大直流光纖電流檢測系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

王樂建，胡軍

（1兗礦科澳鋁業(yè)有限公司，山東鄒城 273515；2山東省冶金工業(yè)總公司，山東濟南 250014）

經(jīng)驗交流

大直流光纖電流檢測系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

王樂建1，胡軍2

（1兗礦科澳鋁業(yè)有限公司，山東鄒城 273515；2山東省冶金工業(yè)總公司，山東濟南 250014）

為解決霍爾直測式傳感器測量電流誤差大的問題，兗礦科澳鋁業(yè)有限公司設(shè)計開發(fā)鋁電解大直流光纖電流檢測系統(tǒng)。通過改進傳感系統(tǒng)方案，建立動態(tài)檢測數(shù)學(xué)模型，搭建傳感器及其信號解調(diào)系統(tǒng)，并提出溫度等參數(shù)影響補償方法。應(yīng)用表明，傳感器達到了直流大電流0.2%的測量精度要求。

電流傳感器；光纖；測量精度；信號解調(diào)系統(tǒng)

1 前言

隨著科技生產(chǎn)力的發(fā)展，直流用電量越來越大，直流大電流測量技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和科研試驗中有著較為廣泛的應(yīng)用。目前，在冶金、化工和電力行業(yè)，直流大電流測量技術(shù)大都采用霍爾磁電式電流傳感器，受溫度影響其誤差較大，測量技術(shù)水平還不能滿足工業(yè)發(fā)展的要求。兗礦科澳鋁業(yè)有限公司的306 kA直流電流電解槽系列，原采用的是霍爾磁電式電流傳感器，測量誤差在9 k～12 kA左右，相對誤差＞3%，且隨著外界溫度的變化，測試精度也會發(fā)生變化，較大的測量誤差和不確定性給生產(chǎn)和電力系統(tǒng)控制帶來了較大困難，對電解生產(chǎn)工藝也有著直接的影響。

以處于強磁場、高溫及多塵等復(fù)雜環(huán)境下的直流大電流檢測系統(tǒng)為研究對象，基于Faraday磁光效應(yīng)對全光纖電流傳感器進行應(yīng)用基礎(chǔ)研究。設(shè)計全光纖直流大電流檢測系統(tǒng)方案，利用Jones矩陣法與偏振態(tài)演化法結(jié)合，建立電流檢測系統(tǒng)物理和數(shù)學(xué)模型。結(jié)合光學(xué)器件的偏振演化和溫度等環(huán)境影響特性，建立動態(tài)反饋補償檢測模型，構(gòu)建閉環(huán)式全光纖電流檢測系統(tǒng)。然后采用信號相關(guān)算法，提取混疊在復(fù)雜噪聲中的微弱傳感信號。實驗分析串?dāng)_與信號調(diào)制等因素對系統(tǒng)響應(yīng)死區(qū)、靈敏度的影響，改善參數(shù)選擇，增加系統(tǒng)對有效相位變化的測量靈敏度，引入相應(yīng)的去相關(guān)機制，有效抑制串?dāng)_形成的死區(qū)現(xiàn)象，最終實現(xiàn)全光纖直流大電流檢測系統(tǒng)性能的整體提高。在10 k～500 kA的測量范圍內(nèi)將誤差控制在0.2%以內(nèi)，為直流大電流的測量提供一種高精度、穩(wěn)定可靠的手段，同時為電解工藝的進一步改善提供可靠的保障。

2 直流大電流檢測系統(tǒng)開發(fā)及優(yōu)化

光纖電流傳感器是基于磁光效應(yīng)并利用偏振光的干涉進行檢測且以光纖傳導(dǎo)信號的光纖電流傳感裝置。在分析器件性能、外界環(huán)境等對系統(tǒng)穩(wěn)定性、測量精度影響的基礎(chǔ)上，改進傳感系統(tǒng)方案，建立動態(tài)檢測數(shù)學(xué)模型，搭建傳感器及其信號解調(diào)系統(tǒng)，并提出溫度等參數(shù)影響補償方法，構(gòu)建適用于強磁場、高溫、多塵等復(fù)雜環(huán)境下的直流大電流檢測系統(tǒng)。

