肖智宏 ,程 嵩 ,張國慶 ,郭志忠 ,閆培麗 ,于文斌
(1.哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程及自動化學院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院,北京 100052;3.哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)
隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,傳輸線路的電壓等級不斷提高,傳統(tǒng)的電磁式電流互感器已經(jīng)不能滿足要求[1-5],發(fā)展新型電流互感器迫在眉睫。全光纖電流互感器[6-9]FOCT(Fiber Optic Current Transformer)是基于Sagnac干涉法的一種新型電流互感器,其將光作為一種載體,將被測電流的信息通過傳感光纖感應(yīng)到光信號中,再通過信號處理解調(diào)出來,這種方法克服了傳統(tǒng)電磁式互感器的種種弊端,具有動態(tài)范圍寬、絕緣性能好、測量精度高等優(yōu)點[10-14]。
雖然FOCT具有上述優(yōu)點,但是其小電流測量精度較差。這主要是由于傳感光纖的Verdet常數(shù)較小,所以FOCT靈敏度較低,傳感信號低于檢測系統(tǒng)分辨的下限。為了增強FOCT對小電流分辨的能力,通常做法是提高信號處理系統(tǒng)分辨小信號的能力和提高FOCT的靈敏度。文獻[15]提出了傳感光纖匝數(shù)和數(shù)字量輸出位數(shù)是影響FOCT小電流測量精度的原因,并通過改進信號處理電路和增多光纖匝數(shù)來提高小電流測量精度,但是未對傳感環(huán)匝數(shù)對FOCT靈敏度特性的影響進行深入研究。文獻[16]指出了傳感環(huán)匝數(shù)越多,F(xiàn)OCT測量精度越高,但可能會使法拉第偏轉(zhuǎn)角超過2π,從而降低動態(tài)范圍,然而實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),隨著傳感環(huán)匝數(shù)的增多,往往法拉第偏轉(zhuǎn)角尚未達到2π時,F(xiàn)OCT的測量精度就開始下降。目前通過改進信號處理方式和算法來提高FOCT測量小電流的精度已有廣泛研究,但尚無針對FOCT靈敏度特性的研究。
本文建立了FOCT靈敏度特性數(shù)學模型,該模型揭示了單位長度線性雙折射、傳感環(huán)半徑和光纖纏繞匝數(shù)是影響FOCT靈敏度的3個重要因素。通過該模型進一步推導,表明FOCT傳感光纖最優(yōu)長度只與單位長度線性雙折射有關(guān),而與傳感環(huán)半徑和光纖纏繞匝數(shù)無關(guān)。通過仿真分析單位長度線性雙折射、傳感環(huán)半徑和光纖纏繞匝數(shù)對FOCT靈敏度的影響,可知傳感光纖在最優(yōu)長度情況下,光纖纏繞最優(yōu)匝數(shù)與傳感環(huán)半徑和線性雙折射密切相關(guān),且超過最優(yōu)匝數(shù)時FOCT靈敏度下降,而線性雙折射越低、傳感環(huán)半徑越小,則FOCT靈敏度越高,測量小電流精度越高。最后通過實驗驗證了仿真分析和所提結(jié)論的正確性,對工程實踐具有重要指導意義。
FOCT[17-20]是一種對稱互易結(jié)構(gòu)的光纖互感器,其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。FOCT能夠有效地降低環(huán)境溫度、振動等外界影響,提高測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量結(jié)果的準確度。
圖1 反射式Sagnac FOCT原理圖Fig.1 Schematic diagram of in-line Sagnac FOCT
