全光纖電流互感器精度影響因素及抑制方法研究

張學彥 周忠新

摘要：電流互感器器是電力系統中的測量元件，部分繞組甚至是計量元件，對于其精度的各級標準中有明確要求。這些誤差的要求在全光纖電流互感器上是相同的，部分誤差是系統誤差無法避免，如法拉第旋光效應帶來的誤差，部分誤差是結構誤差或者是方法誤差，如線性雙折射，這是光纖自身就存在的誤差，但由于檢測的物理量也是雙折射，這兩種雙折射產生了疊加效果，而磁致圓雙折射和殘余雙折射沒有明顯的差異，在檢測過程中無法區別，增加了檢測誤差，應用在小電流檢測場景時，由于磁場的強度與電流大小呈正相關，因此法拉第效應產生的圓雙折射量級較小，由電流產生的磁致圓雙折射幾乎被線性雙折射所湮沒，無法避免光強受線性雙折射擾動，電流測量值引起得波動對結果干擾明顯，為了提高精度，降低直至克服線性雙折射是關鍵環節，這直接影響全光纖電流傳感器的應用。

關鍵詞：光纖互感器；精度分析；影響因素

1引言

電流互感器器是電力系統中的測量元件，部分繞組甚至是計量元件，對于其精度的各級標準中有明確要求。這些誤差的要求在全光纖電流互感器上是相同的，部分誤差是系統誤差無法避免，如法拉第旋光效應帶來的誤差，部分誤差是結構誤差或者是方法誤差，如線性雙折射，這是光纖自身就存在的誤差，但由于檢測的物理量也是雙折射，這兩種雙折射產生了疊加效果，而磁致圓雙折射和殘余雙折射沒有明顯的差異，在檢測過程中無法區別，增加了檢測誤差，應用在小電流檢測場景時，由于磁場的強度與電流大小呈正相關，因此法拉第效應產生的圓雙折射量級較小，由電流產生的磁致圓雙折射幾乎被線性雙折射所湮沒，無法避免光強受線性雙折射擾動，電流測量值引起得波動對結果干擾明顯，為了提高精度，降低直至克服線性雙折射是關鍵環節，這直接影響全光纖電流傳感器的應用。

在工程應用中，特別是在配電網絡中，互感器常年工作在戶內外、敞開環境下，氣候環境惡劣，寒來暑往，晝夜交替，自然條件下溫度的變化是劇烈的，線性雙折射的影響程度與溫度的起伏變化關系密切，降低溫度產生的波動對測量精度和測量結果的重復性有深刻的意義。降低線性雙折射變化對互感器測量結果的影響，提高光纖電流傳感器的溫度穩定性，是提高互感器測量精度的主要途徑，也是制造互感器技術路徑的選擇依據。同時利用逆磁材料降低光纖對溫度影響系統測量的敏感性，提高測量的穩定性，也是在材料選擇方面的關鍵步驟。

2線性雙折射的成因

相對于理想全光纖電流傳感器模型，應用中的測試光纖受外界多種因素影響影響，這種影響與需要測量的電流磁場疊加在一起，改變類理想模型下其光纖雙折射振值，甚至掩蓋了電流磁場產生的效果。理論分析中提及的單模光纖，其橫截面結構應該是完全的軸對稱圓形，在此前提下，將任意偏振光分解為兩束正交偏振光，這兩束正交偏振光在單模光纖中傳輸時其初傳播常數是相同的，不存任何關聯情況，因此在理想的傳播過程中，兩束偏振光之間的狀態不會改變，最終合成輸出時偏振態應該沒有變化。但限于光纖的制造工藝、光纖在布防過程中受到的不均勻力、以及扭曲、熱變形、壓力等多種實際條件，光纖中傳波的兩束正交偏振模光會出現：耦合、相位變化等問題，這種兩個正交偏振光模傳播常數不同的現象被稱為光纖雙折射。通常，光線在光纖中傳播時有很多種折射的分類方法，一般較為常見的是線性雙折射和圓雙折射：線性雙折射主要引起正交的線偏振光傳播常數不同；圓雙折射則引起正交的左右旋圓偏振光傳播常數不同。光學材料的折射率的各向異性分布將導致光傳播的線性雙折射發生在這種光學材料中，線偏振光的情況也與此相似，由于兩個正交電場傳播速度不等，演變為光線經光纖中的傳播后相位差變化，原本以線偏振光形態傳導的光線，在上述影響下發生變化，部分以橢圓偏振光的形式傳導。

