（电磁场与微波技术专业论文）光纤λ4波片和全光纤电流互感器研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 目前，测量高压电网中电流的大小以及高压电网中继电保护一般是用传统的电磁感应 式的电流互感器( 简称c t ) 。但是随着长距离电力传输的发展，为减小传输损耗，传输电 压的等级在不断地提高。国外已有2 0 0 万伏的输电线路投入使用，国内目前长距离传输的 主干线的电压大多为5 0 万伏，并且已在铺1 0 0 万伏试运行线路。这使得由硅钢片和漆包铜 线组成的电流互感器将在高压绝缘方面遇到了不可逾越的困难。在这种情况下，研制绝缘 性能出色的新型传感器成为了必然趋势。光纤电流互感器以光纤传输信息，具有损耗小、 频带宽、信息容量大、绝缘性能高、不怕雷电、不受电磁干扰等优点。此外，它尺寸小、 重量轻、耐腐蚀而且价格低廉。特别是由石英材料制作的光纤本身就是良好的绝缘体，因 此，电压等级越高，光纤电流互感器便越能显示其无可比拟的优越性。 自上世纪8 0 年代初，出现单模光纤开始，许多科学家都想利用光纤的法拉第效应研制 成功能用于高电压的光纤电流互感器。经过数十年的研究，目前人多采用的是两种互感器 方式：一种是块状玻璃型，另一种是全光纤型。块状玻璃目前已有商品出售，由于这种形 式的互感器有一部分元器件需要放在高压区，所以块状玻璃形式的光纤电流互感器一般只 能适用在5 0 万伏电压以下。全光纤电流互感器由于组成光纤的石英玻璃是非常良好的绝缘 体，在理论上可以用在很高的电压上。但是，全光纤电流互感器在偏振态的变化及稳定性 方面还没有根本解决，所以目前这种形式的电流互感器还没有形成商品。全光纤电流互感 器最为关键的两个器件分别为允4 光纤波片和传感光纤。由于光纤传输线以及干涉光路需 要使用偏振态稳定的线保偏光纤，传感光纤环需要使用圆保偏光纤，而名4 光纤波片是用 来进行线偏振光和圆偏振光变化的元件，它的稳定与否，直接影响了光纤互感器的稳定与 否。圆保偏光纤是用来传感电流产生磁场的关键器件，它的稳定与否也直接影响了光纤电 流互感器的稳定与否。又因为这两个部件所组成的传感光纤环是放在室外的，温度变化范 围比较大，并且光纤环是处在高压区的，不能采取恒温等措施，所以对力4 光纤波片和圆 保偏传感光纤温度稳定性的研究是至关重要的。 本文首先对兄4 光纤波片的温度性能进行了一定的研究，从理论上分析了光纤旯4 波 片的温度特性，讨论了应力双折射的熊描型光纤和几何双折射光纤制成的兄4 波片的相位 延迟随温度变化的改变情况，得出几何双折射光纤制成的五4 波片温度稳定性更好。并对 v 上海大学硕士学位论文 我们自己制作的这两种光纤兄4 波片进行了实际的测量。实验结果显示：用几何双折射光 纤制成的五4 波片比用熊描型光纤制成的五4 波片在- - 4 0 0 c + 6 0 0 c 的温度范围内具 有更好的温度特性，更能有助于提高互感器的稳定性。本文接着对反射式全光纤电流互感 器进行了详细研究。并对我们自己搭建的一款采用旋光器作为固定相位调制器的新型反射 式光纤电流互感器开展了温度稳定性的实验研究，并且针对稳定性较差的温度区间提出了 信号处理单元温度补偿电路的设计，以确保系统工作的稳定性。最后，本文对于传感系统 的信号输出提出了接受单元滤波器的设计。 关键词：光纤电流互感器光纤2 4 波片温度特性 v i 上海大学硕士学位堡奎 _ = _ 。一 a b s t r a c t a si m p o r t a n te q u i p m e n t si ne l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , c u r r e n tt r a n s d u c e r sp l a yap r i m a r y r o l ef o rw o r k i n gw e l la n dc a l c u l a t i n gp r e c i s e l yi np o w e rs u p p l y i n gs y s t e m w i t ht h e d e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , n e wh i g hv o l t a g el e v e le m e r g e sc o n t i n u o u s l y , a n dh i g h a c c u r a c vo fm e a s u r e m e n ta n dp r o t e c t i o na r ed e m a n d e di n c r e a s i n g l y i ti s a l la b s o l u t et r e n d t h a tn o v e lo p t i c a lc u r r e n tt r a n s d u c e r ss u b s t i t u t et h eo l de l e c t r o m a g n e t i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r b a s e do nm o d e