一种新型光纤电流互感器的设计与验证

一种新型光纤电流互感器的设计与验证

0萨格奈克干涉式光纤电流传感原理随着电气工业的快速发展，电网的电压水平和能力不断提高。传统的电磁式电流控制器存在磁饱和、动态范围小、易学、严重的电磁干燥和重量重量等缺点，因此很难继续满足电气系统对电流测量装置的要求。近年来,萨格奈克干涉式光纤电流互感器(sagnacinterferometerfiber-opticcurrenttrans-ducer)因其在高电压和大电流测量领域中的潜力,得到了研究者的广泛关注。它是以法拉第磁光效应为原理,当偏振光沿电流产生的磁场方向通过介质时,磁场将改变偏振光的偏振态,进而影响干涉光强。通过干涉法或其它方法可间接测量出磁场的值,从而实现对电流的间接测量。与传统的电磁式电流互感器相比,光纤电流互感器具备诸多优势:不含铁心,故无磁饱和现象;采用光纤作为传感介质,电绝缘性高,抗电磁干扰能力强,不存在开路危险;体积小,质量小,因此拥有广阔的市场应用前景。然而,目前萨格奈克干涉式光纤电流互感器并未得到广泛的工程应用,其重要原因之一是这种互感器对环境振动的敏感性以及环境中温度扰动产生的温度漂移。由于采用了类似萨格奈克干涉仪的光路结构,当光通过光纤环形腔发生干涉时,环境的振动或晃动将使环形腔具有瞬时角速度,该角速度将引起萨格奈克干涉效应,萨格奈克干涉产生的相位差与法拉第效应产生的相位差耦合在一起无法分离,从而造成电流测量中的误差。环境振动越剧烈,产生的误差越大;另一方面,光纤线圈中的温度扰动将引起附加相移,进而产生电流互感器的偏置误差,除非采用良好的绝热结构或设计,否则该误差无法消除。为了解决该问题,国内外学者和研究人员先后提出和验证了许多针对萨格奈克干涉式光纤电流互感器的改进方案,如采用退火二氧化硅光纤线圈、扭转光纤、椭圆双折射光纤、镜反射式光纤电流互感器、对称型光纤电流互感器等。但是以上这些方案仍存在结构过于复杂、造价昂贵、对材料和工艺要求严苛的缺点。本文提出了一种新型的萨格奈克干涉式光纤电流互感器方案,主要对传感光纤线圈部分的光路结构进行改进:采用双线同向绕法绕制光纤线圈;在线圈的传感光纤中点处耦合一个半波片;将位于传感线圈输入端口的一个1/4波片的耦合角度旋转90°。基于琼斯矩阵的理论推导和实验结果表明,与传统的光纤电流互感器相比,新的萨格奈克干涉式光纤电流互感器消除了对环境振动的敏感性以及环境中温度扰动产生的温度漂移。在较强外界振动下(400Hz,20g,g为重力加速度)能够对100~1000A范围的电流进行稳定测量,电流测量精度达到0.2级;在-50°C~50°C温度变化范围内基本消除了温度漂移。由于仅改变传感光纤线圈结构,新方案保持了相对简单的结构,降低了工艺难度,有效地减少了互感器的制造成本。根据国际电工标准IEC60044-8,该系统的电流测量精度达到0.2级,为高性能的干涉式光纤电流互感器的设计和制造提供了新的思路和方向。1光纤电流的成像检测原始的萨格奈克式光纤电流互感器结构如图1所示。它的光纤组件包括一个光纤耦合器、一个Y型波导、传感光纤线圈以及在线圈输入端口的两个1/4波片。通过导线的电流产生与传感光纤线圈旋向相同的磁场。SLD光源发出的光经过耦合器和Y型波导的起偏部分变为两束线偏振光,随后分别被位于传感光纤线圈输入端口的两个1/4波片转换成圆偏振光(两束光的旋向相同)沿相反方向进入传感光纤线圈,由于法拉第磁光效应的存在,电流产生的磁场使两束圆偏振光的偏振面发生旋转,离开传感光纤线圈后再次经过1/4波片重新转换成线偏振光,最后返回Y型波导的起偏部分发生干涉。