分析傳感光纖中的線性雙折射產生的主要原因，可以歸納為以下幾個方面：不均勻應力產生的雙折射，拉制過程中冷卻不均勻以及某一方向上的外力使包裹層產生形變，這些細微的因素都將不可避免的帶來雙折射，產生這類雙折射的準用稱謂為本征雙折射，或殘余雙折射，主要原因是制造工藝，在批量生產中控制工藝的差別，造成了光纖固有的隱疾；外部條件的變化，如振動、溫度變化也會導致產生雙折射，特別是溫度的變化也會產生線性雙折射，因為溫度的變化是光纖受力不均，內部產生應力，形變會進一步造成使折射率發生變化，且這種折射率的變化分布不均勻；還有一些裝配環節會帶來誤差，傳感頭組裝、環形結構繞制，難免會讓光纖受到到了來自于垂直和彎曲兩個平面上的力，兩個力合成后會產生不均勻的受力的結果。線性雙折射對整個測量過程都影響很大，特別是多個光纖部件級聯使用，其影響因子會連乘在一起，誤差會產生累計產生放大的效果，必須采取有效措施，針對性降低或者減少線性雙折射的影響，保證測量精度。

3線性雙折射的抑制方法研究

3.1線性雙折射的抑制途徑

為降低殘余線性雙折射，優先選擇的是使用超低雙折射光纖來代替普通的單模光纖，這種性能更加優良的光纖可以大幅降低雙折射的影響，普通單模光纖的線性雙折射在103°/m左右，而一般用做傳感光纖的低雙折射光纖，國內可以達到≤2.6°/m，國外可以達到0.75°/ m 的水平；還可以在材料使用上進行改進，選擇光纖內部雙折射發生幾率較小的光纖，如雙折射光纖、超低光纖等，同時還有光纖傳導方面研究結論顯示，當光纖中的圓雙折射增加后，特別是大量引入圓雙折射，光纖中的線性雙折射的數量就會降低，抑制效果佳。

提高圓雙折射的方法有很多種，但較為有效的有兩種方法：改變光纖的傳感器的繞制結構，使其成為環形結構，這樣的結構保證了可以獲得一定量的圓雙折射；另一個常用的方法高圓雙折射光纖，這種光纖是經過特殊工藝處理，高折射率高，材料選用的同時在加上特殊的旋扭工藝，雙管齊下提高圓雙折射效果，但這樣做也有兩方面的缺點，一是單純的旋轉會使光纖硬度提高，彎曲半徑增加，容易發生斷裂；二是高圓雙折射光纖對溫度敏感性很強，一旦外界溫度發生變化，光纖的性能會隨之發生變化，需要良好的溫度補償措施，需要溫度補償措施。所以，可以綜合以上兩種方法，采用超低雙折高園射光纖，將其布置為圓形結構并在徑向扭轉的方式來提高園折射，消除部分線性雙折射的影響。

3.2逆磁光纖溫度補償機理

使用上節的環形互感器結構，采取上節采用的方法提高園雙折射抑制線性雙折射，但高圓雙折射光纖受溫度影響的弱點也暴露出來。前期進行此種方案嘗試時，也多在溫度補償方面留下不足。今年來，隨著基礎材料物理的進展，逆磁光纖的發現解決這一問題。

朗之萬是量子物理學的奠基人之一，它的理論能較為準確的解釋物質具有抗磁性的原因。1905年朗之萬在洛倫茲經典電子理論的基礎上首次對抗磁性做出了定量解釋。Kittel結合朗之萬的相關理論，從而發展出成熟的抗磁性理論。在自旋狀體的電子，受到外施加磁場作用會產生感應磁距，影響電子軌道磁距和自旋磁距等狀態，當這種自身狀態的變化的產生抵消外施磁場影響，即誘導磁化強度與外磁場方向相反，這就是抗磁性現象。究其產生的原因，是復雜的量子態過程，利用宏觀模型類比，磁力線穿過電子運動的軌道，產生了使電子加速的效果，電子帶負電，加速運動產生了新的磁場，與外施磁場方向恰好是逆向，磁化率為負，抵消了外施磁場的效果，在宏觀上表現為物質不受磁場影響。量子力學理論下，一切物體都具備上述現象特性，但在有些現象中它們表現出磁化效果，是因為非抗磁化物質，磁化效應更強烈，總體表現出來的是磁化效果，但將觀察尺度縮小，直至原子、離子尺度，這種抗磁現象顯現出來。