r ne l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n do p t i c st e c h n o l o g y , f i b e ro p t i cc u r r e n ts e n s o r s h a v ea l r e a d yb e e na c c e p t e db y e l e c t r i c p o w e re n g i n e e r i n g b e c a u s eo fa t t r a c t i v e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g ha c c u r a c y , h i 曲r e l i a b i l i t ya n dw i d eb a n d w i d t h f i b e ro p t i c a lc u r r e n ts e n s o r sb a s e do nt h ef a r a d a ye f f e c tw e r ee x p e c t e df o ral o n gt i m e 勰c o m p a c ta n dh i g hp e r f o r m a n c e c u r r e n ts e n s o r si np l a c eo fc o n v e n t i o n a lc u r r e n t n t m s f o m l e r s h o w e v e r , w i d e s p r e a dp r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h e mh a sn o tc o m et r u ey e t ， b e c a u s eo fc o m p l e xm e a n sn e c e s s a r yf o rs e c u r i n gs t a b l ec h a r a c t e r i s t i c s i nt h ed e v e l o p m e n t s t a t e dh e r e s u c hp r o b l e m sw e r es o l v e db yu s i n gas p e c i a ls e n s o rf i b e rm a d ef r o mf l i n tg l a s s ， a n db yc o n s t r u c t i n gs e n s i n gs y s t e m sm a t c h i n gw i t hf e a t u r e so ft h ef i b e r t h ed e v e l o p e d s e n s 0 1 8a r ei m m u n et ot h ee f f e c t sf r o mo u t e re n v i r o n m e n ts u c ha st e m p e r a t u r ec h a n g e s a l s ot h e ya l ec o m p a c ta n df l e x i b l e ，a n dc a nb ea t t a c h e de a s i l y a r o u n dt h ec u r r e n t c o n d u c t o r s t h e r ea r et w op a r t si nt h i sp a p e r i np a r to n e ，t h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i co ft h e q u a r t e r - w a v e p l a t ei st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d w i t ht h ec h a n g eo f t h et e m p e r a t u r e ，t h ec h a n g e o fp h a s er e t a r d e ro ft h eq u a r t e r - w a v e p l a t e s m a d eb yp a n d af i b e ra n dg e o m e t r i c a l b i r e 衔n g e n tf i b e ra r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y t h eq u a r t e r - w a v e p l a t e sm a d eb yg e o m e t r i c a l b i r e f r i n g e n tf i b ei sm o r ei n s e n s i t i v e w ea l s om e a s u r e dt h et w ok i n d so fq u a r t e r - w a v e p l a t e s w h i c hm a d eb yo u r s e l v e s t h er e s u l to ft h em e a s u r e m e n ts h o w st h a tb e t w e e n 一4 0 。