光纖大電流傳感器研究

龐碧波 劉永智 歐中華等

摘 要:以法拉第磁光效應為原理的光纖電流傳感器因其無爆炸,抗電磁干擾,絕緣性好,價格便宜等優點,將成為傳統電流互感器的替代品。在此設計一種光纖大電流傳感器,介紹該器件的工作原理、傳感頭的結構、光路的設計、調整、兩偏振片夾角的選取。搭建實驗系統并進行測試,實驗結果表明,光纖電流傳感器在3 kV工作電壓下可準確實現32 kA連續或脈沖電流的測量,并有0~32 kA的動態范圍,而且重復性和線性度良好,響應時間小于10 μs。

關鍵詞:光纖傳感器;動態范圍;法拉第效應;脈沖電流

中圖分類號:TM452.94

0 引 言

隨著電力工業的迅速發展, 電力傳輸系統容量不斷增加,運行電壓等級越來越高,不得不面對棘手的強大電流的測量問題。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的測量手段無用武之地。而在高電壓、大電流和強功率的電力系統中,測量電流的常規技術所采用的以電磁感應原理為基礎的電流傳感器(簡稱為CT),暴露出一系列嚴重的缺點:由爆炸引起的災難性事故的潛在危險;大故障電流導致鐵芯磁飽和;鐵芯共振效應;滯后效應;輸出端開路導致高壓;體積大、重量大、價格昂貴;精度無法做得很高;易受電磁干擾影響。傳統CT已難以滿足新┮淮電力系統在線檢測、 高精度故障診斷、電力數字網等發展的需要將光纖傳感技術引入到電流檢測中的光纖電流傳感器(簡稱 OCS)成為解決上述難題的最好方法。

自從1973年, A J Rogers首先提出光學電流傳感的想法以來,光纖傳感技術已發展了20多年。與普通電磁互感器相比,在高強電流測量應用中光纖電流傳感器具有以下優點[5]:光纖電流傳感器沒有磁飽和現象,也不像通常的電磁互感器的動態工作范圍受磁飽和效應的限制;光纖電流傳感器抵抗高電磁干擾,對環境的要求低;光纖電流傳感器可以在較寬的頻帶內,產生高線性度響應;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點,尤其是它的絕緣性能好,體積小,成本低,并且頻帶寬,響應時間短,可同時用于測量直流、交流及脈沖大電流,因此可望成為高壓下測量大電流的理想傳感器。

1 傳感器原理及光路設計

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

其旋轉角Е扔牘獯播的磁光材料上的磁場中強度[WTHX]H[WTBX]和磁光材料的長度L成正比:當[WTHX]Η[WTBX]一定時,旋轉的角度θ為:

式中:v為玽erdet常數;[WTHX]Η[WTBX]為磁場強度;L為磁光玻璃長度。通電長直導線磁場公式:

再由式(4)可得:當P=P0時,I┆玬ax=2π玶B/vL,只要角B越大,所能測的最大電流值也越大,所以在實驗中常用增大角B的辦法來增大其測量范圍。但在實際中,角B的增大到一定值后會使光路的調焦變得更困難,并使小信號更難測量,在以往實驗中一般取B=45°或相差不大的值。г詬檬笛櫓醒∮2 mW的激光器作調整光源,在第一次調焦時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的雙折射,并用光學膠密封各接合面,使光路調整更容易操作,因此角獴選擇了80°。上式中,夾角獴在傳感器完工后是定值,因此只要測得P,P0值就可得到電流值。

在光路設計中,采用圖2所示結構。暗灰色的箭頭線表示光線在傳感器中的傳輸路徑:光源發出的光經帶自聚焦透鏡的光纖進入傳感器,通過蒸鍍反射膜的直角棱鏡的反射改變為線偏振光進入磁光晶體,偏振面受磁場調制的線偏振光經過檢偏器和對應的直角棱鏡后通過另一帶自聚焦透鏡的光纖進入光電探測器。