由SLD光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器后,通過光纖偏振器起偏,形成線偏振光。線偏振光再以45°平均注入保偏光纖的x軸和y軸傳輸。線偏振光通過保偏光纖傳輸?shù)较辔徽{(diào)制器進行初始相位調(diào)制后,再傳輸?shù)溅?4波片。當這2束正交模式的線偏振光通過λ/4波片后,x軸和y軸的線偏振光就分別轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光,進入傳感光纖。由于傳輸電流產(chǎn)生磁場的法拉第效應(yīng),這2束圓偏振光以不同的速度傳輸,產(chǎn)生相位差。2束圓偏振光由反射鏡反射后,它們的偏振模式互換(即左旋光變?yōu)橛倚?,右旋光變?yōu)樽笮猓┎⒌?次穿過傳感光纖,同時和電流產(chǎn)生的磁場再次發(fā)生相互作用,使產(chǎn)生的相位差加倍。然后λ/4波片再把含有法拉第效應(yīng)的2束圓偏振光轉(zhuǎn)變回模式互換了的正交線偏光(原來的x軸線偏振光轉(zhuǎn)換到y(tǒng)軸,y軸線偏振光轉(zhuǎn)換到x軸)。通過相位調(diào)制器進行二次相位調(diào)制后,傳輸?shù)狡衿魇?束模式正交的線偏振光干涉。最后干涉光傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器進行信號采集,并轉(zhuǎn)換為電信號進行處理。
理想 FOCT 的信號輸出為[21]:
其中,φf為法拉第旋轉(zhuǎn)角;N為傳感光纖纏繞的匝數(shù);V為Verdet常數(shù);I為被測導線電流值。
由式(1)可以看出,在理想情況下,傳感光纖纏繞的匝數(shù)N越多,F(xiàn)OCT的靈敏度越高,檢測小電流的能力越強。然而在實際應(yīng)用中,由于傳感光纖中存在線性雙折射,傳感光纖纏繞的匝數(shù)N超過一定值后,F(xiàn)OCT的靈敏度會隨著纏繞匝數(shù)的增多而下降。
由于傳感光纖主要采用單模光纖,而單模光纖中存在固有線性雙折射和由于溫度、外力等外部原因引起的雙折射。固有線性雙折射主要是由于光線中殘余內(nèi)應(yīng)力或者纖芯不圓等原因引起的,不會隨著外界的影響而改變。而溫度變化導致的線性雙折射實質(zhì)上也是應(yīng)力雙折射的一種,會隨著外界溫度的波動而改變[22]。因此傳感光纖中線性雙折射引起的總相位差為:
其中,δ為傳感光纖中所有線性雙折射導致的總相位差;δc為固有線性雙折射導致的相位差;δs為溫度變化導致的線性雙折射相位差。
考慮光纖中線性雙折射作用的影響遠大于磁光效應(yīng),即有 δ?φf時,式(1)變換為:
目前傳感光纖纏繞多采用石英骨架螺旋纏繞和柔性纏繞等技術(shù),有效降低了內(nèi)應(yīng)力,且不易隨溫度變化或時間推移而改變,具有較好的一致性。因此傳感光纖中線性雙折射可表示為:
其中,L為傳感光纖總長度,L=2πrN;δ0為單位長度傳感光纖含有的線性雙折射。將式(4)代入式(3)可得:
其中,K為FOCT靈敏度。
由式(5)可以看出,當采用同一種型號的傳感光纖繞制成半徑相同的傳感環(huán)時,為了提高FOCT的靈敏度,則有:
定義最優(yōu)長度L0為采用最短傳感光纖繞制成半徑相同的傳感環(huán)而使FOCT的靈敏度最高,則有:
由式(8)可以看出,傳感光纖的最優(yōu)長度只與δ0有關(guān)。對于δ0相同的傳感光纖,即使纏繞成半徑不同的傳感環(huán),其最優(yōu)長度L0也相同。結(jié)合式(5)可以看出,當傳感光纖長度為最優(yōu)長度時,傳感環(huán)半徑r越小,F(xiàn)OCT的靈敏度越高,測量小電流精度越高。
定義最優(yōu)纏繞匝數(shù)N0為采用長度為L0的傳感光纖繞制成半徑為r的傳感環(huán)所纏繞的匝數(shù),由L=2πrN 和式(8)得:
由式(9)可以看出最優(yōu)匝數(shù)N0與δ0和r成反比,δ0和r越小,則最優(yōu)匝數(shù)N0越大。
需要指出,這里所定義的N0為整數(shù)。由于式(9)的計算結(jié)果不一定為整數(shù),因此需要四舍五入取整。
通常為了使檢測系統(tǒng)能夠準確分辨小電流的傳感信號,應(yīng)使:
其中,umin為檢測系統(tǒng)能分辨的最小傳感信號值。