c a n d + 6 0 。c t h eq u a r t e r - w a v e p l a t em a d eb yg e o m e t r i c a lb i r e f r i n g e n c e f i b e rh a sb e t t e r t 锄p e r 黼c h a r a c t e r i s t i ct h a nt h eq u a r t e r - w a v e p l a t em a d eb yp a n d a f i b e r i np a r tt w o ，t h i s p a p e ri n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fa l l f i b e ro p t i cc u r r e n ts e n s o r ( a f o c s ) ，a n a l y z e da n d c o m p 挪e ds e v e r a lk i n d so fc o m l n o na f o c s t h ee x p e r i m e n ts y s t e mo fo p t i c a lp a t hh a s v i l 圭塑奎兰堕主兰垡笙奎 一 - _ - _ - - _ _ i _ - - - _ - l _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ - - i _ _ - _ _ _ l i _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 一 b e e ne s t a b l i s h e d ，a n dt h ee x p e r i m e n ts t u d ya b o u tt h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i co ft h e s ) ，s t e mh a sb e e nc a r r i e do u t t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tw h e nt h et e m p e r a t u r e i s l o w ( b e t w e e n 一2 0o c a n d0o c ) ，t h eo u t p u to ft h es y s t e mi sa f f e c t e db yt h e t e m p e r a t u r e o b v i o u s l y w h e nt h et e m p e r a t u r ei sa b o v e0o c ，t h es t a b i l i z a t i o no ft h eo u t p u t o ft h e s y s t e mi s b e t t e r t h ed e s i g no ft h ef i l t e ra n dt h ed e s i g no ft h et e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o nc i r c u i ta r ep r e s e n ta tl a s t k e y w o r d s ：f i b e ro p t i c a lc u r r e n ts e n s o r v i n 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：亟墨垫日期：兰坐名， 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：嘞奎导师签 2 b o c 7 i 、舌 上海大学硕士学位论文 第一章综述 所谓传感器就是指利用某种转换功能，将物理的、化学的、生物的等各种 外界信号变换成可以直接测量的信号的器件或装置。如今，科学技术的发展日 新月异，伴随着科技的进步，我们生活的世界正不断由工业化社会向着信息化 社会过渡。人类并不会满足于现有的生活条件和生活方式，将向着更加广阔的 全新领域开拓、前进。新技术、新材料、新能源不断涌现：空间技术、微电子、 海洋资源、生物遗传等等。为了在全新的领域中更快更准确地感知、获取、监 测以及转换信息，就必须开拓传感器的新领域。由于各种新技术和自动化的发 展，对于传感器的需求量与日俱增，所有现代化的仪器和设备几乎都离不开传 感器。在工业生产、机械制造、农业以及科学和基础学科研究中传感器都扮演 重要的角色。因此，对于新型传感器的开发和研究以及提高传感器的性能十分 必要。 