張英　劉曉輝　張建民　蔚曉明

摘 要： 為了研究新型光纖電流互感器對計量可能造成的誤差，分析了新型光纖電流互感器誤差產(chǎn)生的幾個因素，并針對這幾個因素做了對新型光纖電流互感器的誤差分析。通過對[14]波片以及Verdet常數(shù)溫升實驗，實驗結(jié)果表明新型光纖電流互感器精度非常高，勢必會成為新一代互感器的代替品。本文先從光纖電流互感器的基本原理說起，隨后分析了影響光纖電流互感器性能參數(shù)的幾個誤差因素，并針對其中的一些誤差因素提出了解決措施并做了實驗加以驗證。

關(guān)鍵字： 光纖電流互感器； 法拉第效應(yīng)； 誤差分析； 計量誤差

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0154?02

傳統(tǒng)電流互感器是基于電磁感應(yīng)原理，其性能與新型光纖電流互感器相比相去甚遠(yuǎn)，已經(jīng)逐漸不能滿足業(yè)內(nèi)應(yīng)用要求。傳統(tǒng)電流互感器制造工藝復(fù)雜，有絕緣性不好、動態(tài)范圍狹窄、產(chǎn)生輸出信號跟計算機及保護(hù)設(shè)備接口不匹配、容易形成鐵磁諧振等缺點。然而新型光纖電流互感器卻有著與上述缺點相反的優(yōu)點，其勢必會被大面積應(yīng)用。因此，探討新型光纖電流互感器技術(shù)是很有必要的。

1 新型光纖電流互感器主要原理

光纖電流互感器基于法拉第效應(yīng)的原理，如圖1所示。

圖1 光纖電流互感器原理圖

法拉第磁光效應(yīng)原理是指在外磁場影響下，從光源發(fā)送的單色光在途經(jīng)偏振器后，光在偏振面上發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生出一個旋轉(zhuǎn)角度，旋轉(zhuǎn)的角度與外界磁場強度的大小、光在介質(zhì)中傳播時與磁場產(chǎn)生作用的長度以及材料本身固有的性質(zhì)等有關(guān)。

法拉第磁光效應(yīng)原理可用下述公式來進(jìn)行描述：

[θf=VBL=μ0VHdL=μ0VNI] （1）

式中：[θf]為線偏振光的法拉第旋轉(zhuǎn)角度；[μ0]為磁導(dǎo)率；[V]是費爾德常數(shù)；[H]為光傳播方向上電流產(chǎn)生的磁場強度；[L]為磁光介質(zhì)的光傳播路徑；[N]為環(huán)繞載流體的光纖圈數(shù)，在環(huán)繞導(dǎo)體一周的光閉合路徑時[N=1。]

從光源產(chǎn)生出的單色光在傳播方向上途經(jīng)光起偏器就會變成偏振光，然后令其通過磁光介質(zhì)，再到達(dá)光路檢偏器中，最后進(jìn)入到光電探測儀器中。設(shè)[θf]為法拉第磁光效應(yīng)旋轉(zhuǎn)角，[φ]為起偏器和檢偏器透光軸之間夾角，通過光探測器接收到的光強度為[J]則：

[J=E20cos2（φ-θf）] （2）

式中[E20]為入射光強度。

[θf]變化對[J]產(chǎn)生的最大靈敏度可通過公式（3）求得，令：

[?J?θfθf=0=0] （3）

根據(jù)式（3）可以求得[φ=]±45°。這表明探測器[θf]對應(yīng)的最大靈敏度對應(yīng)檢偏器的方位角為45°。所以式（2）變成：

[J=12E201±sin2θf] （4）

[sin2θf≈2θf]條件是轉(zhuǎn)角[θf]較小時，為求得被測電流的大小可通過探測器測出[J，]根據(jù)式（4）計算出旋轉(zhuǎn)角[θf，]進(jìn)而算出被測電流。

2 光路誤差分析

根據(jù)上述原理針對光纖電流互感器光路產(chǎn)生的誤差做了分析，其主要包括如下：對軸角度誤差、起偏器消光比、線性雙折射誤差、集成光學(xué)相位調(diào)制器誤差、傳感光纖Verdet常數(shù)、[14]波片位相差以及光源噪聲等因素?；ジ衅飨到y(tǒng)中最主要誤差源是[14]波片位相差誤差、線性雙折射誤差及傳感光纖Verdet常數(shù)。

（1） 傳感光纖Verdet常數(shù)誤差

傳感光纖Verdet常數(shù)是光波波長和環(huán)境溫度的函數(shù)，對磁致旋光效應(yīng)起著重要影響作用，其與互感器變比成正比關(guān)系。通過穩(wěn)定光源功率可以比較精確地控制中心波長，那么磁光晶體Verdet常數(shù)對于普通二氧化硅光纖來說，就同溫度成正比例關(guān)系。Verdet常數(shù)和溫度的正比例關(guān)系近似為：

