高光強的全光纖電流互感器設計

關鵬宇，楊耿煌，董 建，灣世偉，灣曉文

（1.天津職業技術師范大學自動化與電氣工程學院，天津 300222；2.揚中智容電力科技有限公司，鎮江 212000）

科技的進步使高壓直流輸電技術得到充分發展[1-3]。互感器是高壓電的主要檢測設備之一，測量數據提供的參數，確保設備可正常運行，如繼電保護等。隨著國家智能電網的發展，電磁式電流互感器逐漸暴露出一些缺陷，如在高壓下難以絕緣、精度不足，體型大、生產成本高等[4]。而全光纖電流互感器（fiber-optic current transformer，FCT）具有優異的電氣絕緣性能、抗雜散電磁場干擾、大動態范圍內的高精度、小得多的體積、集成化、智能化等優勢[5-6]，因此FCT 逐漸成為當前研究熱點[7-9]。在國內，灣世偉[10]團隊應用光電技術設計方案，于2010 年成功研發生產出全光纖電流互感器第一代樣機。然而，該設計方案還存在一些技術問題，如傳感光纖圈的制作工藝困難，器件結構脆弱，成品易受溫度、電壓、散雜磁場影響[11]，且無法保證成品間的一致性。為此，本文提出一種全光纖電流互感器，在室溫環境下測量精度可達到0.2 和5P30 級測量準確度。在溫度變化、散雜磁場以及電壓變化等干擾條件下可以正常工作，且測量的電流準確度符合國家標準[12]。同時，FCT 與電磁式互感器相比，體積更小，易于安裝使用，可滿足電力工業電流測量的工程需要。

1 全光纖電流傳感器工作原理及結構框架

1.1 工作原理

FCT 測電流的原理基于法拉第磁光效應和安培環路定律[13]。先將一束光經過起偏器變成偏振光，再通過法拉第磁性材料，偏振光的振動面將發生偏轉，利用檢測偏轉的角度計算出產生的磁場大小，全光纖電流互感器工作原理如圖1 所示。

圖1 全光纖電流互感器工作原理

由安培環路定律可知，對磁場的積分值只與封閉回路中的電流有關。

式中：φ 為檢測出的偏轉角度；V 為菲爾德常數；H 為磁場強度；L 為光束通過磁光材料的有效長度。

通過式（1）可以計算出磁場強度，再通過安培環路定律可計算出電流i。

光纖電流互感器由傳感單元和光電及信號處理單元2 部分組成。其中，傳感單元包括1/4 波片、傳感光纖圈、反射鏡以及未畫出的封裝結構組成；光電及信號處理單元包括光源、對光束做調制、處理和延遲的光學器件，光電探測器以及信號處理和輸出電路[14]，全光纖電流互感器組成原理圖如圖2 所示。

圖2 全光纖電流互感器組成原理圖

1.2 光電及信號處理單元

光電及信號處理單元的主要功能包括提供光源、對偏振光進行調制以及對傳回的光信號處理成可讀取的電信號。在相位調制器作用下，利用光纖的雙折射性質對2 個正交線偏振光進行同步調制。調制信號的頻率[1]為

式中：τ 為2 個正交線偏振光往返通過延遲光纖和傳感光纖圈所用的時間。反向傳輸的圓偏振光在經過1/4 波片、光纖起偏器和光纖環形器后，到達光電轉換器上的干涉光強[15]為

式中：Id為光檢測器所接受的光強；k 為整個光路的損耗；Is為光源發出的光強；V 為菲爾德常數；N 為傳感光纖圈環繞載流母線的整數匝數；i 為載流母線導體中的待測電流；其中?（t）為光學雙折射相位調制器的調制信號

1.3 傳感單元

在傳感單元中，圍繞導流母線的傳感光纖圈服從安培環路定律。傳感光纖圈環繞導流母線，電流產生的磁場因法拉第磁光效應，而使2 個旋轉方向相反的圓偏振光相互之間產生一個與待測電流呈正比的相位差

