基于偏振調(diào)制型全光纖電流互感器的研究

方浚丞，陸安山

(欽州學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，廣西 欽州535000)

1 引言

電流是電力系統(tǒng)測量的基本參數(shù)之一，電流的測量可以為電力系統(tǒng)提供用于計量和繼電保護(hù)所必需的信息，電流測量結(jié)果的準(zhǔn)確度將直接影響計量的精度。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力傳輸容量不斷增加，輸電電壓等級也越來越高，傳統(tǒng)的基于電磁感應(yīng)原理的電流互感器由于存在諸多缺點已經(jīng)難以滿足測量要求，其中最突出的問題是絕緣問題，電壓的提高給電流互感器的絕緣技術(shù)帶來極大的挑戰(zhàn);另外，傳統(tǒng)的電流互感器體積龐大、質(zhì)量重，給生產(chǎn)、維護(hù)和運輸帶來諸多困難［1］。因此，開發(fā)一種新型的高壓大電流的電流互感器成為必然趨勢，并且有著極大的市場潛力。光纖傳感技術(shù)作為一種以光纖為介質(zhì)、光波為載體來感知和傳輸被測信號的新型傳感技術(shù)［2］。這種以光纖作為敏感元件的傳感器具有一系列獨特的、其他介質(zhì)難以相比的優(yōu)點:光波不易受到電磁干擾且自身不對外界產(chǎn)生電磁干擾;光信號和電信號很容易實現(xiàn)互轉(zhuǎn);光纖傳感器測量的動態(tài)范圍大、工作頻帶寬、傳輸損耗低;光纖本身是絕緣體，重量輕、體積小、抗電磁輻射性能好，特別適合于高電壓、空間小及強電磁干擾環(huán)境下使用［3］。另一方面，光纖能夠感受的物理量較多，在實際的光傳輸過程中，光纖容易受如壓力、溫度、電場、磁場等環(huán)境因素的影響。這些環(huán)境因素的變化將引起光強、光頻率、光相位、光偏振態(tài)等光參數(shù)的變化，構(gòu)成了光波和外界環(huán)境交換的基礎(chǔ)，人們?nèi)绻軌驒z測出光參數(shù)的變化就可以知道引起這些參數(shù)變化的物理量(溫度、電場、磁場等)的大小［3］。

2 光纖電流互感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

在本系統(tǒng)的設(shè)計方案中，光源發(fā)出的光經(jīng)過起偏器變?yōu)榫€偏振光，然后進(jìn)入傳感光纖，傳感光纖的輸出進(jìn)入檢偏器檢偏，得到隨電流大小變化的光信號，再經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號，其光路結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。起偏器和檢偏器都使用帶尾纖的，方便光路的連接。檢偏器的核心器件是渥拉斯頓棱鏡，封裝在金屬管中。由法拉第電磁效應(yīng)可知:當(dāng)電流大小為I，傳感光纖匝數(shù)為N時有:

其中，α為法拉第旋角;ν為光纖的費爾德常數(shù);N為光纖繞過載流導(dǎo)體的匝數(shù)。設(shè)起偏器與檢偏器透光軸夾角為，由馬呂斯定律可知，檢偏器輸出光強為:

圖1 光纖電流互感器光路結(jié)構(gòu)Fig.1 Fiber optical structure current transformer

式中，E0為起偏器入射光強。

為獲得輸出光強J的變化對法拉第旋轉(zhuǎn)角α變化的最大靈敏度，令:

可以求得=±45°。它表明檢偏器與起偏器通光軸夾角為±45°時，光探測器對α有最大靈敏度。所以式(2)變成:

當(dāng)法拉第旋轉(zhuǎn)角α較小時，sin(2α)≈2α，故此時線性度也較好。顯然，測出光強大小就可以知道α大小，從而可以利用式(1)間接測量出電流大小。基于上述分析結(jié)果，在本設(shè)計中使檢偏器的兩個檢偏軸與起偏器通光軸的夾角分別為45°和－45°，以獲取最大檢測靈敏度。

3 激光器驅(qū)動電路設(shè)計及光信號處理

在光纖電流互感器中光源是很重要的一部分，它為整個系統(tǒng)提供光信號。在本系統(tǒng)設(shè)計中激光器驅(qū)動電路中的驅(qū)動芯片選用烽火通信集團微電子部生產(chǎn)的激光管驅(qū)動芯片WGS51138。WGS51138是一種高集成、可編程的激光驅(qū)動芯片，最高工作速度為622 Mbps。使用差分PECL數(shù)據(jù)，WGS51138可為發(fā)射激光器提供偏置電流和調(diào)制電流。調(diào)制輸出可直流耦合到激光二極管，使用交流耦合可有效地節(jié)約功耗。WGS51138包含自動功率控制(APC)部分，它能在使用溫度范圍和使用壽命內(nèi)保持恒定的激光輸出功率。驅(qū)動芯片連接圖如圖2所示。

圖2 激光管驅(qū)動芯片連接圖Fig.2 Laser tube driver chip connection diagram

激光光源經(jīng)過起偏器起偏后變成了線偏振光，當(dāng)線偏振光經(jīng)過渥拉斯頓棱鏡后分為兩個輸出端的光強信號分別表示為:

