光纖原子磁力儀在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

李錫熙 李偉德 曾強(qiáng) 龍葵 藍(lán)海森

光纖原子磁力儀在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

李錫熙 李偉德 曾強(qiáng) 龍葵 藍(lán)海森

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局）

在電力系統(tǒng)中，電流是一項(xiàng)重要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。現(xiàn)有電流傳感器測(cè)量精度無法滿足某些精密設(shè)備的監(jiān)測(cè)要求。為此，提出一種基于原子磁力儀技術(shù)的光纖型高精度電流傳感器，電流探測(cè)精度可以達(dá)到pA量級(jí)。利用原子磁力儀技術(shù)的高靈敏度和光纖傳感器使用靈活的特性，解決了電力系統(tǒng)中微弱電流檢測(cè)難的問題。

電力系統(tǒng)；光纖傳感；原子磁力儀；光子晶體光纖

0 引言

電力系統(tǒng)中，電力設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)受到環(huán)境變化的影響，如溫度、濕度變化、供電電流突變等[1]，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變，可能使其性能逐漸劣化，最終無法正常運(yùn)行。特別是電力系統(tǒng)中的某些精密設(shè)備，更容易受到環(huán)境影響，若失效可能導(dǎo)致嚴(yán)重的社會(huì)后果和經(jīng)濟(jì)損失。因此，有必要對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)密的在線監(jiān)測(cè)[2]。電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)是通過監(jiān)測(cè)電力設(shè)備的工作參數(shù)，如電流、磁場(chǎng)、溫度等，判斷電力設(shè)備工作狀態(tài)是否正常。其中，工作電流或工作電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)是最為關(guān)鍵的監(jiān)測(cè)參數(shù)。

傳統(tǒng)的電磁式電流傳感器在實(shí)際應(yīng)用中存在安裝困難、抗電磁干擾能力差等問題[3]。光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、靈活性好、抗電磁干擾性較強(qiáng)，且具有較高的安全性[4]，但其靈敏度有限，一般只能測(cè)量mA級(jí)電流的變化，無法實(shí)現(xiàn)更精密的測(cè)量。

為實(shí)現(xiàn)高靈敏度的電流或磁場(chǎng)測(cè)量，專家學(xué)者們研制了一種基于堿金屬原子的磁力儀。2003年Romalis等提出一種高靈敏度的原子磁力儀，靈敏度達(dá)到0.54 fT/Hz0.5，超過同時(shí)期的超導(dǎo)磁力儀[5]；2010年通過將氣室加熱到200℃，靈敏度達(dá)到160 aT/ Hz0.5的磁場(chǎng)測(cè)量[6]；并提出一種基于三軸亥姆霍茲線圈設(shè)備抵消空間磁場(chǎng)的技術(shù)，有效消除地磁噪聲的影響[7]。伯克利大學(xué)的Budker等提出一種基于非線性磁光旋轉(zhuǎn)的原子磁力儀，靈敏度理論上可達(dá)0.3 fT/Hz0.5[8]，并于2006年研制出基于頻率調(diào)制的非線性磁光旋轉(zhuǎn)磁力儀，靈敏度為60 fT/Hz0.5；2010年又提出了基于強(qiáng)度調(diào)制的非線性磁光旋轉(zhuǎn)磁力儀，靈敏度達(dá)到了100 fT/Hz0.5[9]。由于這種磁力儀不需要加熱，而且可以工作在地磁環(huán)境中，因此有更多的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

為了保證系統(tǒng)的性能和可靠性，一般的原子磁力儀系統(tǒng)較為復(fù)雜，設(shè)備龐大。比如需要加熱裝置提高系統(tǒng)靈敏度，或者大型的磁屏蔽裝置隔絕外界磁場(chǎng)。目前原子磁力儀主要應(yīng)用于生物磁場(chǎng)測(cè)量，如腦磁場(chǎng)和心電圖測(cè)量，并不適合電力系統(tǒng)的惡劣環(huán)境。為此，本文將光纖傳感的靈活性和原子磁力儀的高靈敏度相結(jié)合，提出一種光纖型原子磁力儀，其精度理論上可以達(dá)到pA級(jí)別，足以滿足電力系統(tǒng)中高精度電流監(jiān)測(cè)的需要。

1 原子磁力儀

傳統(tǒng)的光纖電流傳感器是利用磁致旋光效應(yīng)，通過測(cè)量光纖中偏振態(tài)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)大小的測(cè)量，最終轉(zhuǎn)換為電流大小[10]。磁致旋光效應(yīng)基于塞曼效應(yīng)，是一種普遍的自然現(xiàn)象。當(dāng)磁場(chǎng)作用于物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)分子簡(jiǎn)并的基態(tài)或（和）激發(fā)態(tài)會(huì)發(fā)生分裂。由于其共振吸收頻率對(duì)于左圓、右圓偏振光不同，導(dǎo)致左圓、右圓偏振光通過物質(zhì)時(shí)的吸收曲線和色散曲線有一定差異，即當(dāng)磁場(chǎng)存在時(shí)，左圓和右圓偏振光的相對(duì)折射率存在一定差異。磁致旋光效應(yīng)示意圖見圖1。