1 1 光纤传感器概述 随着密集波分复用( d w d m ) 技术、掺铒光纤放大器( e d f a ) 技术和光 时分复用( o t d r ) 技术的发展和成熟，光纤通信技术正朝着超高速、大容量 通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下， 光纤传感器以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，已迅速 成长为年成交额超过1 0 亿美金，并预计将于2 0 1 0 年拥有超过5 0 亿美金市场的 产业 1 ，2 1 。 当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开 发。那些具有前所未有全新功能的光纤传感器在竞争中占有明显优势，对于光 纤传感技术的应用研究主要有以下四大类：光( 纤) 层析成像技术( o c t ，o p t ) 、 智能材料( s m a r tm a t e r 认l s ) 、光纤陀螺与惯性导航导系统( i f o g ，i m i u ) 和常规工业工程传感器。另外，由于光纤通信市场需求的带动以及传感技术的 特殊要求，新型器件和特种光纤的研究成果也层出不穷。目前，我国的光纤传 感器研究大多数集中于大学院校和科研单位，仍然未完成由实验室向产品化的 上海大学硕士学位论文 过渡。其中，比较成熟的技术包括：清华大学光纤传感中心研制开发的光纤油 罐液位与温度测量系统，已经安装运行数年；北京航空航天大学与总装合作研 制的光纤陀螺系统，目前指标为0 2o h i ；中国计量学院研制的分布式光纤传感 系统，已有产品报道；华中理工大学与广东某公司联合研制的强电压、大电流 传感系统。此外，在广东、深圳等地，还建立了许多光纤无源器件生产厂家。 而光纤传感器中除了个别种类的产品如光纤陀螺之外，其它种类的光纤传感器 仍然处于研发阶段，未能跨越产品化的门槛，所以对于光纤传感器的研究仍然 具有非常广阔的发展空间【3 “】。 光纤传感器的基本工作原理可以描述为：由光源发出的光经过光纤送入调 制区，在被测对象的作用之下，光的强度、波长、相位、偏振状态等光学特性 将发生变化，使它成为了被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器和一些光 电转换装置进行处理，最终获得待测对象的信息。光纤传感器根据工作原理一 般可分为两类：一类是非功能型( 也称传光型) 光纤传感器；另一类是功能型 ( 也称传感型) 光纤传感器。 在非功能型光纤传感器中，光纤仅仅作为传光的媒介，对待测对象的调制 功能是依仗其他物理性质的敏感元件来实现的。入射光和出射光之间插有敏感 元件，如图1 1 所示。 图1 1 非功能型光纤传感器 图中的光纤在传感器中只起到传光的作用，所以采用光纤通信用光纤或者 普通的多模光纤就能够满足要求。为使非功能型光纤传感器尽可能多地传输光 信号，实践中还采用大芯径大数值孔径的多模光纤。 2 上海大学硕士学位论文 功能型光纤传感器是利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和监测功 能这一性质开发而成的传感器。光纤不仅仅起到传光的作用，而且在被测对象 的作用下，比如光强、相位、偏振状态等光学特性将得到调制，如图1 2 所示； 图1 2 功能型光纤传感器 功能型光纤传感器中的光纤是连续不断的，所以在结构上比非功能型光纤 传感器简单，但是为了实现感知被测对象的变化，往往需要特殊截面、特殊用 途的特种光纤。从现有的光纤传感器中，非功能型光纤传感器在数量上占优势； 从高灵敏度方面来看，功能型光纤传感器更具有潜在市场。 光纤传感器除了按工作原理分成两类外，还可以按被测对象和被测信号在 光纤中的调制方式的不同来分类。按被测对象的不同，光纤传感器可分为温度 传感器、流量传感器、速度传感器、位移传感器、压力传感器、磁场传感器、 图像传感器、医用传感器、电压传感器和电流互感器等等。按照信号在光纤中 的调制方式的差异，光纤传感器又可分为强度调制型、相位调制型、偏振调制 型、频率调制型传感器等等。 1 2 光纤电流互感器的介绍 光纤电流互感器是光纤传感器在工业工程领域的一种应用，是电流测量的 一种方法。但是长久以来，在高压领域的光纤电流互感器产品一直缺失。科学 家们都想利用光纤的法拉第效应研制成功能用于高电压的光纤电流互感器。自 上世纪8 0 年代初，出现单模光纤开始，许多文章报道了各种各样光纤电流互感 器的设计思路和实验结构。近来，有许多科学工作者开始研究电子式光纤电流 互感器。由于微电子技术和网络通讯技术的飞速发展推动了以微处理器为基础 上海大学碗学位论文 的数字式继电保护、测控装置的发展，这使得电子式电流互感器在技术上有了 应用的可能性。许多发达国家已经把眼光投向新型电子式电流互感器的研发， 国际电工委员会也发布了电子式电流互感器的标准：i e c 6 0 0 4 4 8 ：2 0 0 2 。 电子式光纤电流互感器的研究主要集中在两种类型：一类是块状玻璃型， 一种是全光纤型。 ( 1 ) 块状玻璃型 块状玻璃型光纤电流互感器属于非功能型的光纤传感器。它通过直接检测 出光波的偏振方向受到磁场即电流的作用后所偏转的角度，并用此角度作为对 应的电流数值。具体做法是用一块磁光玻璃中间开一个洞，通电导体从洞中穿 过，光波在磁光玻璃中绕过一周，其偏振方向受到电流产生磁场的作用下产生 了微小的角度偏转，如图1 3 所示。