磁光電流互感器設計原理與應用

尹士玉 張瑞琦 陳默 孫國棟 邱松 鄧雅琦 陳昌鑫 北方工業(yè)大學機械與材料工程學院

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，電力系統(tǒng)扮演著越來越重要的角色。高電壓、大功率、強電流的電力系統(tǒng)越來越多，對該系統(tǒng)的常規(guī)測量技術為利用電磁感應原理制作的電流傳感器。該電流傳感器存在體積大、質(zhì)量重、制作成本高、安全性差、測量誤差大等缺點。隨著基于法拉第電磁感應效應為原理的光纖電流傳感器的問世，傳統(tǒng)電流傳感器存在的問題將被逐一解決。光纖電流傳感器具有無鐵芯、體積小、重量輕、絕緣結構簡單可靠、線性度好等優(yōu)點。本文將對光纖電流傳感器中的磁光光纖電流傳感器的原理與制作進行討論，并對光纖電流傳感器的應用進行介紹。

1 磁光電流互感器工作原理與設計圖

光電式電流傳感器分為無源型和有源型兩大類，分別以法拉第磁光效應和電磁感應為原理。以下是兩種電流傳感器的設計制作介紹。

1.1 無源型磁光電流互感器

無源型磁光電流互感器是以法拉第磁光效應為原理工作的，電流通過磁光電流傳感器，電流的大小使電流互感器的線偏振光的旋轉(zhuǎn)角度隨之改變，偏轉(zhuǎn)角度作為一個信號經(jīng)過變送器的處理，可以在二次輸出端輸出二次電流信號，此信號與一次電流成正比。（參考圖1）

無源型傳感器是指傳感頭是不需要供電電源的電子式電流傳感器。光的振動方向和光波的前進方向固定于某一方向時，叫做線偏振光。線偏振光在穿過介質(zhì)的過程中，受到外磁場的作用，光的振動面會轉(zhuǎn)過一定角度，可以通過一定公式計算出偏轉(zhuǎn)角，由此得出導體的電流強度，從而得到電流的信息。

圖1

所以無源型MOCT由磁光材料敏感器件連接光學轉(zhuǎn)換器件，然后連接變送器，最后由變送器輸出的二次電流顯示在屏幕上。無源型電流互感器為純光結構，一次傳感器為磁光玻璃，光彈系數(shù)小，均勻性好，在光源的光譜范圍內(nèi)具有良好的透明性，具有很高的Verdet常數(shù)，受溫度影響小，具有各向同性。磁光玻璃的應用使其安裝、運行和檢修更加方便。MOCT通過光纖傳輸信號，使得數(shù)據(jù)傳輸抗電磁干擾性好，傳輸更加安全、準確和迅速。

1.2 磁光玻璃光纖電流傳感器

圖2

設計如圖2，光源發(fā)出的光經(jīng)過起偏器，產(chǎn)生偏振光，經(jīng)保偏光纖耦合到磁光玻璃光纖，經(jīng)過通電電流產(chǎn)生的磁場的作用后輸出，經(jīng)過渥拉斯頓棱鏡，經(jīng)過計算可以得到通過導線的電流。

此類功能型光纖傳感器利用光纖本身對外界被測對象具有的敏感能力和檢測功能，光纖在傳導過程中對被測對象的偏振態(tài)等光學特性進行調(diào)劑，使得調(diào)劑后的信號攜帶了被測的信息。（見圖3）

圖3

并且此傳感器采用法拉第旋光玻璃拉成的光纖作為傳感器探頭，經(jīng)過退火處理，很好的解決了線性雙折射問題，避免了因線性雙折射導致的偏振態(tài)退化。用保偏光纖傳導，能夠測量大電流，測試的靈敏度較高，而且絕緣性好，體積小，重量輕，可以更好的滿足各個電力系統(tǒng)的需要。此傳感器可以在無磁場時通過零點定標校正光纖耦合帶來的光強損失和偏振態(tài)的變化。而系統(tǒng)的靈敏度，也在磁光玻璃的使用下，通過其本身Verdet常數(shù)較大的特性以及增加光在磁場中傳輸?shù)挠行чL度的方式，有效的得到了提高和改善。

