全光纤电流传感器原理及应用

全光纤电流传感器原理及应用

光纤电流传感器的基本原理智能电网是指利用传感器、嵌入式处理、数值通信和it技术将电网信息集成到电网的过程和系统中，使电网能够观察。智能电网中，电网所有元件的状态都能够检测、控制、自适应和自愈，使电力系统更加清洁、高效、安全、可靠。电流传感器是智能电网中最重要的仪器之一，其功能相当于智能电网的“眼睛”。随着电力系统中电网电压等级的不断提高、容量不断增大以及智能电网的信息化、数字化、自动化、互动化的要求，传统的电磁式电流传感器已经逐渐暴露出严重缺陷。近年来，光纤技术的迅速发展为制作新型的电流传感器提供了新的思路、方法和原理。利用磁光玻璃拉制成磁光玻璃光纤制作新型的全光纤电流传感器，它是以法拉第（Frarday）原理为基础，可在一定程度上克服传统电流传感器的缺点。光学电流传感器与传统的电磁电流互感器相比具有显著的优点而受到越来越广泛的关注。表1对于两种电流传感器的性能进行了比较。可以看出，光纤电流传感器适用于智能电网，尤其适用于特高压电网，符合电力系统发展智能电网、特高压等级电网的战略要求。因此，随着光纤电流传感器技术的日益成熟，技术法规及相关标准的建立，光纤电流传感器必将逐步取代传统的电磁式电流传感器而成为电网监测的最主要手段之一。根据光学电流传感器（opticalcurrentsensors,OCS）所依据的传感机理和所用的传感材料，可分为以下四类：（1）以光纤为敏感元件的OCS(全光纤电流传感器)；（2）用光学玻璃作敏感元件的OCS（光学玻璃电流传感器）；（3）使用光电混合装置的OCS（混合式光纤电流传感器）；（4）其他类型，包括利用磁致伸缩效应或其它磁场传感磁效应的OCS。其中，块状光学材料OCS中线性双折射较全光纤型OCS小，其技术难点是克服反射相移带来的问题以及Verdet常数变化对输出的影响；混合式OCS结合了传统电流传感器和光纤的优势，但是没有解决传统电流互感器所存在的根本问题；磁场传感器用作OCS的缺点是抗外场干扰能力低。全光纤电流传感器(All-fiberopticcurrentsensor,AFOCS)存在由于光纤中线性双折射而产生的一系列问题以及Verdet常数变化对输出的影响。本文主要介绍全光纤电流传感器的基本原理及其存在的问题和解决方法。光纤旋转角测试全光纤电流传感器中，既用光纤来传导光信号，也将它作为磁光材料。将传感光纤缠绕在被测导线的周围，利用光纤的偏振特性，通过测量光纤中的法拉第效应旋转角间接的测量电流。在传感头中，光束环绕载流导体，光路形成闭合环路，传输光在经过N匝光纤环后，旋转角为：式中V是材料的Verdet常数；N是光纤绕载流导体的圈数；I是穿过光纤环的电流强度。导体中的电流直接调制光的偏转。因此，测出通过磁场的光的偏振面的旋转角，就可以计算出电流强度。理想的光纤电流传感器应满足以下条件：（1）传感材料的Verdet常数应较大且温度影响小；（2）材料的线性双折射要小；（3）光束环绕载流导体成闭合或近似闭合光路，环路越多灵敏度越高；（4）光束在闭合环路中线偏振态保持不变，光损耗小。两束线偏振光法拉第旋转角的测量一般常用测量偏振角度变化的方法是使用Wollaston棱镜。偏振调制型探测装置如图1。从传感头返回的线偏振光经沃拉斯顿棱镜后分解成光矢量互相垂直的两束线偏振光，通过测量这两束线偏振光的相对强度，获得法拉第旋转角。经过信号处理系统，系统输出为：其中I1和I2分别是两束线偏振光的强度。当将Wollaston棱镜的偏振方向与起偏器的偏振方向之间预先置入一个45°的偏置角时，上式成为：当法拉第效应偏转角比较小时，输出信号正比于输出线偏振光的法拉第偏转角。如果传感元件中存在线性双折射d，则检测系统输出信号成为：因此，光纤中线性双折射对于输出有影响。如何消除线性双折射及其影响，已经成为研制开发的核心问题。1.两个互相垂直的偏振光单模光纤可以传输两个相互垂直的模式，这两个正交线偏振模的传播常数相等，，即两个模式简并。但在实际单模光纤中，这两个正交偏振的模式经常不简并，。