测出这个偏转的角度，就测到了对应的电 流值。这种类型的互感器已有产品问世。由于法拉第偏转的角度很小，这种方 法测量的精度受到了限制，并且其起偏和检偏均在磁光玻璃旁边，一部分电路 如前置放大器也需放在一起，即均在高压区，所以实际使用电压受到一定的限 制。 光牙 一次导体 高压区 低压区 图1 3 无荫磁光玻璃型电子式电流互感器原理示慝图 ( 2 ) 全光纤型 全光纤型电流互感器大部分属于功能型的光纤传感器。这种结构系统简单 上海大学硕士学位论文 重量轻，形状可变性强，测量灵敏度高且容易调节。全光纤型电流互感器的原 理多种多样，目前都尚处在实验研究阶段，比如： 基于热度效应的温度型光纤电流互感器【5 1 。这是一种利用马赫曾德尔干涉 仪测量的光纤电流互感器，结构如图1 4 所示。以更被涂覆铝金属的单模光纤 待测电流i 直接通过铝的涂覆层，产生热量为瓜，r 为铝层阻抗，测量臂的光 纤在电流的热效应作用下，温度升高长度发生变化，从而使干涉仪的两臂内两 束光的相位不相等，用这种相移即可测电流。该方法受光纤本身长期性能稳定 可靠性以及外界干扰等因素的制约比较严重，这使得研究应用未能得以深入。 a l 包层 图1 4 温度型光纤电流互感器结构图 利用法拉第磁光效应的电流互感器【6 7 】。法拉第磁光效应是指当偏振光通 过处于外磁场中的透明媒质，且光的传播方向与外磁场方向一致时，线偏振光 的偏振面将会发生旋转。其物理推导结论是，线偏振光的旋转角正比于外磁场 沿传播路径的线积分。本文所研究的全光纤电流互感器就是利用了法拉第磁光 效应，具体原理将在之后详细介绍。 利用磁致伸缩效应的光纤电流互感器【4 8 9 】。当将一块具有磁致伸缩特性的 材料置于磁场中，该材料的形状及尺寸将随磁场的变化而变化。磁致伸缩效应 光纤电流互感器一般把光纤固定在磁致伸缩材料上，磁致伸缩材料伸缩将引起 光纤内的应变，利用光纤干涉仪即可检测出光纤内应变的变化，从而间接地测 出被测的电流值。 址l = c h 2( 1 1 ) 式中，缸一磁致伸缩长度；c 物质常数；日一电流产生的磁场强度。 光纤光栅电流互感器【1 0 1 1 1 。这类传感器的基本原理为：当光纤光栅发生轴 上海大学硕士学位论文 向应变式，其布拉格波长将随应变的变化而被调制，布拉格波长和应变之间的 关系为 以= 2 协a 1 一i t l 2 ) 叫日，+ 黝”s 巾+ 吉骞 ( 1 2 ) 式中，占一外加应力；p i j 一光纤的光弹张量系数；l ，一泊松比；口一光纤材料 ( 如石英) 的热膨胀系数；t _ 一温度变化量。如果把磁致伸缩材料和光纤光栅 合理地结合，则可以利用电流产生的磁场对磁致伸缩材料的作用调制光纤光栅， 通过布拉格波长漂移的测量仪确定待测电流。 总而言之，块状玻璃型光纤电流互感器虽然目前已有商品出售，但是由于 这种形式的互感器有一部分元器件需要放在高压区，所以块状玻璃形式的光纤 电流互感器一般只能适用在5 0 万伏电压以下。全光纤型由于组成光纤的石英玻 璃是非常良好的绝缘体，在理论上可以应用在很高的电压上，是发展的一种趋 势。 1 3 光纤电流互感器的优点和研究意义 在工业应用上，长期以来人们通常使用由硅钢片和漆包铜线组成的电磁感 应式电流互感器来测量电流。但是随着长距离电力传输的发展，为减小传输损 耗，传输电压的等级在不断地提高，这使得电磁感应式电流互感器遇到了无法 逾越的困难。例如【1 2 1 3 】： ( 1 ) 绝缘结构复杂、尺寸大、造价高。电磁式传感器采用油纸绝缘和气体 绝缘的方式以及串级绝缘的方法，随着电压的等级提高，绝缘将变得越来越复 杂，造价也将成几何倍数上升。设备也因此变得极为笨重而不易运输和安装。 ( 2 ) 测量准确度无法满足。由于一、二次线圈，一个与高压等电位，一个 在低压侧与二次低压设备相连，这两个线圈依靠铁心相联系。随着电压的提高， 高低压之间的绝缘距离也相应地提高，这时只能依靠增加磁路的办法来加强一、 二线圈之间的联系。因为测量误差与传感器之间的磁路长度成正比，在增长磁 路的同时，测量误差也相应增大。除此之外，传统电磁感应式传感器的二次侧 输出对负荷要求较严格。对于高压及特高压电站来讲，占地面积都较大，因而 6 上海大学硕士学位论文 传输二次侧电信号距离亦较远，要求使用的二次侧电缆的横截面积增大，并且 容易产生干扰。 ( 3 ) 设备安装检修不方便，存在潜在的突然失效危险。例如，突然性爆炸 及绝缘击穿引起相对地短路等系统的不稳性因素；若输出的二次侧负荷开路， 将会产生高压，对配电设备造成危害甚至危及人身安全。此外还具有铁磁共振， 磁滞效应等不利于测量的因素。 对于传统电磁感应式电流互感器在测量中面临的问题，在科技发达的国家 都寻求把光电子学技术用于超高压大电流的电网中【1 4 】。二十世纪六十年代出现 的半导体集成电路技术、激光技术以及七十年代初出现的光纤传输技术，使得 人们最终把目光集中在光学电流互感器( o p t i c a lc u r r e n tt r a n s d u c e r 简称o c t ) ， 尤其是光纤电流互感器( f i b e ro p t i cc u r r e n ts e n s o r s 简称f o c s ) 上。与电磁感应 式电流互感器相比，光纤电流互感器就具有与身俱来的优势。