由上式可以看出輸出光信號除了受α角變化影響外，還受光功率E0變化的影響。將J1分解為直流分量和交流分量，直流分量為E0/2，交流分量為(1/2)E0sin2α，將交流分量與直流分量相除可得:

石英玻璃光纖的費爾德常數(shù)為:ν=7.2×10－7rad/A，光纖繞傳感頭的匝數(shù)50匝及最大被測電流1000 A帶入式(1)得，在量程范圍內(nèi)最大法拉第旋轉(zhuǎn)角為:α=νNI=7.2×10－7×50×1000=3.6×10－2rad≈2.06°，因此法拉第旋轉(zhuǎn)角很小，式(2)可近似為sin2α≈2α，即相除后的信號幅值大小與電流大小成線性關(guān)系［4］。信號檢測電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 信號檢測電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Signal detecting circuit configuration diagram

4 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

光纖電流互感器的傳感頭輸出信號是光強信號，而直接對光強信號處理比較困難，需經(jīng)光電轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過前置放大以便后期處理。光探測器是光纖互感器的一個重要組成部分，它的性能指標(biāo)將直接影響檢測電路的性能。光纖電流互感器用的光探測器一般為光電二極管，其作用是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。一般光纖電流互感器對光探測器要求如下:

(1)響應(yīng)頻帶寬，響應(yīng)速度快，動態(tài)特性好;

(2)線性度好，光強信號按比例轉(zhuǎn)換為電信號;

(3)響應(yīng)度高;

(4)性能穩(wěn)定，噪聲小;

(5)暗電流小。

一般光電探測器都有一定的波長選擇性，本設(shè)計所選用的光源中心波長為1550 nm，因此選擇的光探測器也應(yīng)在1550 nm波長有較好的響應(yīng)度。一般Si光電二極管的波長響應(yīng)范圍為200～1000 nm，InGaAs光電二極管的波長響應(yīng)范圍為800～1800 nm。因此應(yīng)選用InGaAs光電二極管作為本設(shè)計的光探測器有較高的響應(yīng)度。設(shè)計選用中國電子科技集團第四十四研究所生產(chǎn)的GD3560J型In-GaAs探測器。其光敏面直徑為0.3 mm。在圖4所示的測試條件下，該探測器的測試數(shù)據(jù)如表1所示，光譜響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖4 InGaAs探測器測試條件Fig.4 InGaAs detector test conditions

圖5 光探測器光譜響應(yīng)曲線圖Fig.5 photodetector spectral response graph

該光探測器響應(yīng)速度快，在1550 nm波長響應(yīng)度高，輸出線性好，很適合用在本系統(tǒng)中。光電轉(zhuǎn)換及交流放大電路如圖6所示。

圖6 光電轉(zhuǎn)換及交流放大電路Fig.6 Photoelectric conversion and AC amplifier circuit

將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過前置放大以便后期處理［5］。本設(shè)計中使用InGaAs光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，由于法拉第旋轉(zhuǎn)角很小，又由式(5)可知，在本設(shè)計中將交流分量和直流分量分別放大處理，因此在圖6中交流放大前先進(jìn)行了隔直處理［6］。光電探測器輸出的電流信號經(jīng)放大電路處理后轉(zhuǎn)換成電壓信號，設(shè)探測器輸出的交流電流大小為I，則運放輸出的電壓V大小為:

本系統(tǒng)所測量對象是工頻交流電，其頻率為50 Hz，而光纖電流互感器的傳感器件存在大量的噪聲，主要來源于光源的噪聲、振動引起的噪聲，因此必須設(shè)計帶通濾波器，以濾除這些噪聲。本系統(tǒng)選用了美國BB公司生產(chǎn)的一款通用的有源集成濾波器UAF42，可廣泛應(yīng)用于低通、高通、帶通、帶阻濾波器設(shè)計，其內(nèi)部包含兩個積分器、一個反相放大器和一個獨立的運放，積分器包含兩個1000 pF精度高達(dá)0.5%的電容，這種結(jié)構(gòu)解決了設(shè)計有源濾波器時難以獲得高精度，低損耗的電容問題。該濾波器屬于連續(xù)時間濾波器，可避免開關(guān)噪聲和一些開關(guān)電容濾波器一些其他問題的影響。為了得到更平滑的波形，使用兩片UAF42設(shè)計一個4階帶通濾波器，設(shè)計帶通濾波器中心頻率為50 Hz，3 dB帶寬為10 Hz［7］。為了使電網(wǎng)頻率在小范圍波動時能夠保持輸出信號不衰減，要求濾波器的頂部較平，因此設(shè)計巴特沃斯類型的帶通濾波器。帶通濾波器的傳輸函數(shù)為:

如圖7所示為帶通濾波器電路圖。

圖7 帶通濾波器電路圖Fig.7 Bandpass filter circuit diagram

5 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

系統(tǒng)測試流程是:先用傳統(tǒng)電流互感器和光纖電流互感器同時測一組數(shù)據(jù)，然后將光纖電流互感器輸出的電壓值作為自變量x，以傳統(tǒng)電流互感器輸出的電流值為因變量y，用最小二乘法進(jìn)行線性擬合;按照電流表的讀數(shù)選取若干個電流值按同樣的方法測三組數(shù)據(jù)，對光纖電流互感器輸出的電壓值取平均值并代入擬合公式算出電流測量值，并以傳統(tǒng)電流互感器的輸出作為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行誤差估算［8］。測試方法如圖8所示。

圖8 光纖電流互感器準(zhǔn)確度測試方法Fig.8 Fiber-optic current transfermer accuracy testing methods

用0.2 S級的傳統(tǒng)電流互感器作為標(biāo)準(zhǔn)測量裝置，其輸出電流與實際電流比為1∶2000，測量結(jié)果如表1所示:

表1 0～1200 A時的測試結(jié)果(T=20℃)Tab.1 0～1200 A test results(T=20℃)

傳統(tǒng)電流互感器輸出電流及光纖電流互感器輸出電壓關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 電流表讀數(shù)與電壓表讀數(shù)曲線Fig.9 Ammeter and voltmeter readings curve

將以上數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，可得公式:

式中，x為電壓表的輸出，將x代入式(6)所計算出來的值y為光纖電流互感器測量的電流值(1∶2000)。

對同一個電流值進(jìn)行三次測量，測量所得的電壓表讀數(shù)取平均值代入式(6)與標(biāo)準(zhǔn)電流測量裝置的輸出結(jié)果進(jìn)行誤差評估。這里電流表的讀數(shù)和通過光纖電流互感器輸出計算出的電流值y都未乘互感器的倍率2000，并不影響準(zhǔn)確度的評估。誤差計算結(jié)果如表2所示。

表2中絕對誤差最大值為1.031048，被測電流為最大值1200 A時電流表輸出為600 mA，故非線性誤差為:

由表2的誤差計算數(shù)據(jù)可知，光纖電流互感器具有良好的線性，在量程范圍內(nèi)達(dá)到了IEC 0.2 S級精度。

6 總結(jié)

隨著社會發(fā)展的步伐越來越快，工業(yè)、居民的用電量在不斷的增加中。為了降低電能在傳輸過程中的損耗，必然將增大輸電電壓，但是傳統(tǒng)的電磁式電流互感器由于體積大，絕緣性能差，充油易爆，存在磁滯、磁飽和等問題越來越難以滿足社會的需求。因此新的電流檢測方式將急需研制，而光纖電流互感器由于其具有優(yōu)良的性能得到越來越多的人重視。本系統(tǒng)主要涉及偏振調(diào)制型全光纖電流互感器的基本原理、光路分析及設(shè)計、傳感頭設(shè)計、信號檢測電路設(shè)計，以及對整個系統(tǒng)的測試。通過對測試系統(tǒng)的不斷調(diào)整，最終測量精度達(dá)到IEC 0.2S級。

表2 0～1200 A誤差計算結(jié)果(T=20℃)Tab.2 0～1200 A error calculation results(T=20℃)

［1］ LI Li，ZHANG Xintian．Its present fiber optic current sensors［J］．Optoelectronic Technology＆Information，2002，15(2):37－41．(in Chinese)李莉，張心天．光纖電流傳感器及其研究現(xiàn)狀［J］．光電子技術(shù)與信息，2002，15(2):37－41．

［2］ ZHAO Yong．Principles and applications of fiber optic sensor technology［M］．Beijing:Tsinghua University Press，2007．(in Chinese)趙勇．光纖傳感器原理與應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2007．

［3］ ZHANG Hongrun．Sensor technology encyclopedia［M］．Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2007．(in Chinese)張洪潤．傳感器技術(shù)大全［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007．

［4］PEI Huandou．All-optical current transformer signal processing system research［D］．Taiyuan:North university of China，2010．(in Chinese)裴煥斗．全光纖電流互感器信號處理系統(tǒng)研究［D］．太原:中北大學(xué)，2010．

［5］ GAO Jinzhan．Weak signal detection［M］．Beijing:Tsinghua University Press，2004．(in Chinese)高晉占．微弱信號檢測［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2004．

［6］ ZHANG Zhipeng，Gambling W A．Fiber optic sensor principle［M］．Beijing:China Metrology Publishing House，1991．(in Chinese)張志鵬，Gambling W A．光纖傳感器原理［M］．北京:中國計量出版社，1991．

［7］ JIA Kai．Fiberλ/4 wave plate and all-optical current transformer research［D］．Shanghai:Shanghai University，2008．(in Chinese)賈愷．光纖λ/4波片和全光纖電流互感器研究［D］．上海:上海大學(xué)，2008．

［8］ ZHENG Yanmin．Improved sagnac loop fiber optic current sensor system and experiment［D］．Xiamen:Xiamen University，2005．(in Chinese)鄭燕敏．改進(jìn)的Sagnac環(huán)路光纖電流傳感器系統(tǒng)與實驗［D］．廈門:廈門大學(xué)，2005．