式中：θ 為傳感光纖中2 束偏振光之間的相位差（對應于電流的光信號）；i 為流過導流母線的電流（被測的電流）；H 為流過導流母線的電流產生的磁場強度；N為傳感光纖圈的匝數；V 為菲爾德常數（磁光系數）。

2 工作過程及結構

2.1 工作過程

FCT 電流測量步驟如下。

（1）光源發出的線偏振光經過門1 進入光纖環形器，從門2 發出進入光纖起偏器，在此過程中，入射和出射光的偏振方向旋轉90°，光纖環形器示意圖如圖3 所示。

圖3 光纖環形器示意圖

（2）從光纖起偏器射出的線偏振光在保偏光纖偏振軸45°熔接處變成2 個正交的線偏振光，進入相位調制器。

（3）2 個正交線偏振光經過調制后進入延遲光纖，最后到達傳感單元中。

（4）線偏振光到達傳感單元后，被1/4 波片轉換為圓偏振光。

（5）圓偏振光通過傳感光纖后，經過反射鏡反射后改變旋轉方向，沿傳感光纖反向傳播，由于法拉第磁光效應，圓偏振光在傳感光纖中發生偏轉，產生相位差。經過1/4 波片后，變回線偏振光。

（6）線偏振光在光纖起偏器處產生干涉，后經光學環形器的門2 進入，門3 射出，到達光電轉換器，經過光電轉換器將光信號轉變為電信號，依據式（4）求出待測電流。

（7）光電轉換器輸出的電信號進入數字信號處理模塊進行解調，可使用一階諧波分量得到正比于待測電流的電壓信號[16]為

式中：V1為一階諧波分量的電壓信號；J1（?m）為一階貝塞爾函數，可通過式（7）求得待測電流i 的值。

為了降低外界影響導致測量數值波動，如光源的功率波動，通過數字信號處理模塊同時測出一階和二階諧波分量的電壓信號V1（ωm）和V2（2ωm），并利用對應的J1（?m）和J2（?m），得到不受光源波動影響的電流值i

2.2 產品硬件選型

根據原理圖分別對光源、起偏器、調制器、傳感光纖和光電探測器進行選型。光源選擇能產生波長為1 310 nm 的發光二極管，同時配有恒流源電路保證光源能發出均勻穩定的光。起偏器、調制器選用Y 波導調制器，該型號的調制器具有大的調制帶寬以及高偏振消光比等優點，可以提高系統的穩定性和精確性。傳感光纖圈選取高菲爾德常數的傳感光纖，在制作傳感光纖圈時需要彎曲光纖使其閉合成圓，但彎曲過程中會改變光纖內部的應力分布和折射率分布，由此影響FCT 所測信號的強度，造成FCT 測量誤差。因此，選擇高菲爾德常數傳感光纖圈，減少光圈匝數和彎曲部分，達到增強信號強度、減小誤差的目的。光電探測器選擇PINFET 型光探測組件，該組件為集成的一體化模塊，滿足FCT 使用需求。

2.3 產品結構型式

設計的全光纖電流互感器主要由光電單元、高壓絕緣柱體、光學器件和傳感光纖圈構成。光電單元放置在測控室內部，光束由保偏光纖傳輸到高壓絕緣柱體結構底座，經過內置保偏光纖段和高壓絕緣柱體傳輸到在高電壓環境下的傳感單元。在傳感單元中，所有的光學器件都在封裝結構中，包括光束經過1/4 波片、載流導體、傳感光纖圈和反射鏡，整體結構示意圖如圖4 所示。

圖4 整體結構示意圖

3 實驗過程及結果

本實驗對FCT 的基本準確度、溫度循環時準確度、抗電磁干擾以及抗電壓干擾進行測試，測試時使用的主要檢測儀器設備包括電子式互感器數字輸出校驗系統、標準電流互感器HL1582、沖擊發生器裝置CDF-800、沖擊電壓測量系統TZF600-800 和報文記錄及故障錄波分析裝置（網絡分析儀）ZH-5N。