这时输入光波的一个线偏振光在光纤中会分解为两个互相垂直的偏振光。它们的场形式及传播常数均与理想的模式不同，这样造成了两个互相垂直的模式之间的耦合。表现为在两个正交偏振的模式由于传播速度不同，其总的偏振将沿着光纤长度方向不断变化，即光纤的双折射。对于理想的单模光纤来说，它是各向同性的均匀介质，因此任意输入光的偏振状态可以始终不变的传输下去。但是，光纤的结构并不可能是完全理想的，并且还会受外部扰动的影响，两个正交偏振模在传输过程中具有不同的相速，产生相移，因此所有普通的单模光纤都具有双折射现象。2.应力双折射和外在双折射光纤的线性双折射分为内在线性双折射和外在线性双折射。其中内在线性双折射是由于制备光纤过程中引入的光纤不完备性引起的：在来这光纤过程中各种原因使纤芯由圆变成椭圆产生的波导形状双折射以及光纤内部应力引起应力双折射；外在双折射则由光纤的弯曲、微弯和外部非对称的横向压力等因素引起。光纤在受到如弯曲、扭曲、振动、挤压等机械力作用时，会产生弹光效应，引起应力双折射。另外，光纤在外磁场的作用下，会产生法拉第磁光效应，引起圆双折射。在外电场的作用下会产生克尔光电效应，引起线性双折射。3.入射光偏振态的影响因素由于光纤中的双折射，光纤中传输的光的偏振态不仅受温度、应变、扭曲的影响，而且还受入射光偏振面的改变影响，因此不能分辨偏振态的变化是由于磁场的改变引起的还是外界扰动引起的。3.1等效内测语点的测量灵敏度不同线性双折射使线偏振光的两个正交光振动分量之间产生了相位差，使输出光变成了椭圆偏振光。而椭圆偏振光旋转角的测量灵敏度比线偏振光要小，这相当于使系统的等效Verdet常数变小。在最坏的情况下是，当两个正交分量间的相位差为90°时，输出光就会变成圆偏振光，这时的测量灵敏度就下降为零了。3.2光偏振态的影响光纤中的线性双折射效应使传感信号与干扰信号混叠在了一起。线性双折射效应与光纤形变、光纤内部应力、光源光波长、环境温度、弯曲、扭转、振动等许多因素有关，因此光的偏振态的变化不但与被测电磁场有关，还与外界干扰有关。导致系统输出与法拉第旋转角之间是复杂的非线性关系。4.解决双折射问题的措施光纤中固有的线性双折射问题是全光纤电流传感器实用化的障碍。因此，解决双折射问题是提高全光纤电流传感器性能和实现实用化的关键。目前采用了以下几个方法来解决全光纤电流传感器双折射问题：4.1光纤内部不对称应力的消除技术采用低双折射光纤来制作电流传感器。可以通过以下措施来制造低双折射光纤。（1）改进光纤的制造工艺，以降低它的非圆率（2）选择热膨胀系数相等的芯料和皮料，以减少光纤内部的不对称应力。（3）光纤作退火处理，在绕制光纤时会引入很大的应力双折射，在绕制完成传感光纤圈后，将它加热到800℃，然后慢慢冷却，这样可以消除光纤弯曲引起的双折射。（4）引入大量圆双折射来抑制线性双折射，沿着光纤轴向扭转已经制好的光纤或者采用旋制单模光纤，将普通单模光纤预制棒或高双折射单模光纤预制棒在拉制成光纤的过程中沿着光纤轴旋转，从而引入大量的圆双折射。（5）特殊绕制光纤圈，在绕制光纤圈时通过改变光纤的缠绕方向，可以使光纤中的固有双折射在一定程度上得到抵消。4.2sagac干涉仪全光纤电流传感器系统的基本原理由于法拉第效应具有非互易性，而光纤中的线性双折射具有互易性，通过设计光路，可以消除双折射的影响，采用Sagnac干涉仪实现全光纤电流传感器的方案。当两束反向传播光在Sagnac中传输时，互易性效应如双折射、应变效应对信号的影响可抵消而非互易的法拉第效应加倍。这意味着要达到与偏振型电流传感器相应的信噪比，只要传感光纤长度的一半，有利于减少光纤中线性双折射。两束光纤偏振传播角度的测量Sagnac干涉型光学电流传感器是利用交变电流产生磁场，对光纤中两束传输方向相反的圆偏振光作用，使其电场方向发生旋转，等效于时间上相移，并通过对相移的检测而检出电流。Sagnac式全光纤电流传感器结构原理如图2所示。