号可得到被测电流， 如图2 - 6 所示。1 9 9 2 年，a b b 公司s c h w a r zh a r a l d 等研制了这种光电电流互 感器，利用先进的c m o s 工艺电子器件将传感头的电能消耗已经降低到 1 5 0 w 以下，并且已经在1 1 0 k v 的变电站投入实际使用“。近年来，美国的 p h o t o n i cp o w e rs t r s t e m 公司已经初步将这种m d 采集式电流互感器产业化，它 们采用的是激光供电方式。清华大学的罗承沐教授领导的课题组，在这方面也 进行了大量的研究工作，并取得了一定的成绩，成功将传感头电路的功耗降低 到5 0 m w 以内1 。