全光纖電流互感器溫度誤差分析與溫度誤差補償

褚光

摘要：全光纖電流互感器具有很多優勢，絕緣性好、抗電磁干擾能力強、動態范圍大、頻帶寬、重量輕、體積小、安全性高，以及可測交直流信號等優點。它適應了電力系統數字化、智能化和網絡化發展的需要，成為數字化變電站電流信號采集裝置的首選，因此進一步加強對其的研究非常有必要。基于此本文分析了全光纖電流互感器溫度誤差分析與溫度誤差補償。

關鍵詞：全光纖電流互感器;溫度誤差;溫度誤差補償

中圖分類號：TM933文獻標識碼：A

1、全光纖電流互感器系統組成和工作原理

光學電流互感器自20世紀70年代誕生并應用以來，其性能非常優越。如果按照實現方式可以將光學電流互感器分為兩種類型，即磁光玻璃式電流互感器和全光纖電流互感器，該文即對后者進行重點研究和分析。全光纖電流互感器（F0CT）是以光纖為主要載體，用于電流傳感，在整個系統中，每一個元件的裝置都是采用光纖溶解的方式來進行連接，沒有獨立的元件存在，是一個完整的系統。FOCT相較于傳統的電磁式電流互感器，具有結構完整簡單，可靠性高，穩定性好等特點，因為是在光纖的基礎上來制作和裝置光學元件，因此整個系統表現出良好的一致性，工藝上也趨于成熟，抗振性好。FOCT光纖傳感安全靈活簡便，體積小，重量輕，可在多種設備中組合應用，在直流測量中應用效果也良好，適應性很強，應用范圍十分廣泛。因為FOCT沒有其他有源電子式互感器所必須安裝在戶外的電子元件，這使得其可靠性得到大幅提升，更容易滿足電網建設的要求。基于這些優勢，FOCT自應用以來受到業內廣泛關注和認可，逐漸成為現代電子式電流互感器的主流產品。

反射式FOCT系統的組成如圖1所示，其工作原理為：光源發出的平行光經起偏器變為線偏振光，經過45°熔接點后分為兩束偏振方向相互垂直的線偏振光，被相位調制器被調制后，在λ/4波片處分別變為左旋和右旋圓偏振光，受到電流產生的磁場的作用兩束光的偏振面會發生旋轉，兩束光偏振面的旋轉角度大小相等、方向相反，其相位差為兩倍的法拉第相移，即F=2NVI，兩束光被反光鏡反射后偏振態互換，沿著原光路返回再次受到磁場的作用，由于法拉第效應具有非互易性兩束光按原光路返回時法拉第相移加倍，即F=4NVI，最終攜帶相位信息的光到達光電探測器產生電信號，被信號處理部分解調后計算出被測電流的大小。

2、FOCT溫度誤差分析

溫度對FOCS的影響主要體現在對Verdet常數的影響和導致溫致線性雙折射。溫致線性雙折射主要是由于傳感光纖纖芯和包層的熱膨脹系數不同，溫度波動時，纖芯和包層伸展量或收縮量不一致而產生剪切應力，而剪切應力作用在傳感光纖上會進一步引起線性雙折射。Verdet常數隨溫度變化和溫致線性雙折射共同作用會影響FOCS的精度，最終造成FOCS比差隨溫度漂移。

2.1溫度對Verdet常數影響

傳感光纖的Verdet常數是光纖感應磁場能力的1個重要參數，它反映了單位長度的傳感光纖感應外磁場的能力，與FOCS的比差密切相關。然而Verdet常數也會受溫度影響，使其數值V隨著溫度波動而發生改變，其溫度特性為

由式（2）可見，Verdet常數與溫度成線性關系。

2.2溫度對溫致線性雙折射的影響

溫度波動引起熱脹冷縮，纖芯和包層會隨著溫度的變化而導致其長度改變。由于纖芯和包層的熱膨脹系數不同，長度變化也不同。然而纖芯和包層熔接在一起，其長度時刻保持一致，從而使得纖芯和包層受到軸向應力，當該軸向應力作用在不同材料接觸面上，就會在接觸面上產生剪切應力。

2.3線性雙折射對互感器的影響

由于傳感光纖主要采用單模光纖，而單模光纖中存在固有線性雙折射和由于溫度、外力等外部原因引起的雙折射。固有線性雙折射主要是由于光纖中殘余內應力或者纖芯不圓等原因引起的，不會隨著外界的影響而改變。而溫度變化導致的線性雙折射實質上也是應力雙折射的一種，會隨著外界溫度的波動而改變。

3、FOCT溫度誤差補償技術

綜合上述FOCT溫度誤差分析可知，溫度誤差的2個主要來源是：①λ/4波片的初始相位延遲角引入的誤差;②維爾德常數變化引入的誤差。那么是否存在一個合適的φ0，使得在每一個溫度點波片引入的溫度誤差正好與維爾德常數引入的溫度誤差大小相近，正負相反，從而實現系統溫度誤差的相互補償。

同時為了減小折射的影響，可采取以下措施。1）減小光纖固有雙折射。可采用低雙折射率光纖，該光纖在制造過程中，將普通光纖的預制棒繞軸向旋轉，旋轉速度達到每分鐘幾千轉，可大大減小光纖的不對稱性，從而減小光纖的固有雙折射。2）沿軸向扭轉已制好的傳感光纖，在光纖中引入大量的圓雙折射來抑制線性雙折射，使系統保持較高的測量靈敏度和溫度穩定性。3）采用將傳感光纖圈退火的方法可以有效消除彎曲產生的線性雙折射;其缺點是由于高溫退火，使光纖變得異常脆弱，對退火光纖的封裝提出了很高的要求。4）采用與光纖膨脹率相近的封裝材料對傳感光纖圈進行封裝，減小溫度變化引起的線性雙折射。

另外，試驗過程中設定溫度控制箱的溫度變化范圍為-40℃～60℃，溫度控制箱內的溫度從20℃開始每分鐘變化2℃，當溫度達到整十數溫度值時保溫5min，將λ/4波片相位延遲角初始值為86°的光纖傳感環放入溫度控制箱內進行循環測試。直流穩流電源輸出的電流分為兩路，一路通過其數據接口與數據采集卡直接相連，用數據采集卡直接采集電源輸出的數字電流信號并將此路電流信號作為基準;另外一路使用FOCT測量電源輸出到載流導線上的電流，然后通過數據采集卡采集FOCT輸出的電流信號，兩路電流信號通過數據采集卡進入Labview上位機程序進行分析，計算出電流測量值的相對誤差。

總之，目前，制約FOCT應用的主要因素之一是環境溫度對其測量精度的影響，因此，減小環境溫度對FOCT測量精度的影響對其實用化具有重要的意義，需要重點加強對其的研究。

參考文獻

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