結(jié)合式(6)推導出FOCT能準確分辨?zhèn)鞲须娏鞯南孪逓椋?/p>
其中,Imin為FOCT能夠準確測量的最小電流值。
由式(11)可以看出,F(xiàn)OCT靈敏度K越高,則Imin越小,F(xiàn)OCT的小電流測量能力越強。
將δ0不同的傳感光纖都纏繞成匝數(shù)為28匝、半徑為0.1 m的傳感環(huán)。此時傳感光纖長度都相同且為非最優(yōu)長度,則由式(6)得到傳感光纖長度相同的情況下,不同的δ0對FOCT靈敏度的影響曲線如圖2所示。
圖2 線性雙折射對FOCT靈敏度影響的仿真曲線Fig.2 Simulative curves of FOCT sensitivity vs.linear-birefringence
同時針對δ0不同的傳感光纖,根據(jù)式(8)分別取其對應(yīng)的最優(yōu)長度L0,并纏繞成半徑為0.1m的傳感環(huán)。由式(6)得到傳感光纖為最優(yōu)長度的情況下,不同的δ0對FOCT靈敏度的影響曲線如圖2所示。
由圖2可以看出,當傳感光纖長度為非最優(yōu)長度時,隨著δ0的增大,F(xiàn)OCT靈敏度振蕩衰減。結(jié)合式(8)可以得出,隨著δ0的增大,其對應(yīng)的最優(yōu)長度L0減小,F(xiàn)OCT靈敏度也相應(yīng)下降。當δ0相同且傳感光纖長度為最優(yōu)長度時,F(xiàn)OCT靈敏度最高。
通常FOCT采用低線性雙折射光纖作為傳感材料,因此分別取 δ0為 0.09 rad/m 和 0.04 rad/m、r為0.1m。 由式(8)可知,δ0=0.09 rad/m 時,最優(yōu)匝數(shù) N0=28;δ0=0.04 rad/m 時,最優(yōu)匝數(shù) N0=62。結(jié)合式(6)可以得到光纖纏繞匝數(shù)對FOCT靈敏度的影響曲線如圖3所示。
圖3 光纖纏繞匝數(shù)對FOCT靈敏度影響的仿真曲線Fig.3 Simulative curves of FOCT sensitivity vs.fiber turns
圖3中,“☆”對應(yīng)N0=28時的FOCT靈敏度,點C為N0=62時的FOCT靈敏度。由圖3可以看出,當光纖纏繞匝數(shù)低于最優(yōu)匝數(shù)N0時,隨著光纖纏繞匝數(shù)的增多,在一定范圍內(nèi)FOCT靈敏度與匝數(shù)近似成正比,即FOCT靈敏度隨光纖纏繞匝數(shù)的增多而增高;當光纖纏繞匝數(shù)為最優(yōu)匝數(shù)N0時,F(xiàn)OCT靈敏度最高,且δ0越小、N0越大,其線性增長段區(qū)域越寬;當光纖纏繞匝數(shù)超過最優(yōu)匝數(shù)N0時,F(xiàn)OCT靈敏度反而下降,分辨小電流能力降低。
圖3中點A對應(yīng)能夠準確分辨互感器標準要求最小電流值所需纏繞的最低匝數(shù),即當纏繞匝數(shù)低于該值時,F(xiàn)OCT不能夠分辨出標準要求的最小電流值,則由式(6)和式(11)可知:
通常FOCT采用線性雙折射值很低的傳感光纖,因此最優(yōu)匝數(shù)N0可能會遠大于Nmin。過多的光纖纏繞匝數(shù)雖然能夠大幅提高靈敏度,但是隨著纏繞匝數(shù)的增多,其靈敏度增長率減小,傳感光纖利用率反而降低了,靈敏度曲線進入飽和區(qū)域。同時考慮FOCT靈敏度和光纖利用率,因此選取有效匝數(shù)Ne作為光纖纏繞匝數(shù)較為合理。
定義有效匝數(shù)Ne為靈敏度增長效率與靈敏度乘積最高的匝數(shù),即圖3中點B對應(yīng)的匝數(shù),則有:
其中,K′為靈敏度的導數(shù),表征靈敏度的增長率。
由算例可知,δ0=0.04 rad/m的傳感光纖,其最優(yōu)匝數(shù)N0=62,其有效匝數(shù)Ne=31。
針對半徑不同的傳感環(huán),都取光纖纏繞匝數(shù)為28、δ0為0.05 rad/m,此時傳感光纖長度依據(jù)不同傳感環(huán)半徑而變化且為非最優(yōu)長度,則由式(6)可得到傳感環(huán)半徑對FOCT靈敏度的影響曲線如圖4所示。
