光纖大電流傳感器研究

龐碧波 劉永智 歐中華等

摘 要:以法拉第磁光效應(yīng)為原理的光纖電流傳感器因其無(wú)爆炸,抗電磁干擾,絕緣性好,價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),將成為傳統(tǒng)電流互感器的替代品。在此設(shè)計(jì)一種光纖大電流傳感器,介紹該器件的工作原理、傳感頭的結(jié)構(gòu)、光路的設(shè)計(jì)、調(diào)整、兩偏振片夾角的選取。搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光纖電流傳感器在3 kV工作電壓下可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)32 kA連續(xù)或脈沖電流的測(cè)量,并有0~32 kA的動(dòng)態(tài)范圍,而且重復(fù)性和線性度良好,響應(yīng)時(shí)間小于10 μs。

關(guān)鍵詞:光纖傳感器;動(dòng)態(tài)范圍;法拉第效應(yīng);脈沖電流

中圖分類(lèi)號(hào):TM452.94

0 引 言

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展, 電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加,運(yùn)行電壓等級(jí)越來(lái)越高,不得不面對(duì)棘手的強(qiáng)大電流的測(cè)量問(wèn)題。一次儀表和二次儀表之間的電絕緣和信息傳遞的可靠性要求可能使傳統(tǒng)的測(cè)量手段無(wú)用武之地。而在高電壓、大電流和強(qiáng)功率的電力系統(tǒng)中,測(cè)量電流的常規(guī)技術(shù)所采用的以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的電流傳感器(簡(jiǎn)稱為CT),暴露出一系列嚴(yán)重的缺點(diǎn):由爆炸引起的災(zāi)難性事故的潛在危險(xiǎn);大故障電流導(dǎo)致鐵芯磁飽和;鐵芯共振效應(yīng);滯后效應(yīng);輸出端開(kāi)路導(dǎo)致高壓;體積大、重量大、價(jià)格昂貴;精度無(wú)法做得很高;易受電磁干擾影響。傳統(tǒng)CT已難以滿足新┮淮電力系統(tǒng)在線檢測(cè)、 高精度故障診斷、電力數(shù)字網(wǎng)等發(fā)展的需要將光纖傳感技術(shù)引入到電流檢測(cè)中的光纖電流傳感器(簡(jiǎn)稱 OCS)成為解決上述難題的最好方法。

自從1973年, A J Rogers首先提出光學(xué)電流傳感的想法以來(lái),光纖傳感技術(shù)已發(fā)展了20多年。與普通電磁互感器相比,在高強(qiáng)電流測(cè)量應(yīng)用中光纖電流傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)[5]:光纖電流傳感器沒(méi)有磁飽和現(xiàn)象,也不像通常的電磁互感器的動(dòng)態(tài)工作范圍受磁飽和效應(yīng)的限制;光纖電流傳感器抵抗高電磁干擾,對(duì)環(huán)境的要求低;光纖電流傳感器可以在較寬的頻帶內(nèi),產(chǎn)生高線性度響應(yīng);光纖電流傳感器體積比較小,安裝使用比較方便等。

總之,光纖電流傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn),尤其是它的絕緣性能好,體積小,成本低,并且頻帶寬,響應(yīng)時(shí)間短,可同時(shí)用于測(cè)量直流、交流及脈沖大電流,因此可望成為高壓下測(cè)量大電流的理想傳感器。

1 傳感器原理及光路設(shè)計(jì)

光纖電流傳感器利用磁光材料的法拉第效應(yīng),在光學(xué)各向同性的透明介質(zhì)中,外加磁場(chǎng)[WTHX]H[WTBZ]可以使在介質(zhì)中沿磁場(chǎng)方向傳播的平面偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)[5[CD*2]7],偏轉(zhuǎn)角度通過(guò)檢偏器可確定。其原理如圖1所示,獴為兩偏振器夾角,θ為平面光通過(guò)磁光晶體后發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角。

其旋轉(zhuǎn)角Е扔牘獯播的磁光材料上的磁場(chǎng)中強(qiáng)度[WTHX]H[WTBX]和磁光材料的長(zhǎng)度L成正比:當(dāng)[WTHX]Η[WTBX]一定時(shí),旋轉(zhuǎn)的角度θ為:

式中:v為玽erdet常數(shù);[WTHX]Η[WTBX]為磁場(chǎng)強(qiáng)度;L為磁光玻璃長(zhǎng)度。通電長(zhǎng)直導(dǎo)線磁場(chǎng)公式:

再由式(4)可得:當(dāng)P=P0時(shí),I┆玬ax=2π玶B/vL,只要角B越大,所能測(cè)的最大電流值也越大,所以在實(shí)驗(yàn)中常用增大角B的辦法來(lái)增大其測(cè)量范圍。但在實(shí)際中,角B的增大到一定值后會(huì)使光路的調(diào)焦變得更困難,并使小信號(hào)更難測(cè)量,在以往實(shí)驗(yàn)中一般取B=45°或相差不大的值。г詬檬笛櫓醒∮2 mW的激光器作調(diào)整光源,在第一次調(diào)焦時(shí)把磁光晶體的出射光投到1 m外的地方以便消除可能出現(xiàn)的雙折射,并用光學(xué)膠密封各接合面,使光路調(diào)整更容易操作,因此角獴選擇了80°。上式中,夾角獴在傳感器完工后是定值,因此只要測(cè)得P,P0值就可得到電流值。

在光路設(shè)計(jì)中,采用圖2所示結(jié)構(gòu)。暗灰色的箭頭線表示光線在傳感器中的傳輸路徑:光源發(fā)出的光經(jīng)帶自聚焦透鏡的光纖進(jìn)入傳感器,通過(guò)蒸鍍反射膜的直角棱鏡的反射改變?yōu)榫€偏振光進(jìn)入磁光晶體,偏振面受磁場(chǎng)調(diào)制的線偏振光經(jīng)過(guò)檢偏器和對(duì)應(yīng)的直角棱鏡后通過(guò)另一帶自聚焦透鏡的光纖進(jìn)入光電探測(cè)器。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由式(4)可知,獲得P0,P即可得到被測(cè)電流值I。系統(tǒng)構(gòu)框圖如圖3所示。

其中,激光器采用恒流驅(qū)動(dòng),提供32 mA 恒定電流。通過(guò)出光功率自動(dòng)控制電路,實(shí)現(xiàn)光功率反饋,將探測(cè)到的光電信號(hào)與激光器的驅(qū)動(dòng)電流比較,以達(dá)到及時(shí)調(diào)整激光器工作光功率抖動(dòng)的目的。

光檢測(cè)及放大部分電路實(shí)現(xiàn)了光/電轉(zhuǎn)換,并且對(duì)電信號(hào)放、濾波,以及分離直流信號(hào)和交流信號(hào)。原理框圖如圖4所示。

[JP2]信號(hào)采集處理部分實(shí)現(xiàn)對(duì)直流信號(hào)和交流信號(hào)分別采集,進(jìn)行處理。記錄下未通電流時(shí)的直流信號(hào)U0,作為基準(zhǔn)值,UХ直鷂帶有電流直流、交流信息的檢測(cè)值,經(jīng)過(guò)運(yùn)算分別出被測(cè)電流獻(xiàn) 的直流分量和交流分量。[JP]

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

[JP2]在實(shí)驗(yàn)的傳感頭內(nèi)孔徑獶1=2 cm,外環(huán)直徑獶2=5 cm,底座(即圖2中的plinth)厚度玥=1.1 cm;準(zhǔn)直┢魘仟用能通過(guò)635 nm紅光的光纖和聚焦透鏡制成;磁┕餼И體厚度玠=2 cm;verdet常數(shù)玽=-1.17×10-3﹔ad/A;光源輸出功率為1 mW;實(shí)驗(yàn)中分別用連續(xù)電流和脈沖電流對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)時(shí)把器件一端接在光源輸出端,另一個(gè)接在輸入端,并把通電導(dǎo)線從缺口橫穿過(guò)去就可開(kāi)始測(cè)試。

3.1 用連續(xù)交流電測(cè)實(shí)驗(yàn)

在用連續(xù)交流電測(cè)實(shí)驗(yàn)中通過(guò)讀取光纖電流傳感器輸出的電壓與用標(biāo)準(zhǔn)器件測(cè)得的電流進(jìn)行比較,并把所得的電壓值等效為光纖電流傳感器的電流值。在實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)器件使用的是電流互感器。表1是在某測(cè)試機(jī)構(gòu)中測(cè)得的數(shù)據(jù)。