2 光纖電流傳感器的應用

光纖電流傳感器可用于電力系統(tǒng)中電流的測量，而且與電機制造廠、測量儀器儀表廠結合，還可研制開發(fā)線路事故點的標定裝置及事故區(qū)間的判定裝置等一系列電力系統(tǒng)的測量、檢測裝置。

2.1 在電力系統(tǒng)中，對測量大電流的應用

光纖電流傳感器可用于對電力系統(tǒng)中，高電壓、大電流的測量。利用光纖電流傳感器進行測量，可解決傳統(tǒng)電流傳感器含油，可能發(fā)生爆炸的情況；光纖電流傳感器可以與高壓線路完全隔離，滿足絕緣要求，做到安全可靠；可解決傳統(tǒng)電流傳感器不能測量直流的問題，不含交流線圈，不存在輸出線圈開路的危險。但光纖電流傳感器也存在線性雙折射效應，該現(xiàn)象影響了光纖電流傳感器的實際應用。通過改善光纖材料本身的雙折射特性、設計傳感頭的結構、利用光學玻璃制作傳感頭可有效減輕光纖電流傳感器的雙折射效應。

2.2 在煤礦井下電流測量的應用。

煤礦井下，供電線路長、電磁環(huán)境干擾強、負載工作情況較復雜，測量電流的技術要求高。采用磁光電流傳感器進行測量，以光纖作為信號傳輸介質(zhì)。其不受電磁輻射的影響，適用于各種電磁噪聲環(huán)境。磁光電流傳感器系統(tǒng)采用以MCS-51單片機為核心的智能化傳感器，多臺傳感器可以與上位IBM-PC機組成一個控制系統(tǒng)。每臺傳感器的軟件部分由自檢程序、初始化程序、采樣及A/D轉(zhuǎn)換程序、動態(tài)排序比較程序、復合數(shù)字濾波程序、函數(shù)擬合算法程序等組成。傳感器系統(tǒng)存在光探頭誤差、放大器誤差、A/D轉(zhuǎn)換器誤差和函數(shù)擬合誤差，通過各種措施，可將每個誤差控制在可接受范圍內(nèi)。

2.3 在變電站中的應用

全光纖電流互感器具有測量精度高、動態(tài)范圍寬、抗環(huán)境電磁干擾能力強、敏感環(huán)安裝方式簡單靈活等特點。在工作過程中，光源發(fā)出的光被分成兩束沿光纜傳播，經(jīng)反射鏡的反射，并發(fā)生互換，最終回到光電探測器出并發(fā)生相干疊加，通上電流后，在通電導體周圍的磁場作用下，兩束光波出現(xiàn)相位差，探測器處的光強發(fā)生變化，通過測量光強的大小，來得出對應電流的大小。全光纖電流互感器的閉環(huán)控制技術擴大了準確度下的動態(tài)范圍，共光路和差動信號解調(diào)方式提高了抗干擾能力，全光纖結構提高了系統(tǒng)的可靠性。與傳統(tǒng)電流互感器相比，具有很大的優(yōu)勢。

隨著科技的發(fā)展，光電電流傳感器的應用前景更加廣泛。利用光纖電流互感器可實現(xiàn)與光纖通信技術的結合，使傳感系統(tǒng)陣列話和網(wǎng)絡化。還可將光纖傳感技術與現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術相結合，以實現(xiàn)光纖電流傳感器的智能化。除現(xiàn)在應用最為廣泛的利用光纖電流傳感器測量電流外，還可根據(jù)其特性研究其對其它物理參量的測量，實現(xiàn)光纖電流傳感器應用的多功能化。

3 結束語

光纖電流傳感器與傳統(tǒng)電流傳感器相比，優(yōu)勢明顯，安全性能更加可靠，在未來可全面替代傳統(tǒng)電流傳感器。但光纖電流傳感器還存在一些問題，如雙折射效應、靈敏度隨溫度和偏振方位的變化而變化等。這些問題會限制光纖電流傳感器的大面積普及，因此，解決上述問題，將其控制在一定的范圍內(nèi)，是仍需進一步研究的地方。

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