[1V?（?V）（?T）=0.7×10-4] （5）

式中：[V]是傳感光纖Verdet常數(shù)，1 310 nm波長下其值大約為1.10×10-6 rad/A；[T]是環(huán)境溫度。

由式（5）可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度在-40～60 ℃區(qū)間內(nèi)波動時，傳感光纖Verdet常數(shù)會產(chǎn)生變化，這個變化會導(dǎo)致互感器變比漂移0.7%左右，必須消除Verdet常數(shù)變化帶來的影響。

（2） 光纖傳感線性雙折射誤差

從光源發(fā)出的光進(jìn)入偏振器后會因光的雙折射而使光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其會導(dǎo)致產(chǎn)生一個與法拉第磁效應(yīng)偏角無任何差異的誤差信號，這會造成光纖電流互感器測試性能大幅降低，影響其實用化。消除雙折射至關(guān)重要，而引發(fā)光纖中雙折射因素又分為自身固有因素和外界因素，自身固有因素主要由生產(chǎn)工藝中光纖纖芯非圓導(dǎo)致，外界因素則是溫度，形狀和壓力等引起。

上面分析了引發(fā)雙折射的因素，為了消除其帶來的影響，可以通過改變傳感光纖自身固有因素，或者引入大量圓雙折射，而通過降低光纖的非圓率及內(nèi)應(yīng)力則是減小固有雙折射的有效方法。

（3） [14]波片位相差誤差

溫度會影響[14]波片，令其發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致光的偏振態(tài)發(fā)生變化，這會嚴(yán)重影響互感器的精度。下面采取了補償方法消除其影響，所謂的補償方法就是令波片溫度產(chǎn)生的誤差跟Verdet常數(shù)受溫度影響而產(chǎn)生的誤差相反，達(dá)到其二者對互感器變比的影響相互抵消。為了達(dá)到此目的，則必須先確定[14]波片初始位相差。理論分析結(jié)果表明：互感器全溫變比誤差在只有波片受溫度影響時約為0.627%；互感器全溫變比誤差在只有Verdet常數(shù)受溫度影響時約為0.63%；在經(jīng)過波片和Verdet常數(shù)互相補償后，互感器變比相對誤差約為0.117%，這個效果還是非常令人滿意的。

3 實驗測試

通過上述方法基本上可以消除大部分光路誤差影響，下面是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（互感器標(biāo)準(zhǔn)IEC 60044?8）做的實驗。

（1） 溫度上升實驗。先把待測互感器傳感頭部分放置在溫度實驗箱中，然后把溫度試驗箱中溫度調(diào)整為-30～70 ℃范圍內(nèi)令其變化，在溫度變化區(qū)間內(nèi)分別設(shè)置測試點-30 ℃，-15 ℃，0 ℃，15 ℃，30 ℃，50 ℃，在這些測試點上分別保溫60 min。每次在結(jié)束保溫前8 min分別對互感器樣機輸入不同采樣點的直流電（采樣點：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），測得響應(yīng)輸出。針對各個測試溫度點分別求得樣機溫度點變化比。實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 -30～50 ℃互感器變化誤差

（2） 精確度實驗。室溫條件下，對樣機做穩(wěn)態(tài)測量誤差實驗。以月每3天為一個測試點，每次測試時，分別對互感器樣機輸入如下采樣點的直流電（采樣點：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），測得互感器樣機響應(yīng)輸出?；ジ衅髯儽葢{借對應(yīng)輸入輸出通過以最小二乘方法擬合求得。測試結(jié)果如圖3所示，互感器測量精確度在常溫條件下達(dá)到了0.1%。

圖3 互感器室溫變化誤差

4 結(jié) 語

首先對新型光纖互感器的基本原理進(jìn)行了介紹，然后分析了在光的傳播路徑上產(chǎn)生的主要誤差源，以及這些誤差源所產(chǎn)生的影響，進(jìn)而提出了解決這些誤差源的抑制措施。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（電子式電流互感器IEC 60044?8）進(jìn)行了樣機的準(zhǔn)確度實驗。實驗結(jié)論表明：在正常室溫條件下，樣機測量變比準(zhǔn)確度達(dá)到了0.1%，在-30～50 ℃范圍內(nèi)樣機測量變比誤差優(yōu)于0.2%；由此可見，新型光纖電流互感器的優(yōu)點是不言而喻的，其電氣絕緣性好，造價低，占地少，動態(tài)范圍大，不發(fā)生飽和現(xiàn)象等優(yōu)點，勢必會使其應(yīng)用成為必然趨勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 婁鳳偉，鄭繩楦，趙鑫泰.光纖電壓互感器的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].傳感器技術(shù)，2002，21（5）：5?7.

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[3] 廖延彪.偏振光學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[4] 張晞.光纖陀螺閉環(huán)檢測與控制[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2001.

