光纤电流传感器传感头的结构与原理.pdf

3 基金项目 西安交通大学自然科学 在职博士 基金资助项目 BSJJ 2001003 收稿日期 2001211206 收修改稿日期 2002207215 光纤电流传感器传感头的结构与原理 3 刘 晔 王 锋 韦兆碧 时德钢 邹建龙 王采堂 西安交通大学电气工程学院 陕西 西安 710049 摘要 光纤电流传感器是以法拉第磁光效应为基础 以光纤为介质的新兴电力计量装置 它通 过测量光波在通过磁光材料时其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测 电流的大小 传感头是光纤电流传感器最为重要和关键的部件 分析了全光纤型和混合型光纤电 流传感器传感头的结构和工作原理 对改进光纤电流传感器的设计 提高光纤电流传感器的性能具 有重要的指导作用 关键词 光纤电流传感器 法拉第磁光效应 传感头 中图分类号 TP212 文献标识码 A 文章编号 1002 1841 2002 11 0003 03 Structure and Principle of Sensing Heads for Optical Current Transducer Liu Ye Wang Feng Wei Zhaobi Shi Degang Zou Jianlong Wang Caitang School of Electrical Engineering Xi an Jiaotong University Xi an 710049 China Abstract Optical current transducer is a new power measurement equipment which is based on Faraday magneto optic effect and uses optical fiber as medium It measures the rotation angle of optical wave polarization plane caused by magnetic field produced by current when the optical wave goes through magneto optic material to calculate the current The sensing head is the most critical component Analyzes roundly the structure and operational principle of all fiber and mixed optical current transducer It plays an instructional role in improving the design of optical current transducer and promoting the performance of optical current transducer Key Words Optical Current Transducer Faraday Magneto optic Effect Sensing Head 1 引言 电力系统中传统的电流测量是通过电磁感应铁芯 式电流互感器 Current Transducer 简称 CT 进行的 CT按用途可分为测量用和保护用两类 为系统的计 量 继电保护 控制和监视单元提供了输入信号 但 是 随着现代电力系统的发展 传统CT因其机理而呈 现出自身不可克服的难题 如 绝缘结构日趋复杂 生 产成本与电压等级呈指数上升 短路电流中的非周期 分量将引起铁芯饱和 充油易爆炸 输出端不能开路 易受电磁干扰等 对电流进行变换和测量的方法很多 一次仪表和 二次仪表之间的电气绝缘和信息传递的可靠性是一个 很重要的考虑前提 相比之下 充分发挥光纤传感技 术的优势 以实现电力系统电流的检测和整个系统的 有效保护的光纤电流传感器 Optical Current Trans2 ducer 简称OCT 可以 满 足 大 部 分 上 述 传 感 要 求 1 3 是最有前途的 光纤介质物理特性可以满足在 高压环境下工作的绝缘要求 OCT不会产生磁饱和 现象 也不像CT那样动态工作范围受铁芯磁饱和效 应的限制 可以用于高电磁噪声的工作环境 也可以 在比较宽的频带内 产生高线性度的响应 可以用于以 监控或测量为目的的高速遥感 遥测系统 一般来说 这些OCT还具有测量装置结构紧凑 体积小 重量轻 价格便宜的特点 这是世界各先进工业国投入极大的 人力和物力积极开发光纤 光学 电流传感技术的根本 原因 2 光纤电流传感器 光纤传感器的基本工作原理为 由光源发出的光 经过光纤送入调制区 传感头 在被测对象的作用下 光的强度 波长 频率 相位 偏振态等光学性质发生了 变化 使它成为被调制了的信号光 再经过光纤送入探 测器和某些电信号处理装置 最终获得待测对象的信 息 所以光纤电流传感器按调制方式可分为强度 波 长 频率 相位 偏振态调制5种 它们利用法拉弟磁光 效应 