第一組第二組第三組

電流 /kA電壓 /V電流 /kA電壓 /V電流 /kA電壓 /V

將表1中的電流值作為橫坐標(biāo),電壓值作為縱坐標(biāo)繪制成曲線,如圖5所示。可以看出,電壓與電流是近似成正比的。

從圖5 的數(shù)據(jù)可看到在100~3 000 A范圍內(nèi),系統(tǒng)具有良好的線性度。

3.2 用脈沖電流測(cè)實(shí)驗(yàn)

由于一般測(cè)試機(jī)構(gòu)中很少測(cè)試上萬(wàn)安的交流電,┩6和圖7是在某測(cè)試院中用脈沖電流實(shí)驗(yàn)時(shí)在示波器上顯示的波形圖,上面曲線是通過(guò)光纖電流傳感器得到的波形,圖中曲線是通過(guò)電流互感器得到的波形。

圖6是用獴=45°、峰值為32 kA的脈沖電流實(shí)驗(yàn)得到的圖像。從圖中可看出光纖電流傳感器在10 kA左右的波形突然向下凹陷。經(jīng)檢驗(yàn)是所測(cè)電流超過(guò)其最大測(cè)量范圍所致,即出現(xiàn)飽和失真。

圖7是獴=80°、峰值為32 kA的脈沖電流實(shí)驗(yàn)得到的圖像。在圖中,用光纖電流傳感器測(cè)得的電流波形曲線沒(méi)有失真,并且與用電流互感器測(cè)得的波形線較好的吻合,說(shuō)明32 kA的電流在其動(dòng)態(tài)范圍之中,并且響應(yīng)時(shí)間小于10 μs。

綜合上述實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)在小電流測(cè)試時(shí)具有較好的線性度和穩(wěn)定性。在大電流測(cè)試中,第一次測(cè)試出現(xiàn)了飽和失真,第二次用增大角獴的方法解決了失真的問(wèn)題,并且動(dòng)態(tài)范圍較大,響應(yīng)時(shí)間短。其實(shí),由式(4)還可看出,通過(guò)增大verdet常數(shù)玽,或磁光晶體長(zhǎng)度獿還可以使測(cè)量范圍變得更大,但這就需要重新定制、加工磁光[LL]晶體,使成本更高和制作時(shí)間更長(zhǎng)。故第一次出現(xiàn)飽和失真后選擇了增大角獴的方法。

4 結(jié) 語(yǔ)

在此用磁光晶體作材料,以法拉第旋光效應(yīng)為原理設(shè)計(jì)和制作了光纖電流傳感器的傳感頭,并用所設(shè)計(jì)的傳感頭搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和進(jìn)行大電流的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)的傳感器在高電壓下能較準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)32 kA電流的測(cè)量。而且該器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、響應(yīng)時(shí)間短,具有較好的實(shí)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]徐時(shí)清,戴世勛,張軍杰,等.全光纖電流傳感器研究新進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2004,41(1):41[CD*2]45.

[2]Emerging Technologies Working Group,Fiber Optic Sensors Working Group.Optic Current Transducer for Power Systems:Areview[J].IEEE Trans.on Power Delivery,1994,9(4):1 778[CD*2]1 788.

[3]Ning Y N,Wang Z P,Palmer A W,玡t al.Recent Progress in Optical Current Sensing Technique[J].Rev.Sci.Instr.,1995,66(5):3 097[CD*2]3 111.

[4]石順祥,張海興,劉勁松.物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000.

[5]張新亮,劉德明,黃德修.具有溫度和偏振態(tài)補(bǔ)償功能的光纖電流傳感器的研究[J].傳感器技術(shù),1998,10(1):1[CD*2]3.

[6]李晶.高壓電力系統(tǒng)電參量光學(xué)測(cè)量的研究[D].青島:山東科技大學(xué),2003.

[7]王美蓉.基于BGO晶體的光纖電流傳感器研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2005.

[8]歐中華,李立芳,代志勇,等.集磁式光纖電流傳感器的研究[J].光學(xué)與光電技術(shù),2008,6(3):7[CD*2]10.

[9]張濤,袁心平,謝興盛.大學(xué)物理教程[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2006.

作者簡(jiǎn)介 龐碧波 男,1980年出生,四川人,電子科技大學(xué)光光電信息學(xué)院,碩士研究生。主要從事傳感器及其應(yīng)用的研究。

劉永智 男,1942年出生,四川人,電子科技大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師。目前研究方向?yàn)楣饫w激光器、光纖傳感與光信息處理。