例如： ( 1 ) 绝缘结构简单，尺寸小，造价低。由于光纤传感器所用材料主要是石 英光纤，自身就是绝缘体，所以光纤具有良好的绝缘特性。高低压之间的绝缘 就通过光纤再加上绝缘套来完成，从而使传感器的结构大为简化。光纤传感器 的传感头，重量小于1 公斤。据美国西屋公司公布的磁光式3 4 5 k v 光纤电流互 感器，其高度为2 7 米，总重量为1 0 0 公斤，而同等电压等级的充油式电磁传 感器，高为6 1 米，重达7 7 1 8 公斤。由于基于简单的结构，造价随电压等级的 增加仅仅略有增加。 ( 2 ) 测量准确度高。利用光的磁光效应测量电流，彻底抛弃的电磁式铁心 绕组的结构，没有故障电流下的饱和漏电，测量也无磁滞效应，同时具有高的 抗电磁干扰的能力和灵敏度、准确度。同时，由光来传输信号，不仅抗电磁干 扰能力强，而且低压侧不存在因开路而产生的高压危险，也消除了常规电磁式 传感器因充油而产生易燃易爆等问题。 ( 3 ) 动态测量范围大。正常情况下，电网运行的额定电流并不大，但短路 电流却很大，且随着容量的增加，故障短路电流越来越大。电磁式电流互感器 的电流测量范围有限，同时会影响它的精度。光纤电流互感器额定电流可测到 几千安培，瞬时过电流可测到几十万安培。 7 上海大学硕士学位论文 ( 4 ) 设备安装和检修方便，运行安全，适应电力计量、保护的数字式、微 机化、自动化及光通信等的发展潮流，从而有利于变电站综合自动化水平的提 高。 虽然光纤电流互感器较传统的电磁感应式电流互感器优势明显，但是它仍 然存在着许多需要改进的地方值得我们进一步研究和开发【1 5 】。其中最主要的问 题在于全光纤型电流互感器的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，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定值。 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。全光纤型光纤电流互感器自2 0 世纪7 0 年代被提出以来，近3 0 年的研究始 终围绕着光纤固有双折射的处理问题和温度稳定性问题，至今仍然在不断研究 中。 1 4 光纤电流互感器的国内外发展现状 2 0 世纪8 0 年代，美国、日本、德国、英国、法国、中国等国都纷纷投入 光纤电流互感器研究中并取得了一定的成果 1 6 - 1 8 】。 美国的五大电气公司各自早在1 9 8 2 年左右就成立了光纤电流互感器专题 研究小组，以f a r a d a y 块状结构的磁光式电流互感器为主，选定在超高压电力 系统采用块状结构的方案，并取得了成功，在不久之后实现了1 6 1 k v 的继电保 护挂网运行成功。还有1 6 1 k v 的以继电保护为主的光纤电流互感以及3 4 5 k v 、 2 0 2 0 0 0 a 、o 3 级计量与保护的光纤电流互感器挂网运行成功。t v a 在它所属 的o g l e t h o r p e 电站和w i d w o c r e e k 石化燃烧站之间的电力编组站安装了第一个 以光纤电流互感器为基础的继电保护系统，到报导之日为止，运行的结果是令 人鼓舞的。仅在某一天内，光纤电流互感器系统就正确地响应了由于雷暴雨而 引起的6 个故障。a b b 电力t & d 有限公司公布了用于计量和继电保护用的 3 4 5 k v 电站的光纤电流测量系统，并在运行四个月后，与标准c t 比较，所展 现出来的仅是o 4 的误差。如今，美国a b b 公司生产的o c s 用于5 0 个电站 上海大学硕士学位论文 中，系统电压从7 2 5 1 ( v 到7 6 5 k v ，定额电流范围为6 0 0 a 6 0 0 0 a ，精度满足 i e c l 8 6 、i e c 2 5 50 2 级标准。 日本也早在1 9 8 1 年起组织了五大电气( e g 力) 公司对光纤电流互感器理论、 材料、性能等进行了研究。要求达到j g c 1 2 0 1 1 9 8 5 的l 级、o 5 级及零序保护 级，以组合式为主，独立式为辅，现已基本达到研究目标。1 9 9 6 年，日本日立 公司电力工业系统研究开发小组，使用了块状玻璃o c s ，用于4 0 0 m w 抽水蓄 能电站，额定电流8 0 0 0 a 。1 9 9 7 年，该公司成功地开发出1 1 5 k v 、5 5 0 k v 、2 0 0 0 a 组合式光电传感器和6 9 k v 、7 6 5 k v 、2 0 0 0 a 组合式光电传感器。如今，日本 f u r u k a w ae l e c t r i cc o ，l t d 研制出了用于6 6 k v 传输线谐波分析的o c s 。 欧洲方面，英国利物浦大学电机系也在进行混合式光电电流互感器的研究。 德国著名的传感器公司也在和德国大学联合开发无源式和有源式光电电流互感 器。 我国自上世纪8 0 年代以来，在电子式电流和电压传感器的研究领域也取得 了长足进展 1 9 ，2 0 2 1 1 。清华大学、华中理工大学、南开大学等国内一些著名高等 院校做了大量的理论和实际研究工作。例如：清华大学在廖廷彪、罗承沐等教 授主持下，先后与中国电力科学研究院、沈阳传感器厂等开发出多种电子式电 流和电压传感器，包括全光纤干涉型、块状晶体型、激光驱动的混合型传感器。 