圖1 磁致旋光效應(yīng)示意圖

與傳統(tǒng)光纖電流傳感器不同的是，原子磁力儀基于非線性磁致旋光效應(yīng)，因而精度比一般的光纖電流傳感器高很多。一束線偏振光在一個(gè)充滿原子的介質(zhì)中沿著磁場(chǎng)方向傳輸，當(dāng)這束光頻率與原子躍遷頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生明顯的磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。當(dāng)入射光的強(qiáng)度大到足以擾亂原子的平衡狀態(tài)時(shí)，輸出光的偏振態(tài)變化大小與光強(qiáng)有關(guān)，此現(xiàn)象稱為非線性磁光旋轉(zhuǎn)。

原子磁力儀的核心是堿金屬氣體。原子磁力儀系統(tǒng)一般包含兩束激光，一束作為泵浦光，用于使氣態(tài)的堿金屬原子躍遷到飽和狀態(tài)達(dá)到非線性條件；另一束光作為探測(cè)光[11]。通過檢測(cè)探測(cè)光經(jīng)過受激發(fā)堿金屬原子氣體后的偏振態(tài)變化大小實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)大小的測(cè)量。由于泵浦光的存在，氣態(tài)堿金屬中的磁致旋光效應(yīng)顯著增強(qiáng)，因此能測(cè)量極其微弱的磁場(chǎng)。

通常情況下，原子磁力儀的兩束光是相互垂直的。然而本文提出的光纖原子磁力儀結(jié)構(gòu)是一維的，只能在一個(gè)方向上傳輸激光。其借鑒了慢非線性，即泵浦光引起的介質(zhì)光學(xué)性能改變，在去掉泵浦光后仍然可以維持一定時(shí)間。因此，可先用泵浦光激勵(lì)介質(zhì)，再用探測(cè)光進(jìn)行探測(cè)，而不需要兩束光同時(shí)作用[12]。

2 光纖原子磁力儀設(shè)計(jì)

空心光子晶體光纖是一種纖芯是空氣的光纖，光在纖芯的空氣中傳輸，其纖芯是一個(gè)空氣孔，如圖2所示。由于空氣的折射率低于包層有效折射率，光不是靠全內(nèi)反射，而是靠包層的光子帶隙效應(yīng)束縛在纖芯中，擁有傳統(tǒng)光纖無法比擬的導(dǎo)光和控光特性。

圖2 空心光子晶體光纖示意圖

光纖原子磁力儀結(jié)構(gòu)如圖3所示，其核心部分是一段密封于空心光子晶體光纖中的堿金屬氣體。

圖3 光纖原子磁力儀結(jié)構(gòu)圖

極化的原子與氣室壁碰撞時(shí)，導(dǎo)致去極化，這是影響原子弛豫時(shí)間的最主要因素，會(huì)使信號(hào)展寬，降低系統(tǒng)的靈敏度。為了增加原子弛豫時(shí)間，一般采用添加緩沖氣體或者對(duì)外壁進(jìn)行處理兩種方式。添加緩沖氣體的方式，常采用惰性氣體，如氦，降低堿金屬原子的移動(dòng)速度，減少與外壁碰撞的概率。外壁處理的方式，通常是在外壁內(nèi)增加一層石蠟，使原子與外壁碰撞過程中去極化概率降低，一般可以碰撞上千次而不去極化。其中，外壁處理相對(duì)于添加緩沖氣體更有優(yōu)勢(shì)，一方面可降低磁場(chǎng)梯度的影響；另一方面它的信號(hào)線寬相對(duì)更窄。不過考慮到光纖加工的難度，添加緩沖氣體的方案更容易實(shí)現(xiàn)。

激光器中心波長(zhǎng)需要根據(jù)所選擇的堿金屬原子確定。對(duì)于銣原子，其第一線吸收波長(zhǎng)為795 nm，而對(duì)于銫原子，其第一線吸收波長(zhǎng)為894 nm。激光器發(fā)出的光先對(duì)堿金屬氣體進(jìn)行泵浦，使其達(dá)到飽和狀態(tài)；同時(shí)作為探測(cè)光，激光經(jīng)過堿金屬氣體后由光電探測(cè)器接收，通過偏振分析得到激光偏振態(tài)改變的大小。由于其改變大小與磁場(chǎng)大小有關(guān)，因此可以得到待測(cè)磁場(chǎng)的大小。

