數字式全光纖電流互感器系統建模與仿真技術研究＊

宋 曼，張 輝

（合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009）

引 言

隨著電力系統的不斷發展，對互感器的要求越來越高，而傳統的電磁式電流互感器在運行中漸漸暴露出一些嚴重的缺點，已經很難滿足數字化電站的要求。目前的市場情況是，電力系統廣泛采用的仍是電磁式電流互感器，它有以下特點：（1）一次繞組中的電流完全取決于被測電路的一次電流大小而與二次電流無關；（2）它的二次繞組與測量儀表、繼電器等的電流線圈串聯。由于測量儀表和繼電器等的電流線圈阻抗都很小，因此它的正常工作狀態接近于短路；（3）它在運行中不允許二次側開路。如果二次側開路，則二次電流值為零，這時電流互感器的一次電流全部用來勵磁，鐵芯中的磁通密度將會大幅度增加，從而引起鐵芯中的有功損耗增大、鐵芯過熱，最終導致電流互感器損壞。同時由于鐵芯磁通密度劇烈增加，故互感器的二次繞組中的感應電壓峰值可達到數千伏之高［1］。如此高的電壓必將對設備絕緣和運行人員的安全都造成危險。為了有效防止電流互感器的二次側開路，對運行中的電流互感器，當需要拆開所連接的儀表和繼電器時，必須先短接其二次繞組，進行泄放電。上述電磁式電流互感器的特點表明：傳統式電流互感器絕緣結構復雜、尺寸大、運行成本高、造價高，最重要的是測量準確度無法保證。因此，研究新型的數字全光纖式電流互感器以取代傳統電磁式電流互感器已成為社會發展的一個必然趨勢，所研究的系統是基于法拉第效應偏振態調制的全光纖電流檢測系統，采用的傳感元件為保偏光纖制作的電流傳感頭。

1 全光纖電流互感器系統原理

目前光纖系統主要選用半導體光源，其主要原因是：半導體光源的發光波長在光纖的低損耗窗口中傳輸，電流注入發光可以進行強度調制；光源體積小，發光面積可以與光纖纖芯匹配，從而提高光源與光纖的耦合效率；可靠性高，高溫下可以連續工作；響應速度快，光束的相干性好，適合于高速率、大容量的光纖系統；具有結構緊湊、重量輕、使用方便、工作壽命長，單色性好等優點。全光纖電流互感器是基于法拉第效應偏振態調制的原理來實現對電流的測量的［2］，系統結構框圖如圖1所示。工作時光源發出的光經過耦合器后由光纖偏振器起偏，起偏之后進入傳感光纖即保偏光纖之中。保偏光纖纏繞在通過大電流的導線周圍，由于傳輸中的大電流產生磁場，以及保偏光纖中的法拉第磁光效應偏振態調制作用，偏振光的偏振態發生改變，攜帶偏振態信息的偏振光經過檢偏器之后，進入光電探測器。光電探測器接收到的是電流信號，需要再通過轉換電路轉換成電壓信號，鑒于光電探測器接收到的信號只有微安數量級，所以還必須進行信號放大與電路調理，最終經過比例因子轉換得到光纖電流互感器的電流信息。

圖1 全光纖電流互感器的系統框圖Fig.1 The system block diagram of the all－fiber current transformer

2 全光纖電流互感器系統建模

對利用保偏光纖作為大電流傳感頭的全光纖電流檢測系統進行瓊斯矩陣分析［3］，可以得到：

假設檢偏器與實驗室坐標系的夾角為γ，則檢偏器渥拉斯頓棱鏡的Jones矩陣為：

保偏光纖的Jones矩陣和輸入的線偏振光Jones矩陣分別為：

其中ρ表示旋光率，L 表示光在保偏光纖中通過的距離，θ1表示偏振方向與x 軸的夾角，將式（2）～式（4）代入式（1）得：

則可以得出通過檢偏器之后，光探測器上得到的光強為：

其中，r′＝τ－C′＋F，F＝VNI，V 為Verdet常數，V＝1.086×10－16，N 為環繞電流的匝數，I 為導線中通過的電流。對于保偏光纖，通常有τ－C′?F，2τ?Δβ，則：

由于全光纖電流檢測系統的輸出信號受到光源光功率的影響，因此需要采取相應的措施來消除光源光功率波動對系統產生的影響。系統采用測量臂與參考臂相比較的方法來消除上面的影響，通常對I1，I2進行如下處理［4］：

由式（10）可知，上述的信號處理方式消除了光源功率的波動對測量輸出信號所造成的測量誤差。但是，在實際測量系統中，這種信號處理方式對于兩個探測光路的對稱性要求非常高，而這一點很難做到［5］，所以會引入一定的誤差。還有環境等因素的影響，受到干擾會比較多，因此選用了一種改進的光路結構來進行信號處理，其光路圖如圖2所示。

在光源半導體激光器處增加50∶50的光耦合器，將光源發出的光分成相同的兩束光，并分別進入測量臂和參考臂［6］。其中參考臂的光信號通過光纖直接進入光電探測器，與保偏光纖的測量信號進行對比，以此來消除光源光功率波動對測量造成的不良影響。另外要使檢偏器遠離被測電流，減少大電流電線附近的不良干擾，同時保持保偏光纖輸出的偏振狀態［7］。

圖2 改進型全光纖電流互感器光路圖Fig.2 The optical path of the improved all－fiber current transformer

3 全光纖電流互感器的系統仿真

為了簡化仿真模型，將全光纖電流互感器系統的每個建模部分用簡化模型來代替，如圖3所示的即為全光纖電流互感器系統的仿真模型［8］。

各主要部分的仿真模型如下：圖4是光源的簡化模型；圖5和圖6分別為起偏器和檢偏器的仿真模型；圖7是子系統3即保偏光纖傳感頭的仿真模型，由子系統1和子系統2構成；圖8為光電探測器的仿真模型。

圖3 全光纖電流互感器系統仿真模型Fig.3 The system simulation model of the all－fiber current transformer

圖4 光源的仿真模型Fig.4 The simulation model of the light source

圖5 起偏器的仿真模型Fig.5 The simulation model of the partial device

圖6 檢偏器的仿真模型Fig.6 The simulation model of the polarizer device

圖7 保偏光纖傳感頭的仿真模型Fig.7 The simulation model of the polarization－maintaining fiber sensor－head

圖8 光電探測器的仿真模型Fig.8 The simulation model of the photoelectric detector

4 仿真結果及結論

在該仿真模型的輸入端輸入正弦電流i（t）＝2sin（ωt）［9］，該信號作為被檢測電流，通過上面的仿真模型進行仿真，得到輸出波形如圖9和圖10所示。

圖9 被測電流的正弦波形Fig.9 The sinusoidal waveform of the measured current

圖10 全光纖電流互感器輸出的電流波形Fig.10 The output－current waveform of the all－fiber current transformer

比較這兩個波形可知，所建立的全光纖電流互感器系統的仿真模型是正確可行的。全光纖電流互感器模型的建立，可以將高壓端的被測電流幅值和相位大小真實的反映出來，因此對全光纖電流互感器的特性評估具有實際應用價值。

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