电流的热效应和电流的微变效应等原理来实现 电流的测量 光纤电流传感器是指基于法拉弟旋光效 应 由围绕载流导线的传感元件 即传感头 光纤连接 通道 光源 探测器及信号解调 信号处理 控制电路构 成的系统 4 如图1所示 传感头是其中最为重要和 关键的部件 根据所采用的传感材料的不同 OCT可 3第11期 传感器技术 1994 2006 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 分为两类 以光纤为敏感元件的OCT 全光纤型 和用 光学玻璃作敏感元件的OCT 混合型 图1 光纤电流传感器 3 全光纤型传感头 图2是常见全光纤型电流传感器传感头的结构 图2 全光纤型电流传感器传感头的结构 图 2 a 是全光纤型传感头的最初形式 其特点是传光 和传感都采用光纤 结构简单 灵敏度可依光纤长度进 行调节 空间分辨率可依光纤匝环的直径调节等 图 2 b 是具有温度补偿的全光纤型电流传感器的传感 头 5 传感头由80圈的旋蝴蝶结光纤匝环构成 蝴蝶 结光纤为双折射光纤 采用压电陶瓷PZT元件以调整 部分旋光纤的线性双折射的办法使输出为线偏振光 图 2 c 的输入光和输出光共用一根光纤 使经过光纤 的顺逆光的偏振态发生方向相反的偏振角 检测顺逆 光的偏振角 即可求出电流的大小 它具有动态范围 大 稳定性好 并且对环境因素不敏感等特点 6 图2 d 是用几何方法分离弯致线性双折射的传感头 7 利用弯致双折射来制成相位延迟器 经过精心设计光 纤探头的结构与形状 将弯致线性双折射集中在四方 形传感元件的4个角 而中间臂则保持平直的几何形 状 以求尽量减少弯致双折射的影响 每个转角都被 精心地绕成半径为10 mm的环状 每个环状部分由3 匝光纤组成 在这样的光纤环中 弯致双折射引起的 输入线偏振光的两正交分量间的位相差为2 由于4 个角中线性双折射产生的位相延迟恰为2 的整数 倍 而光纤探头的4个臂围绕待测电流形成闭合环路 它们不受线性双折射的影响 故在输出信号中只有法 拉弟偏转 图 2 e 为了克服弯曲造成的感应双折射 将光纤绕在一个特制的框梁上 使其缠绕平面A B每 半圈交替改变90 相当于快 慢轴交替变化 某半圈的 双折射与另一个半圈的双折射相抵消 使总的双折射 极小或接近于抵消 8 图 f 是利用高圆双折射的全 光纤型OCT传感头 9 其特点是引入了圆双折射 因 为磁光效应可以理解为 进入光纤的线偏振光为左旋 圆偏振光和右旋圆偏振光合成的结果 由于两者传播 速度不同 因而 光矢量沿X轴的线偏光沿Z轴 光 轴 传播一段距离后 出射光波为与X轴成 角的线 偏光 因此可以认为法拉弟磁光效应是由磁场引起的 圆双折射 如果采用某种方法使得光纤中总的圆双折 射远远大于线性双折射 则传感器的输出就会不依赖 于线性双折射 4 混合型传感头 在全光纤型OCT解决线性双折射问题的同时 用 光学玻璃做探头的混合型OCT也得到了深入的研究 与开发 这类OCT采用具有较高费尔德 Verdet 常 数的整块光学玻璃做探头 因而具有体积小 重量轻 结实耐用等特点 由于经过退火处理的光学玻璃其内 在双折射极小 故这类传感器几乎不存在线性双折射 导致的偏振态退化问题 然而 由于光束要在探头内 形成围绕载流导体的闭合光路 在此过程中不可避免 地要采用全反射 这又引起 由全反射导致的位相差 的问题 因为根据电磁学理论 当一束线偏振光以大 于临界角的入射角入射 在反射线偏振光的两个互相 正交的分量之间 会产生一个附加位相差 这一改变 会产生类似线性双折射影响全光纤电流传感器的效 应 因此 如何减小由反射导致的位相差 已成为这种 类型OCT设计中必须解决的关键问题 针对这一问 题 目前至少已提出了3种方法 1 双正交反射法 或 互补双反射法 2 临界角反射法 3 多层反射膜保 偏法 图3就是混合型OCT传感头的常见结构 图 3 a 是采用方形光学玻璃探头的OCT传感头 结构 是由Takahachi等人在1983年首先提出并设计 4 仪表技术与传感器2002年 1994 2006 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图3 混合型电流传感器传感头的结构 的 10 在他们的设计方案中 将构成封闭光路所需的 每一次全反射设计成两次正交的全反射 使第一次全 反射所产生的位相差在第二次全反射中抵消 补偿 从而实现了相差全反射 即双正交反射法 这一传感 头由4个敏感臂 及在3个拐角处的双正交反射 形成 一个围绕电流母线的闭合光路 以此作为基础 许多 学者利用屋脊棱镜 使光传播方向改变180 并间隔一 定距离沿原路返回输入端 成为反向双环路 甚至更多 环路 结构 它利用了法拉弟效应的非互易性 有利于 提高测量的灵敏度 同时又可消除光路中的干扰 但 缺点是结构太过复杂 难于加工 而且光束在传感头中 仍然是近似闭合的 由于处于两次全反射之间的那一 小段光束仍是严重椭偏的 因而当导体位置倾斜而产 生一个水平的磁场分量时 将产生测量误差 图 3 b 的三角形光学玻璃传感头采用了临界角全反射法 为 三角形单圈光路 11 根据电磁理论 当一束线偏光以 临界角反射时 