2 系統結構

由式(4)可知,獲得P0,P即可得到被測電流值I。系統構框圖如圖3所示。

其中,激光器采用恒流驅動,提供32 mA 恒定電流。通過出光功率自動控制電路,實現光功率反饋,將探測到的光電信號與激光器的驅動電流比較,以達到及時調整激光器工作光功率抖動的目的。

光檢測及放大部分電路實現了光/電轉換,并且對電信號放、濾波,以及分離直流信號和交流信號。原理框圖如圖4所示。

[JP2]信號采集處理部分實現對直流信號和交流信號分別采集,進行處理。記錄下未通電流時的直流信號U0,作為基準值,UХ直鷂帶有電流直流、交流信息的檢測值,經過運算分別出被測電流獻 的直流分量和交流分量。[JP]

3 實驗結果及分析

[JP2]在實驗的傳感頭內孔徑獶1=2 cm,外環直徑獶2=5 cm,底座(即圖2中的plinth)厚度玥=1.1 cm;準直┢魘仟用能通過635 nm紅光的光纖和聚焦透鏡制成;磁┕餼И體厚度玠=2 cm;verdet常數玽=-1.17×10-3﹔ad/A;光源輸出功率為1 mW;實驗中分別用連續電流和脈沖電流對其進行檢測。實驗時把器件一端接在光源輸出端,另一個接在輸入端,并把通電導線從缺口橫穿過去就可開始測試。

3.1 用連續交流電測實驗

在用連續交流電測實驗中通過讀取光纖電流傳感器輸出的電壓與用標準器件測得的電流進行比較,并把所得的電壓值等效為光纖電流傳感器的電流值。在實驗中標準器件使用的是電流互感器。表1是在某測試機構中測得的數據。

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,電壓值作為縱坐標繪制成曲線,如圖5所示?？梢钥闯?電壓與電流是近似成正比的。

從圖5 的數據可看到在100~3 000 A范圍內,系統具有良好的線性度。

3.2 用脈沖電流測實驗

由于一般測試機構中很少測試上萬安的交流電,┩6和圖7是在某測試院中用脈沖電流實驗時在示波器上顯示的波形圖,上面曲線是通過光纖電流傳感器得到的波形,圖中曲線是通過電流互感器得到的波形。

圖6是用獴=45°、峰值為32 kA的脈沖電流實驗得到的圖像。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。經檢驗是所測電流超過其最大測量范圍所致,即出現飽和失真。

圖7是獴=80°、峰值為32 kA的脈沖電流實驗得到的圖像。在圖中,用光纖電流傳感器測得的電流波形曲線沒有失真,并且與用電流互感器測得的波形線較好的吻合,說明32 kA的電流在其動態范圍之中,并且響應時間小于10 μs。

綜合上述實驗,系統在小電流測試時具有較好的線性度和穩定性。在大電流測試中,第一次測試出現了飽和失真,第二次用增大角獴的方法解決了失真的問題,并且動態范圍較大,響應時間短。其實,由式(4)還可看出,通過增大verdet常數玽,或磁光晶體長度獿還可以使測量范圍變得更大,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間更長。故第一次出現飽和失真后選擇了增大角獴的方法。

4 結 語

在此用磁光晶體作材料,以法拉第旋光效應為原理設計和制作了光纖電流傳感器的傳感頭,并用所設計的傳感頭搭建了實驗系統和進行大電流的檢測實驗。實驗結果表明,該設計的傳感器在高電壓下能較準確實現32 kA電流的測量。而且該器件結構簡單、使用方便、響應時間短,具有較好的實用價值。

參 考 文 獻

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作者簡介 龐碧波 男,1980年出生,四川人,電子科技大學光光電信息學院,碩士研究生。主要從事傳感器及其應用的研究。

劉永智 男,1942年出生,四川人,電子科技大學教授,博士生導師。目前研究方向為光纖激光器、光纖傳感與光信息處理。