進一步的深入研究，一些表現出逆磁效果的物質，如逆磁玻璃、逆磁纖維，其原子結構中不存在永久的電子軌道磁矩，因此外加磁場后，只會產生很小的誘導磁矩，且方向與磁場方向相反。相對而言，普通玻璃的組成原子，是以網絡形成體和網絡修飾體離子形式存在的，它們的機構類似惰性氣體的電子層結構，沒有未配對的電子，如四價硅離子、鈉離子、鈣離子、二價鉛離子、二價鋇離子等，體現出逆磁性。1985年，Kazuo Shiraishi等人研究溫度在10～90℃FR-2 逆磁玻璃和FR-5 順磁玻璃費爾德的溫度關聯性，并以圖像的形式闡釋了變化趨勢，FR-5體現出明顯變化趨勢，Verdet常數與溫度有線性變化關系，為逆相關；逆磁玻璃FR-2與其表現相反，如圖1所示，Verdet常數基本未發生變化，盡管溫度同樣變化劇烈。

進一步研究逆磁玻璃的Verdet系數特性，熱膨脹會影響其數值的變化，值受溫度影響很小，這是一種良好的光纖制備材料，以此為材料的光纖，不會受溫度的影響，特別是加長光纖的長度后也不會產生Verdet常數的大幅變化，這是材料科學進展為設備制造帶來的變革。

3.3提高逆磁光纖的Verdent常數

通過研究鍺硅酸鹽玻璃中不同PbO成分變化與Verdet系數大小的關系，有了這樣的結論：PbO含量與Verdet系數大小正相關。隨后對幾種玻璃效果較為優異磁光玻璃組分分布進行研究，發現Verdet常數變化與金屬氧化物的含量變化的趨勢也是相同的，但在BCG 三元系統中，這種增加的趨勢是逐漸趨于減小的，逐步趨向于穩定值，；在BPGB四元系統中結論卻不成立。工程實踐中，選取TeO2、PbO和H3BO3三種化合物，H3BO3 的摩爾比例固定為2%（H3BO3主要作用的粘合劑），TeO2和PbO按不同的比例混合均勻，放入馬弗爐中燒制，多次燒制，確定合適的溫度；同時也確定最佳TeO2、PbO的摩爾比，經檢測，最終確定的摩爾比為（4：6）98%。

光纖制備主要分為多模光纖和單模光纖兩個部分。一是制作多模光纖，反射層直接用聚乙烯材料。這種方式簡單，成本低，但是纖芯比較粗，保護層與纖芯直接接觸，光纖在彎曲或者受力時，容易斷裂，曲率半徑比較大。但是作為電流互感器的傳感光纖，傳感部分本身半徑就比較大，光纖被固定在傳感環內部，產生的雙折射現象通過后面信號處理單元補償，所以不影響整體的使用。二是制作單模光纖，反射層與纖芯都是逆磁玻璃成份，但折射率小于纖芯。這種制作方式要在傳統光纖拉絲技術上改進，先用MCVD方法制作預制棒，對預制棒尺寸等進一步加工，拉絲塔工作參數的調正，比如，拉絲環境溫度、濕度、馬達速度等。這種光纖優點是曲率半徑小，不易被折斷，損耗小。

本世紀光纖的價格大幅下降，主要是光纖的制造工藝有了大幅提升，成品提高，其中較為成熟的工藝方法是利用不同溫度下物質沉積作用，在氣態對光纖預制棒進行制造，如圖2所示，典型的“one、two”制造工藝。

在芯棒拉絲前必須對其進行處理，這是眾所周知的，強度和強度分布的預拉伸纖維強烈地依賴于初始纖維預制件的質量，特別是其表面質量。預制棒表面難免會存在雜質粒子，不少還有細微的裂紋，不處理直接高溫拉伸后，會遺留缺陷，這些缺陷會留在光纖的表面，光纖表面裂紋和微晶就是在這個環節未處理好而遺留的拉成后的缺陷。因此，為了克服這一問題，為了制備連續長度和高強度的光纖，需要在拉拔工藝之前對這些表面缺陷進行修復和消除。要生產復合使用要求的預制棒，就需要對光纖預制棒現行處理，主要的處理的部分是其外表面，處理的方案主要有三個步驟：采用有機溶液（Etoth、Meoh、丙酮等有機溶液）預處理，完成后再經酸蝕后，最后完成火焰拋光工藝。

4總結

本文主要分析了在分析光纖電流傳感器測量精度的影響因素，溫度、震動及線性雙折射。分析了線性雙折射產生的原因、帶來的危害，分析了利用提高圓折射抑制性雙折射的方案；在解決溫度對測量影響方面，采取了使用逆磁材料制備光纖的方案，采用重金屬碲酸鉛為基質玻璃，摻雜稀有元素制造磁光光纖，提高溫度不相關性的同時，也提高了法拉第效應。

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