其偏振态可以保持不变 依据这一原 理 宁雅农等人又设计出了圆环形多圈光路 图3 c 及开口夹钳式等多种结构的传感头 2 图 3 d 采用 了多层反射膜保偏法 在光学玻璃的各个反射面上镀 上特制的多层反射薄膜 并使入射角介于布儒斯特角 与临界全反射角之间 则在该反射面上产生的反射是 保偏的 12 但对膜层材料 厚度及镀膜工艺要求极 高 并且一种镀膜结构只对应特定波长的光源 事实上 最简单的OCT传感头应是一条形的法拉 弟玻璃块 这种传感头实际上测量的是电流所建立的 磁场而不是电流本身 因而要受到导体位置 材料热膨 胀系数 外界杂散磁场等诸多因素的影响 5 三相光学电流互感器 三相光学电流互感器是为了满足现代电力系统计 量和继电保护的需要而创立和研究的 在电力系统的 电流保护中 电磁式电流互感器共有4种接线方式 三 相星形 两相不完全星形 两相电流差和两相三继电器 接线方式 三相星形接线方式的保护对各种故障 如 三相 两相 单相接地保护 都能满足要求 起到保护作 用 而且具有相同的灵敏度 同时也适用于中性点直 接接地系统的线路电流保护及变压器的电流保护 两 相不完全星形接线方式对各种相间短路都是能够满足 要求的 也适用于变压器中性点不接地或经消弧线圈 接地的系统中用于线路的电流保护装置中 但当不含 电流互感器的相发生接地故障时 将起不到保护作用 两相电流差接线方式的主要特点是能够反映各种相间 短路 但灵敏度不一样 可靠性差 两相三继电器接线 方式能够反映各种相间短路且灵敏度相同 缺点是不 能反映不含电流互感器的相接地故障时的电流 所以 不能用在中性点直接接地的系统中 分析这些接线方式的特点可以知道 1 为实现电 流保护 至少需要检测电力系统三相电流中的两相电 流 就是说 如果仅检测一相电流 则测量结果对电流 保护而言毫无意义 2 同时检测电力系统三相电流 是最为可靠的电流保护接线方式 因此 文献 13 16 提出了三相光学电流互感器 Three phase Optical Current Transducer 简称TOCT 的结构 图4 并详细 研究了与三相光学电流互感器有关的问题 三相光学 电流互感器是利用一路输入光和一套检测系统 以电 力系统三相电流 包括不对称三相电流 作为测量对象 的光纤电流传感器 图4 三相光学电流互感器的结构 6 结论 光纤电流传感器的市场前景是显而易见的 为了 寻求一种安全 可靠 理论完善 性能优越的光纤电流 传感器以实现电力系统高压大电流的测量 20多年 来 国内外的诸多科学工作者进行了艰苦卓绝的努力 取得了丰硕的研究成果 之所以有各种形式光纤电流 传感器的传感头 就是为了克服光纤电流传感器的一 个重大缺陷 线性双折射问题 上述的各种传感头 在克服线性双折射效应的不利影响方面取得了有针对 下转第9页 5第11期 传感器技术 1994 2006 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 构的化学扩散障 用厚16 m的化合物Y012Tb0124Zr0156 O2 y做成的致密Tb YSZ薄膜 8 与碱金属掺杂的 钙钛矿稀土元素氧化物不同 该化合物中的元素在高 温下不会形成稳定的碳酸盐 据对该导电体系的研究 在适当的Tb与Y掺杂下期望获得良好的电子导电性 和氧离子迁移率 采用这种扩散障的器件在氧浓度为 012 415 的范围内呈线性响应 用玻璃罩减小边 缘损失可将线性响应扩大到810 以上 综上所述 这种材料化学稳定性好 做成的器件适合于作宽响应 范围 低耗油型内燃机的氧传感器 3 掺杂剂对材料性能的影响 氧化锆需与稳定剂形成稳定的立方固溶体 同时 由不等价交换产生大量的氧离子空位实现导电 因此 稳定掺杂剂很重要 曾研究过的稳定剂有MgO CeO CaO Sm2O3 Yb2O3 Y2O3 Sc2O3等 它们的阳离子半 径与Zr4 接近 与ZrO2各相都形成置换型固溶体 后 5种的电导率依次增强 7 但是 Sc2O3稳定ZrO2虽 有很好的离子导电性 但在低于600 时 稳定萤石相 变成三方Sc2Zr2I17相 这会造成电解质内部应力集中 而断裂 CeO2稳定的ZrO2有较高的韧性和较低的低 温时效劣化倾向 这是它的优点 但它的硬度偏低 强 度也低于Y TZP 四方氧化锆多晶体 此外Ce TZP具有较大的晶体长大倾向 耐磨性欠佳 Y2O3稳 定的ZrO2不仅具有较强的导电性 而且立方ZrO2相 存在的范围很宽 因而国内外通常采用Y2O3稳定 ZrO2 4 由表1可见 掺杂剂的离子半径直接决定着 固溶体的物相结构及机械强度 表1 部分掺杂元素与Zr元素的比较 元素原子半径离子半径与Zr4 半径之差 Zr21160184 4 0 Y21271102 3 0118 Sc21090175 3 0109 Ce21701114 3 013 Tb21511118 3 0134 4 结束语 综上所述 选择适当的掺杂元素与比例 不仅有望 进一步提高基体材料 ZrO 2 的性能 而且对改进器件 的设计工艺有很大帮助 氧传感器的结构形式也正朝 着小型化 微型化 集成化 全固态化方向前进 随着 汽车工业的发展及人类环保意识的不断增强 对