沈阳传感器厂研制的电子电流互感器于1 9 8 9 年在四平挂网运行，创造了国内首 次挂网运行的记录；华中科技大学在刘延冰、叶妙元等教授率领下，对各种形 式的电子传感器，包括有源型与无源型，电流型与电压型、干涉型与传光型、 横向调制与纵向调制等都做了深入研究。多台样机在广东新会等地挂网运行。 科研成果通过国家原电力部的鉴定；南开大学在利用m a c h z e h n d e r 干涉原理测 电压和利用布拉格光栅测电流也做了深入研究；燕山大学曾在国内首次提出利 用差分式s a g n a c 干涉原理测高压母线电流，并在原机械工业部基金赞助下完成 了样机的试制。由于差分式s a g n a c 干涉仪对由温度产生的热应力和外界震动产 生的干扰有自动补偿功能，样机具有很高的稳定性。后来又在河北省重点基金 资助下，完成了有源式光纤电流互感器的研制。 尽管取得了一些成果，但是如何消除光纤内存在的线性双折射及其对系统 9 上海大学硕士学位论文 性能的不良影响仍是全光纤电流互感器研究的核心问题【4 】。为此，近些年来众 多学者作了大量的研究工作，提出了多种方案。例如：曾提出的采用扭转光纤 和退火光纤制作电流传感头的方法，研究表明扭转光纤可明显减小由于光纤中 剩余应力以及几何非对称性引起的内在线性双折射，而退火处理可以显著减小 弯曲导致的线性双折射，有人提出将两种方法结合起来，既用扭转过的光纤在 经过退火处理后制作传感头，实验表明灵敏度和稳定性都有提耐2 2 1 。除此之外， 采用低光弹系数的材料来降低光纤内部的光弹效应，也可减小线性双折射，有 人报道过用于8 4 0 m m 波长的燧石玻璃单模光纤的内在双折射和弯曲导致的线 性双折射均可4 , n 忽略不计【2 3 1 。采用新结构的光纤也可以达到减小线性双折射 的目的，有人采用一种带有双包层结构的光纤用于电流互感器，两层包层分别 采用硅和丙烯酸盐材料，该种光纤可降低振动、温度等外界变化因素对光纤的 干扰，从而提高系统的稳定性【2 4 1 。另外，也有报道利用倒易性消除线性双折射 的新的设计方案和新的干涉仪检测【2 5 1 。 1 5 论文的主要研究内容 全光纤电流互感器最为关键的两个器件分别为光纤2 1 4 波片和传感光纤。 由于光纤传输线以及干涉光路需要使用偏振态稳定的线保偏光纤，传感光纤环 需要使用圆保偏光纤，而光纤2 1 4 波片是用来进行线偏振光和圆偏振光变化的 元件，它的稳定与否，直接影响了光纤互感器的稳定与否。圆保偏光纤是用来 传感电流产生磁场的关键器件，它的稳定与否也直接影响了光纤互感器的稳定 与否。又因为这两个部件所组成的光纤传感环是放在室外的，温度变化范围比 较大，并且光纤环是处在高压区的，不能采取恒温等措施，所以对光纤元4 波 片和圆保偏光纤温度稳定性的研究是至关重要的。 本论文是以作者攻读硕士学位期间的工作为基础，在第一章中阐述了课题 研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。第二章阐述了全光纤电流互 感器的基本原理，分析了常见的全光纤电流互感器结构。第三章从理论上分析 了全光纤电流互感器中的重要器件光纤2 4 波片的温度特性，讨论了应力 双折射的熊描型光纤和几何双折射光纤制成的2 4 波片的相位延迟随温度变化 i o 上海大学硕士学位论文 的改变情况，得出几何双折射光纤制成的旯4 波片温度特性更为稳定。并对我 们自己制作的这两种光纤z 4 波片进行了实际的测量。第四章对反射式全光纤 电流互感器进行了详细研究。并对我们自己搭建的一款采用旋光器作为固定相 位偏置器的新型反射式光纤电流互感器开展了温度稳定性的实验研究，并且针 对稳定性较差的温度区间提出了信号处理单元温度补偿电路的设计，以确保系 统工作的稳定性。同时，本文对于传感系统的信号输出提出了接受单元滤波器 的设计。最后第五章对全文作了总结。 上海大学硕士学位论文 2 1 传感基本原理 2 1 1 偏振光 第二章传感原理 光是电磁波的一种，是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形 成的，可见光的波长在4 0 0 n m 到7 0 0 n m 之间。光波是横波，即振动方向与传播 方向垂直的波，具有偏振特性。按照电磁场理论光波有偏振光、非偏振光和部 分偏振光。偏振光是指光波电矢量方向按一定的规律变化，矢量端点在空间具 有规则轨迹的光；非偏振光是指光波的电矢量在空间无规则变化不显示任何方 向特性的光；此外还有一种介于两种偏振状态之间的光，如果用检偏器去检验 这种光，则随着检偏器旋转角度变化，透射光的强度呈现交替变化，但强度最 小的不是零，具有这种性质的光叫做部分偏振光，部分偏振光可以看作是偏振 光和非偏振光的叠加。 假设光沿z 方向传播。由于光是横波所以e z = 0 ，偏振光电矢量的大小， 可用x ，y 轴上两个分量的合成来表利2 6 1 。 e = 乓i + 耳j ( 2 1 ) 其中：乓：e x o c o s ( c o t 一挈z + 九) 岛= 尾。c o s ( c o t 一三三z + 办) ( 2 2 ) 式中，缈一光的角频率；允一光波长；露0 、岛。