一般的原子磁力儀只能測(cè)量0磁場(chǎng)附近的磁場(chǎng)變化，量程十分有限，并不能工作在地磁狀態(tài)下。為了擴(kuò)大量程，同時(shí)保證高靈敏度，本系統(tǒng)采用光調(diào)制技術(shù)。通過對(duì)入射的線偏光進(jìn)行頻率或者強(qiáng)度周期性調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)堿金屬氣體原子的周期性極化。此時(shí)，系統(tǒng)的測(cè)量中心將發(fā)生改變，從0磁場(chǎng)變?yōu)槭苷{(diào)制頻率控制的頻率。

光纖原子磁力儀應(yīng)用于電力系統(tǒng)，既能發(fā)揮光纖傳輸靈活的優(yōu)勢(shì)，又具有原子磁力儀的高靈敏。依靠光纖作為載體，除光纖外的部分，如光源、探測(cè)器等設(shè)備可以放置在機(jī)房?jī)?nèi)，只需要將光纖鋪設(shè)在待測(cè)物體上即可。光纖原子磁力儀以光纖的形式介入到電力系統(tǒng)中，對(duì)電路系統(tǒng)影響較小，且與電力系統(tǒng)有很好的兼容性，可以滿足電力系統(tǒng)惡劣的工作環(huán)境，保證了系統(tǒng)的可靠性與實(shí)用性。

3 結(jié)語

隨著電力自動(dòng)化程度的提高，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的電流、磁場(chǎng)等參數(shù)顯得尤為重要。本文提出了一種光纖原子磁力儀，可以用于高精度、長(zhǎng)距離的電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，為電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了保障。本系統(tǒng)理論測(cè)量精度達(dá)到pA級(jí)別，可有效識(shí)別電力系統(tǒng)中的設(shè)備故障，輸電線路故障等問題。為電力系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供了保障。

[1] 丁健.光纖傳感技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景[J].電子世界,2016(23):22.

[2] 史青.光子晶體光纖及其在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用研究[D].天津:南開大學(xué),2010.

[3] 楊愛林.地磁環(huán)境下光學(xué)原子磁力儀的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2013.

[4] 武創(chuàng).新型光子晶體光纖壓力傳感器[D].大連:大連理工大學(xué),2012.

[5] Seltzer S J, Romalis M V. Unshielded three-axis vector operation of a spin-exchange-relaxation-free atomic magnetometer[J]. Applied Physics Letters, 2004, 85(20):4804-4806.

[6] Dang H B, Maloof A C, Romalis M V. Ultrahigh sensitivity magnetic field and magnetization measurements with an atomic magnetometer[J]. Applied Physics Letters, 2010, 97(15):227.

[7] Higbie J M, Corsini E, Budker D. Robust, high-speed, all-optical atomic magnetometer [J]. Review of Scientific Instruments, 2006, 77(11):596.

[8] Kominis I K, Kornack T W, Allred J C, et al. A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer [J]. Nature, 2003, 422(6932):596-599.

[9] Hovde C, Patton B, Corsini E, et al. Sensitive optical atomic magnetometer based on nonlinear magneto-optical rotation[J].Unattended Ground, Sea, & Air Sensor Technologies & Applications XII, 2010, 7693.

[10] 艾延寶,金永君.法拉第磁致旋光效應(yīng)及應(yīng)用[J].物理與工程,2002,12(5):50-51,60.

[11] 劉強(qiáng).全光銫原子磁力儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2012.

[12] 謝奇峰.NMOR型堿金屬銣原子磁強(qiáng)計(jì)的研發(fā)[D].北京:中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所),2017.

Application of Optical Fiber Atomic Magnetometer in Power System

Li Xixi Li Weide Zeng Qiang Long Kui Lan Haisen

(Dongguan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Co., Ltd.)

In the power supply system, the current intensity is an important monitoring indicator. The measurement accuracy of common current sensor cannot meet the monitoring of some precision equipment. This paper presents a fiber-optic high-precision current sensor based on atomic magnetometer technology. Its current detection accuracy can reach the order of pA, which is much higher than the existing measurement methods. The high sensitivity of the atomic magnetometer and the flexible nature of the fiber optic sensor can solve the problem of weak current detection in the power system.

Power Supply System; Optical Fiber Sensing; Atomic Magnetometer; Photonic Crystal Fiber

李錫熙，男，1975年生，本科，工程師，主要研究方向：輸配電及用電工程。E-mail: 1673088@qq.com

李偉德，男，1982年生，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：輸配電及用電工程。

曾強(qiáng)，男，1970年生，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：輸配電及用電工程。

龍葵，男，1989年生，碩士，主要研究方向：輸配電及用電工程。

藍(lán)海森，男，1989年生，本科，工程師，主要研究方向：輸配電及用電工程。