光纖大電流傳感器研究

龐碧波 劉永智 歐中華等

摘 要:以法拉第磁光效應(yīng)為原理的光纖電流傳感器因其無爆炸,抗電磁干擾,絕緣性好,價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),將成為傳統(tǒng)電流互感器的替代品。在此設(shè)計(jì)一種光纖大電流傳感器,介紹該器件的工作原理、傳感頭的結(jié)構(gòu)、光路的設(shè)計(jì)、調(diào)整、兩偏振片夾角的選取。搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光纖電流傳感器在3 kV工作電壓下可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)32 kA連續(xù)或脈沖電流的測量,并有0~32 kA的動態(tài)范圍,而且重復(fù)性和線性度良好,響應(yīng)時(shí)間小于10 μs。

關(guān)鍵詞:光纖傳感器;動態(tài)范圍;法拉第效應(yīng);脈沖電流

中圖分類號:TM452.94

0 引 言

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展, 電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加,運(yùn)行電壓等級越來越高,不得不面對棘手的強(qiáng)大電流的測量問題。一次儀表和二次儀表之間的電絕緣和信息傳遞的可靠性要求可能使傳統(tǒng)的測量手段無用武之地。而在高電壓、大電流和強(qiáng)功率的電力系統(tǒng)中,測量電流的常規(guī)技術(shù)所采用的以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的電流傳感器(簡稱為CT),暴露出一系列嚴(yán)重的缺點(diǎn):由爆炸引起的災(zāi)難性事故的潛在危險(xiǎn);大故障電流導(dǎo)致鐵芯磁飽和;鐵芯共振效應(yīng);滯后效應(yīng);輸出端開路導(dǎo)致高壓;體積大、重量大、價(jià)格昂貴;精度無法做得很高;易受電磁干擾影響。傳統(tǒng)CT已難以滿足新┮淮電力系統(tǒng)在線檢測、 高精度故障診斷、電力數(shù)字網(wǎng)等發(fā)展的需要將光纖傳感技術(shù)引入到電流檢測中的光纖電流傳感器(簡稱 OCS)成為解決上述難題的最好方法。

自從1973年, A J Rogers首先提出光學(xué)電流傳感的想法以來,光纖傳感技術(shù)已發(fā)展了20多年。與普通電磁互感器相比,在高強(qiáng)電流測量應(yīng)用中光纖電流傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)[5]:光纖電流傳感器沒有磁飽和現(xiàn)象,也不像通常的電磁互感器的動態(tài)工作范圍受磁飽和效應(yīng)的限制;光纖電流傳感器抵抗高電磁干擾,對環(huán)境的要求低;光纖電流傳感器可以在較寬的頻帶內(nèi),產(chǎn)生高線性度響應(yīng);光纖電流傳感器體積比較小,安裝使用比較方便等。

總之,光纖電流傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn),尤其是它的絕緣性能好,體積小,成本低,并且頻帶寬,響應(yīng)時(shí)間短,可同時(shí)用于測量直流、交流及脈沖大電流,因此可望成為高壓下測量大電流的理想傳感器。

1 傳感器原理及光路設(shè)計(jì)

光纖電流傳感器利用磁光材料的法拉第效應(yīng),在光學(xué)各向同性的透明介質(zhì)中,外加磁場[WTHX]H[WTBZ]可以使在介質(zhì)中沿磁場方向傳播的平面偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)[5[CD*2]7],偏轉(zhuǎn)角度通過檢偏器可確定。其原理如圖1所示,獴為兩偏振器夾角,θ為平面光通過磁光晶體后發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角。

其旋轉(zhuǎn)角Е扔牘獯播的磁光材料上的磁場中強(qiáng)度[WTHX]H[WTBX]和磁光材料的長度L成正比:當(dāng)[WTHX]Η[WTBX]一定時(shí),旋轉(zhuǎn)的角度θ為:

式中:v為玽erdet常數(shù);[WTHX]Η[WTBX]為磁場強(qiáng)度;L為磁光玻璃長度。通電長直導(dǎo)線磁場公式:

再由式(4)可得:當(dāng)P=P0時(shí),I┆玬ax=2π玶B/vL,只要角B越大,所能測的最大電流值也越大,所以在實(shí)驗(yàn)中常用增大角B的辦法來增大其測量范圍。但在實(shí)際中,角B的增大到一定值后會使光路的調(diào)焦變得更困難,并使小信號更難測量,在以往實(shí)驗(yàn)中一般取B=45°或相差不大的值。г詬檬笛櫓醒∮2 mW的激光器作調(diào)整光源,在第一次調(diào)焦時(shí)把磁光晶體的出射光投到1 m外的地方以便消除可能出現(xiàn)的雙折射,并用光學(xué)膠密封各接合面,使光路調(diào)整更容易操作,因此角獴選擇了80°。上式中,夾角獴在傳感器完工后是定值,因此只要測得P,P0值就可得到電流值。

在光路設(shè)計(jì)中,采用圖2所示結(jié)構(gòu)。暗灰色的箭頭線表示光線在傳感器中的傳輸路徑:光源發(fā)出的光經(jīng)帶自聚焦透鏡的光纖進(jìn)入傳感器,通過蒸鍍反射膜的直角棱鏡的反射改變?yōu)榫€偏振光進(jìn)入磁光晶體,偏振面受磁場調(diào)制的線偏振光經(jīng)過檢偏器和對應(yīng)的直角棱鏡后通過另一帶自聚焦透鏡的光纖進(jìn)入光電探測器。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由式(4)可知,獲得P0,P即可得到被測電流值I。系統(tǒng)構(gòu)框圖如圖3所示。

