光纖電流互感器技術綜述

黃麗萍

摘 要：本文介紹了光纖電流傳感器的技術發展，光纖電流傳感器的分類、測量原理及優缺點，以及相關專利申請分析。

關鍵詞：光纖電流傳感器；全光纖式；混合式；塊狀玻璃式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.149

1 引言

隨著電力行業的飛速發展，對電流測量精度的要求越來越高，傳統的電磁感應式電流互感器不斷顯露出它的局限性：精度不高、絕緣性不夠、易受電磁干擾、重量太大、體積驚人、價格昂貴、以及容易保護誤動作等[1]。光纖電流互感器正是為了克服電磁感應式電流互感器的缺點而研制的，光纖電流互感器具有以下的優點：絕緣性能好，抗電磁干擾能力強，測量準確度高，體積小，重量輕，測量動態范圍大，頻帶寬，因此，光纖電流互感器具有極大的研究和應用前景[2-3]。

2 光纖電流互感器的技術發展

國外方面，80年代初，美國采用日本、德國的相關研究資料，在超高壓電力系統領域進行塊狀結構的光纖電流互感器方案研究，并成功實現了161KV的繼電保護的掛網運行。美國國家標準與技術研究所采用 YIG 晶體作為磁光材料進行光纖電流傳感器研制，并于 90 年后期一些相關研制單位推出了掛網實驗報告。1996 年，美國 3M 公司全新推出了全光纖電流傳感器模塊，使光纖電流傳感器進一步得到發展。日本研究了500KV以及100OKV高壓電網測量用的光纖電流互感器，還進行了600OV至500KV電壓等級的光學電流互感器的研究。

和國外相比，國內對于光學電流互感器的研究起步較晚。80年代末，清華大學和沈陽互感器廠合作研發了光纖電流互感器，并在四平成功掛網運行，獲得了國內首次成功掛網運行的成績。燕山大學于2001年成功研制了國家標準GB1208-1997規定的0.2級精度的混合式光纖電流互感器，通過試驗并取得了良好的試驗結果。中國電科院、南瑞繼保、南瑞航天電氣等單位不斷努力研制全光纖型電流互感器，并有少量產品應用于實際工程當中[4]。

3 光纖電流互感器的分類及測量原理

光纖電流互感器是以法拉第磁光效應為基礎，以光纖為傳輸介質的電流計量裝置，通過測量入射光強、光波在通過磁光材料時其偏振面在電磁場的作用而發生旋轉后的出射光強來間接確定被測電流的大小，其分類也因標準不同而各異，現在常用的分類標準有：偏振面旋轉角度的檢測方法、傳感機理和所用的傳感材料[5]。

（1）根據偏振面旋轉角度分類。根據偏振面旋轉角度的不同，光纖電流互感器可以分為單光路光纖電流互感器和多光路光纖電流互感器。其中，單光路光纖電流互感器是以偏振片作為檢測器件，多光路光纖電流互感器則是以渥拉斯頓棱鏡作為檢測器件。單光路光纖電流互感器只有一路輸出光，具有結構簡單、便于耦合、器件結構穩固、光路調試方便、價格較便宜等優點。多光路光纖電流互感器具有多路輸出光，常用的是雙光路電流互感器，具有結構比較復雜以及耦合光損耗大等缺點，但由于光速分成兩路，能有效去除外界環境因素的干擾，提高系統測量的精確度度和可靠性。

（2）根據傳感原理和傳感頭所用材料分類。根據傳感原理和傳感頭所用材料的不同，光纖電流互感器主要可以分為三類：全光纖式、混合式、塊狀玻璃式。1）全光纖電流互感器。全光纖電流互感器（MOCT）是將傳感光纖圍繞在被測導線周圍，根據光纖內傳輸的光波具有偏振特性的機理，通過測量磁光效應在光纖中引起的Faraday旋轉角，從而測量出通電導體中的電流大小。由于其不僅利用光纖作為信號傳輸的介質，還將光纖形成閉合回路環繞通電導體作為傳感頭，因此，稱為全光纖電流互感器。全光纖電流互感器具有結構簡單、體積較小、重量輕便、測量靈敏度高等優點；2）混合式光纖電流互感器。混合式光纖電流互感器（HOCT）與全光纖電流互感器不同點在于，它僅以光纖作為信號傳輸的介質，傳感部分仍然是采用傳統的互感器結構，它是一種采用傳統的電流傳感機理、采用有源器件調制技術和光纖傳輸技術的混合式電流互感器。混合式光纖電流互感器具有結構簡單、絕緣性好、長期工作穩定性好、精度高、性能穩定等優點；3）塊狀玻璃式光纖電流互感器。塊狀玻璃式光纖電流互感器與其他類型光纖電流互感器的最大區別在于，它是采用光學玻璃作為傳感頭。測量原理是，采用法拉第效應，導引線偏光在光學玻璃中進行多次全反射，并形成了圍繞通電導體的閉合回路，通過測量出線偏振光的Faraday旋轉角，并根據法拉第定理計算出電流大小。塊狀玻璃式光纖電流互感器與全光纖電流互感器相比，光學材料的選擇范圍比光纖寬，穩定性較好，精度較高，但加工困難、傳感頭易碎、加工成本昂貴等。

4 光纖電流互感器專利申請分析

光纖電流互感器自20世紀80年代開始，國內外都紛紛開始對光纖電流互感器進行研究，在21世紀世界范圍內有關光纖電流互感器的的專利申請量呈逐步增長趨勢。在光纖電流互感器領域日本專利局的申請量最多，達536件，大多也是日本本國的單位申請的，主要申請人有松下，東芝和佳能。美國專利局的申請量占第二，中國專利局和美國專利局申請量差不多， 分別為359件和335件。

國內有關光纖電流互感器的專利申請中，申請人大部分為高校和科研院所，企業的申請量較少。中國科學院西安光學精密機械研究所位居第一，相關申請量為19件，上海市電力公司和西安交通大學的相關申請量分別為18件和13件。

國外主要申請人有：瑞士ABB，日本松下、東芝以及德國西門子，相關申請量分別為32件、48件、45件以及25件。這幾個公司在光纖電流互感器領域一直處于領先地位。其中，ABB研究有限公司在光纖電流互感器領域的研究一直處于世界前列，其申請的專利中主要研究的技術有：傳感器頭的靈敏度穩定問題（申請號CN200580015090.0）、傳感器頭的溫度穩定問題（申請號CN200410068660.X）、溫度補償（申請號CN201010508343.0、 CN201010506484.9）、測量精度的提高（申請號CN200680054375.X）等。

5 結論

光纖電流傳感器不僅在電力行業中起到重要作用，在軍事、工業領域上也起著非常大的重要，因此，對光纖電流傳感器的研究具有重要的實用價值和科研意義。隨著自動化技術、光電技術以及其他相關技術的迅速發展，光纖電流傳感器的應用前景將日益廣闊。

參考文獻：

[1]方志，邱毓昌，李雙.光纖電流互感器的發展[J].電力建設，2002，23（12）：42-44.

[2]李莉，張心天.光纖電流傳感器及其研究現狀[J].飛通光電子技術，2002，2（02）：81-85.

[3]王政平，康崇等.全光纖光學電流互感器研究進展[J].激光與光電子學進展，2005，42（03）：36-40.

[4]嚴穎維.全光纖電流互感器的研究[D].北京郵電大學，2012.

[5]龐碧波.光纖電流傳感器的研制[D].電子科技大學，2009.