分别为x 、y 分量的最大振幅； 九、九分别为x 、y 分量的相位。 在一个定态的单一频率的振动中，两个分量也是定态的，且保持一定的相 对关系，因此合成的电矢量的端点将描绘出规则的三维轨迹。按照所描绘出的 三维轨迹在x y 平面投影的形状，可以分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光， 如图2 1 所示。 1 2 上海大学硕士学位论文 。 一 x l 厂。、一 l x l 。 厂、 、 ) 、 x 在式( 2 2 ) 中，当乓尾相位差万= 九- 6 为0 或者万时为线偏振光。 当万= 丸- 6 为万2 或者一万2 且取o = 毋。时为圆偏振光，如果耳比引前 则称之为左旋圆偏振光；比耳引前则称之为右旋圆偏振光。 当万= 九- 6 为任意值并且两个分量振幅不相等时为椭圆偏振光，椭圆偏 两e 拽x e ：, o 妒纷钾答，旺3 ， 式中，万= 九一九；毋、目分别为x 、y 分量的复数振幅。 ff 偏振光 ? 】通过偏振元件，如果其偏振光状态发生变化而成为 】的话， 已v乜7 c c 2 缸乞， 4 ， 1 3 上海大学硕士学位论文 称这个2 2 矩阵p 为该倔振兀件的传输矩阵，也称琼斯矩阵，其兀素仅与 器件有关。 如果要计算入射光通过一组器件之后的出射光的偏振状态，可以在偏振光 变换的计算中用琼斯矩阵表示各个器件。按照入射光通过的顺序，从右向左写 出来。逐次进行器件矩阵的作用而求出的结果，就是出射光矢量由它可以知道 偏振光状态。 褂蝴 乏】 ( 2 5 ) _ 职- 1 职州z 】 ( 2 5 ) 琼斯矩阵表征了器件对偏振光的变换特性。如果矩阵中的元素收到信息量 的调制，则该器件出射偏振光的偏振态相应地受到调制，由此可以检测出信息 的特征。这就是利用偏振光进行检测的基本原理。因此，琼斯矩阵具有按程序 进行计算，容易知道各阶段，即通过各器件后的偏振光状态等优点。 常用器件的琼斯矩阵有【2 8 l ： 水平直线偏振光： j 。 垂直直线偏振光： o 】。 左旋圆偏振光： i 】。 右旋圆偏振光：【_ 】。 旋光器：厶= 鬈：筹】，其中目一偏振光方位角旋转的角度。法拉 第旋转为纠黑鬻】，一法拉第偏转角。如果反向偏转则 纠二器黧， 1 4 上海大学硕士学位论文 方位角为0 的直线位相器：厶= 2 0 一】，其中一快轴和慢轴的相位 p 0p 2 差，取矽= 9 0 。为理想的2 1 4 波片。 p 魄( f ) 0 调制器：厶= oe 魄( r ) ，其中纹( f ) 和哆( f ) 为调制信号。 反射镜：m = 三一0 1 。 2 1 3 法拉第效应 法拉第效应是我们利用光纤测电流的基本原理。1 8 4 5 年，法拉第发现磁场 作用于玻璃时，当一束线偏振光沿磁场方向通过玻璃时，其偏振面发生了旋转。 后来，人们发现许多固体、液体和气体在磁场作用下都会产生类似的现象，并 把这种由于磁场与物质相互作用而导致物质光学特性改变的效应称为法拉第磁 光效应或f a r a d a y 效应。法拉第效应告诉我们线偏光振动平面的偏转角的大小 与磁场强度及光与磁场相互作用的距离成正比【2 9 1 。即 ，一 砟= v oi h d ( 2 6 ) 6 式中，一透明介质的磁光旋转率，也称维尔德( v e r d e t ) 常数；0 一偏振面 旋转的角度：，一通过的路径；日一被测电流在刃处产生的磁场。 安培定律告诉我们电流与该电流产生的磁场的一圈坏路积分之间的关系 卢棚2 ，= m ， ( 2 7 ) f 上海大学硕士学位论文 r 八 彳扎一f 囊耆二 。，i e p 多一 删 il i u 蝴器蝴器l 探测器 l 光源 x 图2 2 法拉第效应传感原理图 式中，m 是导线的根数，是每根导线所通过的电流强度。假设只有一根导线， 对于环绕圈光纤的闭合光路，法拉第效应可表示为 再结合安培定律有 ， 砟= 卢d 2z o n ，h d ( 2 8 ) 0= l 砟2 ， ( 2 9 ) 由此可知，通过光纤的线偏光振动平面的偏转角的大小，与光纤环路的匝 数及通过导线的电流强度成正比。这就是法拉第效应光纤电流互感器的基本工 作原理。利用法拉第效应，如果使光束返回通过介质，就能使旋转角度增加一 詹芝 i 口。 法拉第效应本质为圆偏振光经历该效应后相位发生变化( 超前或滞后) ，使 用琼斯矢量表示一目了然。假设有一束偏振光如图2 2 所示 云= c 警 包 将其分解为两束正交的左旋和右旋圆偏振光【3 0 1 ，分别为巨2 【： 和县。【：】， 则 1 6 上海大学硕士学位论文 一e = a e , + 必。三唧( 卅( 争纠i 】+ 圭e x p ( 烈争纠- 1 i 】( 2 1 1 ) 在经历了法拉第效应后，左旋和右旋圆偏振分量的相位分别变为： 巨= i c x p ( 一) ( 詈一p + o f ) e , 和g 2 三e x p ( ) ( 三一目+ 砟) 岛， 合成后有 否叫啊2 茹二荔】 眨 通过检测偏振光相位的改变就可以测量电流的大小。 设起偏器的输出光强为厶，检偏器相对于传输光纤的方位角为伊，在法拉 第磁光效应的作用下发生偏转，偏转角为砟，检偏器的输出光强为l ，则探测 器的输出信号强度正比于： l2 霹c l s 2 ( 矽一砟) ( 2 1 3 ) 式中，e o