其中,激光器采用恒流驅(qū)動,提供32 mA 恒定電流。通過出光功率自動控制電路,實(shí)現(xiàn)光功率反饋,將探測到的光電信號與激光器的驅(qū)動電流比較,以達(dá)到及時(shí)調(diào)整激光器工作光功率抖動的目的。

光檢測及放大部分電路實(shí)現(xiàn)了光/電轉(zhuǎn)換,并且對電信號放、濾波,以及分離直流信號和交流信號。原理框圖如圖4所示。

[JP2]信號采集處理部分實(shí)現(xiàn)對直流信號和交流信號分別采集,進(jìn)行處理。記錄下未通電流時(shí)的直流信號U0,作為基準(zhǔn)值,UХ直鷂帶有電流直流、交流信息的檢測值,經(jīng)過運(yùn)算分別出被測電流獻(xiàn) 的直流分量和交流分量。[JP]

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

[JP2]在實(shí)驗(yàn)的傳感頭內(nèi)孔徑獶1=2 cm,外環(huán)直徑獶2=5 cm,底座(即圖2中的plinth)厚度玥=1.1 cm;準(zhǔn)直┢魘仟用能通過635 nm紅光的光纖和聚焦透鏡制成;磁┕餼И體厚度玠=2 cm;verdet常數(shù)玽=-1.17×10-3﹔ad/A;光源輸出功率為1 mW;實(shí)驗(yàn)中分別用連續(xù)電流和脈沖電流對其進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)時(shí)把器件一端接在光源輸出端,另一個(gè)接在輸入端,并把通電導(dǎo)線從缺口橫穿過去就可開始測試。

3.1 用連續(xù)交流電測實(shí)驗(yàn)

在用連續(xù)交流電測實(shí)驗(yàn)中通過讀取光纖電流傳感器輸出的電壓與用標(biāo)準(zhǔn)器件測得的電流進(jìn)行比較,并把所得的電壓值等效為光纖電流傳感器的電流值。在實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)器件使用的是電流互感器。表1是在某測試機(jī)構(gòu)中測得的數(shù)據(jù)。

第一組第二組第三組

電流 /kA電壓 /V電流 /kA電壓 /V電流 /kA電壓 /V

將表1中的電流值作為橫坐標(biāo),電壓值作為縱坐標(biāo)繪制成曲線,如圖5所示?？梢钥闯?電壓與電流是近似成正比的。

從圖5 的數(shù)據(jù)可看到在100~3 000 A范圍內(nèi),系統(tǒng)具有良好的線性度。

3.2 用脈沖電流測實(shí)驗(yàn)

由于一般測試機(jī)構(gòu)中很少測試上萬安的交流電,┩6和圖7是在某測試院中用脈沖電流實(shí)驗(yàn)時(shí)在示波器上顯示的波形圖,上面曲線是通過光纖電流傳感器得到的波形,圖中曲線是通過電流互感器得到的波形。

圖6是用獴=45°、峰值為32 kA的脈沖電流實(shí)驗(yàn)得到的圖像。從圖中可看出光纖電流傳感器在10 kA左右的波形突然向下凹陷。經(jīng)檢驗(yàn)是所測電流超過其最大測量范圍所致,即出現(xiàn)飽和失真。

圖7是獴=80°、峰值為32 kA的脈沖電流實(shí)驗(yàn)得到的圖像。在圖中,用光纖電流傳感器測得的電流波形曲線沒有失真,并且與用電流互感器測得的波形線較好的吻合,說明32 kA的電流在其動態(tài)范圍之中,并且響應(yīng)時(shí)間小于10 μs。

綜合上述實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)在小電流測試時(shí)具有較好的線性度和穩(wěn)定性。在大電流測試中,第一次測試出現(xiàn)了飽和失真,第二次用增大角獴的方法解決了失真的問題,并且動態(tài)范圍較大,響應(yīng)時(shí)間短。其實(shí),由式(4)還可看出,通過增大verdet常數(shù)玽,或磁光晶體長度獿還可以使測量范圍變得更大,但這就需要重新定制、加工磁光[LL]晶體,使成本更高和制作時(shí)間更長。故第一次出現(xiàn)飽和失真后選擇了增大角獴的方法。

4 結(jié) 語

在此用磁光晶體作材料,以法拉第旋光效應(yīng)為原理設(shè)計(jì)和制作了光纖電流傳感器的傳感頭,并用所設(shè)計(jì)的傳感頭搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和進(jìn)行大電流的檢測實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)的傳感器在高電壓下能較準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)32 kA電流的測量。而且該器件結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、響應(yīng)時(shí)間短,具有較好的實(shí)用價(jià)值。

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作者簡介 龐碧波 男,1980年出生,四川人,電子科技大學(xué)光光電信息學(xué)院,碩士研究生。主要從事傳感器及其應(yīng)用的研究。

劉永智 男,1942年出生,四川人,電子科技大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師。目前研究方向?yàn)楣饫w激光器、光纖傳感與光信息處理。