圖4 傳感環(huán)半徑對FOCT靈敏度影響仿真曲線Fig.4 Simulative curves of FOCT sensitivity vs.coil radius
同樣取 δ0為 0.05 rad/m,根據(jù)式(8)取其對應(yīng)最優(yōu)長度為31.42 m,纏繞成半徑不同的傳感環(huán),則由式(6)得到傳感環(huán)半徑對FOCT靈敏度的影響曲線如圖4所示。
由圖4可以看出,當傳感光纖長度為非最優(yōu)長度時,隨著傳感環(huán)半徑的增大,F(xiàn)OCT靈敏度振蕩衰減,對小電流的分辨能力下降。結(jié)合式(9)可以得出,隨著傳感環(huán)半徑增大,其對應(yīng)的最優(yōu)匝數(shù)N0減小,F(xiàn)OCT靈敏度也相應(yīng)下降。當傳感環(huán)半徑相同且傳感光纖長度為最優(yōu)長度L0時,F(xiàn)OCT靈敏度最高。
將同一型號的長17.6 m、δ0為 0.05 rad/m 的傳感光纖分別繞制成傳感環(huán)半徑為0.09 m、匝數(shù)為30匝的A型FOCT,傳感環(huán)半徑為0.1 m、匝數(shù)為28匝的B型FOCT,傳感環(huán)半徑為0.11 m、匝數(shù)為26匝的C型FOCT以及傳感環(huán)半徑為0.12 m、匝數(shù)為24匝的D型FOCT。分別對A型、B型、C型和D型FOCT施加600 A額定電流,測得:A型FOCT的靈敏度為6.1×10-3,比差為0.020%;B型 FOCT的靈敏度為5.7×10-3,比差為0.016%;C型 FOCT的靈敏度為5.3×10-3,比差為0.022%;D型FOCT的靈敏度為5.0×10-3,比差為0.008%。然后分別施加1%、2%、3%、4%、5%、20%、40%、60%、80%、100%、120%的額定電流,測得A型、B型、C型和D型FOCT的比差曲線如圖5所示,圖中p為施加電流與額定電流的百分比。
圖5 傳感環(huán)半徑對FOCT準確度的影響Fig.5 Influence of coil radius on accuracy of FOCT
由圖5可以看出,當測量5%~120%的額定電流時,A型、B型、C型和D型FOCT的精度相似,說明靈敏度差異在測量較大電流時影響不大;當測量1%~4%的額定電流時,A型、B型、C型和 D型FOCT的精度逐漸降低,說明靈敏度差異對小電流測量精度有很大的影響。由相同長度的傳感光纖纏繞的傳感環(huán)半徑越小,F(xiàn)OCT的靈敏度越高,比差越小,測量小電流的精度越高。
本文建立了FOCT靈敏度特性數(shù)學模型,該模型揭示了單位長度線性雙折射、傳感環(huán)半徑和光纖纏繞匝數(shù)是影響FOCT靈敏度的3個重要因素,通過該模型仿真和實驗得到以下結(jié)論。
a.傳感光纖的最優(yōu)長度只與單位長度線性雙折射有關(guān),而與傳感環(huán)半徑和光纖纏繞匝數(shù)無關(guān)。即當用同型號傳感光纖繞制成不同半徑的傳感環(huán)時,其傳感光纖最優(yōu)長度是相同的,且傳感光纖為最優(yōu)長度時,F(xiàn)OCT靈敏度也最高。
b.光纖纏繞匝數(shù)越多,F(xiàn)OCT靈敏度不一定越高,F(xiàn)OCT靈敏度隨著纏繞匝數(shù)增多呈正弦振蕩。當光纖纏繞匝數(shù)低于最優(yōu)匝數(shù)時,靈敏度隨著匝數(shù)增多而增大;當光纖纏繞匝數(shù)為最優(yōu)匝數(shù)時,F(xiàn)OCT靈敏度最高;當光纖纏繞匝數(shù)多于最優(yōu)匝數(shù)時,隨著纏繞匝數(shù)的增多,F(xiàn)OCT靈敏度反而下降。
c.采用有效匝數(shù)不但能夠滿足FOCT靈敏度的要求,還能夠有效地兼顧經(jīng)濟性和利用率,是較為合理的選擇。
d.采用最優(yōu)長度傳感光纖繞制成不同半徑的傳感環(huán),F(xiàn)OCT靈敏度隨傳感環(huán)半徑的增大而降低,相應(yīng)測量小電流的精度也降低。同樣采用不同單位長度線性雙折射光纖,F(xiàn)OCT靈敏度隨著單位長度線性雙折射的增大而降低。
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