[5] 王政平，李慶波，齊異，等.Verdet常數(shù)色散對光學(xué)電流傳感器靈敏度影響的理論研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2004，25（2）：188?191.

[6] 牛利濤，彭金寧，兀鵬越，等.電流互感器鐵心飽和對繼電保護(hù)的影響和處理方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（24）：191?194.

3 實驗測試

通過上述方法基本上可以消除大部分光路誤差影響，下面是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（互感器標(biāo)準(zhǔn)IEC 60044?8）做的實驗。

（1） 溫度上升實驗。先把待測互感器傳感頭部分放置在溫度實驗箱中，然后把溫度試驗箱中溫度調(diào)整為-30～70 ℃范圍內(nèi)令其變化，在溫度變化區(qū)間內(nèi)分別設(shè)置測試點-30 ℃，-15 ℃，0 ℃，15 ℃，30 ℃，50 ℃，在這些測試點上分別保溫60 min。每次在結(jié)束保溫前8 min分別對互感器樣機輸入不同采樣點的直流電（采樣點：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），測得響應(yīng)輸出。針對各個測試溫度點分別求得樣機溫度點變化比。實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 -30～50 ℃互感器變化誤差

（2） 精確度實驗。室溫條件下，對樣機做穩(wěn)態(tài)測量誤差實驗。以月每3天為一個測試點，每次測試時，分別對互感器樣機輸入如下采樣點的直流電（采樣點：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），測得互感器樣機響應(yīng)輸出。互感器變比憑借對應(yīng)輸入輸出通過以最小二乘方法擬合求得。測試結(jié)果如圖3所示，互感器測量精確度在常溫條件下達(dá)到了0.1%。

圖3 互感器室溫變化誤差

4 結(jié) 語

首先對新型光纖互感器的基本原理進(jìn)行了介紹，然后分析了在光的傳播路徑上產(chǎn)生的主要誤差源，以及這些誤差源所產(chǎn)生的影響，進(jìn)而提出了解決這些誤差源的抑制措施。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（電子式電流互感器IEC 60044?8）進(jìn)行了樣機的準(zhǔn)確度實驗。實驗結(jié)論表明：在正常室溫條件下，樣機測量變比準(zhǔn)確度達(dá)到了0.1%，在-30～50 ℃范圍內(nèi)樣機測量變比誤差優(yōu)于0.2%；由此可見，新型光纖電流互感器的優(yōu)點是不言而喻的，其電氣絕緣性好，造價低，占地少，動態(tài)范圍大，不發(fā)生飽和現(xiàn)象等優(yōu)點，勢必會使其應(yīng)用成為必然趨勢。

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3 實驗測試

通過上述方法基本上可以消除大部分光路誤差影響，下面是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（互感器標(biāo)準(zhǔn)IEC 60044?8）做的實驗。

（1） 溫度上升實驗。先把待測互感器傳感頭部分放置在溫度實驗箱中，然后把溫度試驗箱中溫度調(diào)整為-30～70 ℃范圍內(nèi)令其變化，在溫度變化區(qū)間內(nèi)分別設(shè)置測試點-30 ℃，-15 ℃，0 ℃，15 ℃，30 ℃，50 ℃，在這些測試點上分別保溫60 min。每次在結(jié)束保溫前8 min分別對互感器樣機輸入不同采樣點的直流電（采樣點：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），測得響應(yīng)輸出。針對各個測試溫度點分別求得樣機溫度點變化比。實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 -30～50 ℃互感器變化誤差

（2） 精確度實驗。室溫條件下，對樣機做穩(wěn)態(tài)測量誤差實驗。以月每3天為一個測試點，每次測試時，分別對互感器樣機輸入如下采樣點的直流電（采樣點：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），測得互感器樣機響應(yīng)輸出。互感器變比憑借對應(yīng)輸入輸出通過以最小二乘方法擬合求得。測試結(jié)果如圖3所示，互感器測量精確度在常溫條件下達(dá)到了0.1%。

圖3 互感器室溫變化誤差

4 結(jié) 語

首先對新型光纖互感器的基本原理進(jìn)行了介紹，然后分析了在光的傳播路徑上產(chǎn)生的主要誤差源，以及這些誤差源所產(chǎn)生的影響，進(jìn)而提出了解決這些誤差源的抑制措施。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（電子式電流互感器IEC 60044?8）進(jìn)行了樣機的準(zhǔn)確度實驗。實驗結(jié)論表明：在正常室溫條件下，樣機測量變比準(zhǔn)確度達(dá)到了0.1%，在-30～50 ℃范圍內(nèi)樣機測量變比誤差優(yōu)于0.2%；由此可見，新型光纖電流互感器的優(yōu)點是不言而喻的，其電氣絕緣性好，造價低，占地少，動態(tài)范圍大，不發(fā)生飽和現(xiàn)象等優(yōu)點，勢必會使其應(yīng)用成為必然趨勢。

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