使用PIN探测器测量干涉光强的变化,即可间接得到待测电流值。以下使用琼斯矩阵方法详细分析光纤电流互感器的工作原理,及其对环境振动的敏感性和温度漂移的来源。当一束圆偏振光通过存在径向磁场的介质时,法拉第效应将产生一个相位差式中,α为与光的偏振态有关的系数,对左旋圆偏振光α=-1,对右旋圆偏振光α=1;V为介质的Verdet常数;H为磁场强度;z为沿着光传播方向的坐标变量。式中,Ie为待测电流值。选取Y型波导起偏部分的起偏方向作为坐标系的x轴,光的初始传播方向为坐标系的z轴。光源出射的光的琼斯矢量为式中,Ex和Ey分别为琼斯矢量的x轴分量和y轴分量。由于SLD输出低偏振度的光,可以认为|Ex|≈|Ey|,I0≈2|Ex|2,其中,I0为SLD光源出射光的光强.分别对各主要光路器件建立琼斯矩阵如下:1)耦合器的琼斯矩阵2)Y型波导起偏部分的琼斯矩阵式中,系数源于起偏器的消光比ε无法降低到零,即0<ε<1。3)Y型波导相位调制部分的琼斯矩阵式中,ψ(t)为Y型波导在t时刻的调制相位;L1(t)和L2(t)分别为Y型波导相位调制部分的上调制臂和下调制臂的琼斯矩阵。4)1/4波片的琼斯矩阵(波片的快轴与坐标系x轴夹角为π/4)式中,i为虚数单位。5)传感光纤线圈的琼斯矩阵由于因此两束光通过1/4波片后均变为左旋圆偏振光,此时α=1,如图1所示。光束1的传播方向与电流产生的磁场方向相同,β=1;而光束2的传播方向与其相反,β=-1。因此式(8)可表示为:式中,LC1和LC2分别为光纤线圈对应于光束1和光束2的琼斯矩阵。6)经过传感光纤线圈后光束的传播方向与未经过时相反,故需要考虑方向因子则理想条件下,两束光到达探测器的光矢量分别为:式中,τ为两束光通过传感线圈后的时间延迟。两束光发生干涉后,探测器的响应为式中,上标“*”表示物理量的共轭。通过测量干涉光强I,即可得到待测电流Ie。2附加相位差式由于原始的光纤电流互感器采用了类似萨格奈克干涉仪的光路结构,当光通过传感光纤线圈并发生干涉时,环境的振动或晃动将使线圈具有一个瞬时角速度,该角速度将引起萨格奈克干涉效应,产生的附加相位差式中,ω为光波的圆频率;r为光纤线圈半径;c为光速;Ω为线圈角速度的大小。不失一般性,假设角速度方向与磁场方向相反。此时传感光纤线圈的琼斯矩阵变为:因此,考虑振动干扰后,两束光到达探测器的光矢量变为:与此对应,探测器的响应为可见,萨格奈克效应产生的相位差和法拉第效应产生的相位差耦合在一起难以消除。萨格奈克式光纤电流互感器无法分辨其输出变化是由于高压导线中电流本身的变化还是由于外界环境的振动,严重影响了其测量精度,限制了其实际应用。3[z]的一般性质由于光纤线圈中不可避免的存在温度的瞬态变化,当光通过传感光纤线圈进行干涉时,线圈中的温度扰动将改变光纤折射率,从而产生附加相移式中,L为传播长度;为光纤材料(一般为石英)的折射率温度系数;Δθ〔z,t〕为t时刻距离光纤起始端z处的温度分布涨落。考虑两束光分别沿顺时针(CW)和逆时针(CCW)方向通过总长为L的光纤线圈。不失一般性,沿逆时针方向计算坐标z。在时刻t进入光纤线圈输入端口的逆时针光经过坐标z的时刻为因此该逆时针光波经过光路L后的相位延迟为同理,顺时针光波的相位延迟为在积分号内作坐标变换L-z→z,得两者之差即为温度扰动引起的附加相位差此时传感光纤线圈的琼斯矩阵变为:两束光到达探测器的光矢量变为:此时探测器的响应为可见,温度扰动引起的相位差也与包含有效信号的相位差耦合在一起,称为温度漂移。