3.1 基本準確度測試

選取2 組不同溫度、濕度環境對FCT 基本準確度進行測試，保證FCT 測量的可行性。

在環境溫度為14℃，相對濕度為57%時，室溫測量結果1 和環境溫度為19 ℃，相對濕度為66%時，室溫測量結果2 如表1 所示。

表1 室溫測量結果

檢測結果表明，在室溫環境下FCT 可達到國家標準的準確度。

3.2 溫度循環準確度測試

由于FCT 測量結果會受溫度影響，所以需檢測其在循環溫度下的測量精度。按照以下條件進行溫度循環測試：①保持額定頻率。②需要施加連續的額定電流。③在測試過程中，FCT 需要一直處于正常工作狀態。④在室外測量時，應在規定的最高和最低溫度下進行測試，溫度范圍為-40 ℃～+70 ℃。溫度循環示意圖如圖5 所示。

圖5 溫度循環示意圖

圖5 中，溫度變化速率為20 K/h，熱時間常數τ 為6 h，最高溫度為70 ℃，環境溫度為20 ℃，最低溫度為-40 ℃。測量結果如表2 所示。

表2 溫度循環測試結果

經檢測，對設備進行溫度循環實驗時，其準確度可以達到國家標準互感器精度。

3.3 抗干擾測試

抗干擾是測試中的一項重要指標，出現擾動時會干擾FCT 的測量結果，嚴重時會影響正常工作。干擾的檢測環境為：溫度17.4 ℃～20.3 ℃，濕度56.3%～69.4%，大氣壓力101.4～101.9 kPa。測試時，合并單元和采集單元的工作電壓為DC220 V，并在一次側施加10%額定電流，用ZH-5N 型故障錄波分析裝置監視二次側運行狀態，電子式互感器校驗儀監測準確度。測試結果分為2 個等級，A 級為在技術要求限值內正常運行；B 級為功能暫時降低或喪失，但在干擾停止后能自行恢復，不需要人為調試。

3.3.1 抗電磁干擾測試

該實驗在電波暗室中完成，設備與天線距離3 m，天線移動高度為1～4 m，存在水平和垂直2 種極化方式，轉臺可360°旋轉，以便檢測出最大輻射干擾值。測試結果如圖6 和圖7 所示。

圖6 輻射干擾測量波形（天線水平極化）

圖7 輻射干擾測量波形（天線垂直極化）

3.3.2 抗電壓干擾測試

在抗電壓干擾方面進行了2 個實驗：一個是電壓慢變化抗干擾測試，在電源端口施加電壓變化各3次，時間間隔為10 s，實驗結果表明可以正常運行，性能評價為A；另一個是電壓暫降和短時中斷抗干擾測試，在電源端口施加電壓暫降和中斷各3 次，時間間隔為10 s，實驗結果表明可以正常運行，性能評價為A。具體參數如表3 和表4 所示。

表3 電壓慢變化抗干擾測試

表4 電壓暫降和短時中斷抗干擾測試

經檢測，對設備進行抗干擾實驗時，設備受電磁和電壓影響小，符合標準A 級限值要求，可以達到國家標準對準確度的要求。

4 結 語

本文研發一種全光纖電流互感器（FCT），該互感器在光電單元中使用光纖環形器提高光束質量，以此來提高后續處理的精度；在傳感單元里導流母線中，電流產生的磁場由于法拉第磁光效應，使傳感光纖中的2 個探測光束發生偏轉，產生一個與待測電流成正比的相位差，對干涉光強進行分析處理即可求得待測電流值。與電磁式互感器相比，FCT 有更好的抗干擾性能、優異的電氣絕緣特性以及更小的體積。經實驗檢測，其準確度符合GB/T 20840.8—2007 互感器標準。在測試時，其在室溫環境下，測量精度可達到0.2 和5P30 級測量準確度。在受溫度變化、電磁干擾、電壓波動影響時，FCT 可以正常運行，測量數據準確度達到國家標準，可滿足電力工業工程需求。同時，FCT 的結構簡單，體積小，集成度高，在智能大電網系統中具有良好的應用前景。