光源发出的光经过Y波导起偏部分起偏为线偏光，后分成两路注入到保偏光纤中的同一个模态中，分别被λ/4波片1、λ/4波片2转换成圆偏振光（两束光旋向相同）沿相反方向进入传感光纤，由于法拉第磁光效应的存在，其两束圆偏振光的光速发生变化，然后再次经过另一λ/4波片重新转换成线偏振光返回Y波导起偏部分发生干涉。穿过线圈骨架的导线中无电流传导时，两束光波在传感光纤中以圆偏振态传播时光速一致，均为V0，此时两束光波在Y波导起偏部分处干涉时无相位差；当导体中有电流流过时，根据安培环路定理可知，在通电导体附近产生了感生磁场。而法拉第磁光效应的一种表现形式是沿磁场方向传播的圆偏振光的光速发生变化，变成V1>V0或V2<V0（有V1-V0=V0-V2），圆偏振光光速变成V1还是V1与圆偏振光的旋向（左右）以及光传播方向（与磁场方向相同与否）有关。两束光波在传感光纤内传播方向相反，因此，以同旋向的圆偏振态传播时一束光速为V1，另一束光速为V2，因为V1>V2，所以两束光波在Y波导起偏部分处干涉时存在相位差。由法拉第磁光效应产生的相位差为：其中，V为Verdet常数，H为磁场强度，L为传感光纤长度。由安培环路定理知，通电导线附近磁场可近似为：因而法拉第相位差与电流大小成正比，为其中，N表示线圈匝数，I表示待测电流值。两束光波先后经过了相同的光路，但传播方向相反，因此干涉光强只与非互易性相位差有关。通过测量某一时刻的干涉光强，求出相位差，进而可得到该时刻相应的电流大小。干涉的两束光偏振面旋转的角度大小相等方向相反，其相位差为法拉第相移的两倍。因此采用相同圈数传感光纤时的灵敏度为偏振旋转方案的两倍。另外由于采用了相位调制器，只需检测输出光的相位差就可以获得待测电流，因此功率波动对系统的影响比偏振旋转方案小，即系统稳定性优于偏振旋转方案。全光纤电流传感器在60年代国外就开始了光纤电流传感器的研究工作。美国、日本以及西欧的一些国家的研究机构和电气公司都在此领域做了大量的工作。ABB公司、PHOTONICS公司、NxtPhase公司等的光纤电流传感器产品比较成熟。美国五大电气公司各自在1982年左右成立了光纤电流传感器专题研究小组，在1986-1988年实现了161kV独立式电流传感器1987年的161kV继电保护为主的光纤电流传感器以及1989年5月至1992年的345kV20～2000A0.3级计量与保护的光纤电流传感器挂网运行成功。1994年ABB公司推出的有源式光纤电流传感器其电压等级为72.5-765kV，额定电流为600～6000A。3M公司在1996年开发出用于138kV电压等级的全光纤电流测量模块，也可用于500kV电压等级。PHOTONICS公司推出一种用于光供能的光纤电流传感器，称之为混合式光纤电流传感器，并于1995年至1997年间在美国、瑞典、芬兰等国超高压电网上试运行。NxtPhase公司研制的230kV和138kV两个等级的全光纤电流传感器，在正常计量范围准确度达到0.2级，目前已通过各种工业性试验，已进入商业生产阶段。光纤电流传感器技术属于军用技术（光纤陀螺导航、精确打击技术）民用，该技术西方发达国家对我国严格禁运。因此他们不对外零售仅以承担大型工程的形式与其它电力设备捆绑销售，价格极其昂贵。目前在我国国内市场上，现有几家单位主要技术方案大多沿用国外NxtPhase公司的反射式结构，存在以下几个方面的问题：（1）无自主知识产权（国外已申请多项专利）。（2）由于国外没有超高压、特高压电网，所研制的光纤电流传感器均未进行超高压、特高压测试；（3）此方案采用的是开环控制，测量范围小，精度低，因此应用领域受限；（4）其使用的关键器件直波导工艺不成熟、成品率低、价格昂贵，无法实现批量生产。我国光纤电流传感器的研究始于七十年代，大部分仅限于实验室探索阶段，离工程化还有段距离。清华大学与沈阳互感器厂合作开发研制的光纤电流传感器于1989年在四平挂网运行，创造了国内首次挂网运行的记录。华中理工大学研究的块状结构传感器于1993年在广东新会供电局大泽变电站挂网运行，于1994年通过原电力部鉴定，对外公布技术指标为110kV,100～300A，精度等级为0.3级。燕山大学光电子技术研究所研制了额