温度漂移在电流互感器中产生大的偏置误差并限制其应用。4传感光纤线圈考虑到萨格奈克效应仅与光波的传播方向及角速度方向有关,与光的偏振态无关;而法拉第效应与光波的传播方向和光的偏振态均相关。本文设计了针对原始萨格奈克式光纤电流互感器的改进结构如图2所示。在传感光纤中部耦合一个半波片;在两个1/4波片中,将其中一个波片的耦合角度转过90°;将传感光纤双线同向绕制在线圈骨架上;保留原始结构的其余部分不变。为了便于对比,原始方案和改进方案的光纤线圈结构如图3所示。转过90°的1/4波片的琼斯矩阵变为半波片的琼斯矩阵为该半波片将传感光纤线圈分为两个部分,每个部分对于光束1和光束2的琼斯矩阵均不同,如图4所示,为简洁起见,只画出传感光纤的一周。计算温度扰动引起的附加相位差时,以光束1的输入端口作为计算距离z的原点;由于采用双线绕法,可以近似认为传感光纤线圈的第1部分和第2部分经历了相同的温度变化。对于光束1,传感光纤线圈的琼斯矩阵变为:对于光束2,传感光纤线圈的琼斯矩阵变为:两束光到达探测器的光矢量变为:此时探测器的响应变为与不考虑振动与温度扰动时的原始萨格奈克式光纤电流传感器的响应一致。可见改进后的光路结构对振动和温度扰动不敏感,达到了消除振动敏感性与温度漂移的目的。5振动环境下的电流测试实验在低频振动实验台上,将改进前的原始萨格奈克式光纤电流互感器和改进后的互感器进行对比实验。振动实验台的频率为1~400Hz,加速度为0~20g(g为重力加速度:g=9.8N/kg),振动方向与传感线圈的敏感轴平行。实验结果如图5所示,图中,f为振动频率;a为振动加速度;IRMS为电流测量值的均方差;η1=a/g。实验结果表明,与原始结构的互感器相比,改进结构的萨格奈克式光纤电流互感器消除了对环境振动的敏感性。在加速度为10g,频率在0~400Hz范围内,原始结构的测量误差在150Hz附近较大;在频率为150Hz,加速度从0增加到20g时,原始结构的测量误差迅速增加;改进结构的测量误差(以均方根衡量)则控制在0.5A范围内。为确定新方案对电流的测量精度,在较强外界振动下(400Hz,20g)使用改进的光纤电流互感器对100~1000A的电流进行测量,实验结果如图6所示,图中,Iin为输入电流值;It为电流测量值;er为相对偏差,实验结果表明,改进结构的萨格奈克式光纤电流互感器在振动环境下进行电流测量的线性度良好,相对偏差在±0.2%以内。根据电流互感器的国际电工标准IEC60044-8,该电流互感器的电流测量精度达到0.2级,见表1,表中,在爱斯佩克SET-Z-021UP型高低温箱内,使用改进前的原始萨格奈克式光纤电流互感器和改进后的互感器进行对比实验。输入电流100A;温度范围-50°C~50°C,在各温度点保温30min后测量电流值。实验结果见图7,图中,θ1为环境温度。实验结果表明,与原始结构的互感器相比,改进结构的萨格奈克式光纤电流互感器的均方根误差控制在0.2A范围内,基本消除了传感光纤线圈中温度扰动引起的温度漂移。6传感光纤线圈结构的改进提出并验证了一种消除振动敏感性的萨格奈克式光纤电流互感器的设计方案,基于原始的光纤电流互感器进行改进,改进后的光纤电流互感器消除了对环境振动的敏感性以及温度漂移,实现了对待测电流的稳定测量。利用琼斯矩阵对改进后的光路结构进行了偏振态分析,使用低频振动实验台和高低温箱对比测试了原始的和改进的光纤电流互感器。理论和实验结果均表明,改进后的互感器的输出与外部环境的振动无关,在较强振动下的电流测量精度达