1）光纖電流傳感器偏振光干涉理論及數(shù)學(xué)建模分析。根據(jù)磁光效應(yīng)，從偏振態(tài)的角度詳細分析偏振態(tài)變化的每個物理過程，針對反射式光纖電流傳感器進行理論分析計算，建立反射式電流傳感器的數(shù)學(xué)模型。結(jié)合金屬電解直流大電流檢測的測量范圍和測量精度等參數(shù)要求，對系統(tǒng)中的光學(xué)器件進行選型設(shè)計。

2）直流大電流檢測需求及光纖電流傳感器方案改進設(shè)計分析。在對傳感器設(shè)計方案傳感機理和性能特點分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮測量范圍、精度、穩(wěn)定性等主要性能參數(shù)［1］，通過改善光纖的固有雙折射，增大法拉第轉(zhuǎn)角，并利用Faraday效應(yīng)的互易性，對傳感結(jié)構(gòu)進行改進，建立反射式光纖電流傳感器模型。

3）系統(tǒng)誤差源及動態(tài)反饋補償檢測模型分析。對選擇的光學(xué)器件尤其是偏振器件進行光學(xué)性能以及外界溫度等參數(shù)影響實驗，分析器件指標變化規(guī)律，找出由起偏器誤差、調(diào)制器偏振調(diào)制誤差、λ/4波片誤差和光纖傳感頭線性雙折射誤差等主要誤差源的影響補償方式，在系統(tǒng)中引入動態(tài)方波偏置和數(shù)字相位斜坡反饋，采用方波調(diào)制提高測量靈敏度，采用階梯波反饋克服響應(yīng)非線性和增大測量范圍，使光纖電流傳感器工作在靈敏度最高、自源性誤差實時補償?shù)牧阆辔坏臓顟B(tài)。

4）信號算法研究分析。對相關(guān)解調(diào)算法進行理論推導(dǎo)，結(jié)合直流大電流檢測要求，分析其優(yōu)缺點，提出消除初始光強和調(diào)制深度對測量結(jié)果影響的方法，對比分析全光纖電流傳感器理論模型中光電探測器輸出信號和調(diào)制信號的特征，設(shè)計根據(jù)特征點幅值的解調(diào)方法，并且根據(jù)光電探測器輸出信號的預(yù)處理情況，對直流耦合和交流耦合進行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，利用相關(guān)軟件進行幅值解調(diào)算法仿真計算。

5）死區(qū)及響應(yīng)靈敏度檢驗的分析。在高精度全光纖電流傳感器中，需要進行適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)參數(shù)選擇，以削弱干擾通道影響，增加系統(tǒng)對有效相位變化的測量靈敏度，同時還需要在調(diào)制與解調(diào)信號間引入相應(yīng)的去相關(guān)機制，保證在解調(diào)環(huán)節(jié)有效抑制串?dāng)_形成的死區(qū)現(xiàn)象，提高系統(tǒng)性能［2-3］。

6）現(xiàn)場實驗測試及性能改進。將設(shè)計的全光纖直流大電流傳感器安裝于鋁電解生產(chǎn)的總直流側(cè)（約為320 kA），對系統(tǒng)在強磁場、高溫等復(fù)雜環(huán)境下進行長期實驗測試。主要考察設(shè)計系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈敏度以及測量精度等指標。尋求誤差產(chǎn)生的原因，并對設(shè)計系統(tǒng)進一步改進。

3 應(yīng)用效果

1）根據(jù)鋁電解大直流傳感器現(xiàn)場安裝的需要，利用鋁合金設(shè)計光纖傳感環(huán)的安裝結(jié)構(gòu)，將其安裝在電流輸出大母線上，傳感光纖布設(shè)在鋁合金框架內(nèi)，安裝后的整體系統(tǒng)包括光纖傳感頭、信號處理器及信號傳輸設(shè)備。信號利用光纜進行傳輸，傳輸至控制室上位機進行數(shù)字信號處理。

2）現(xiàn)場測量實時顯示主要包括實時電流曲線顯示和實時電流值顯示。通過電流值的顯示，可以直觀地看出當(dāng)前電流值的大小，通過實時曲線可以看出電流變化的趨勢。

3）工業(yè)試驗表明，采用基于Faraday電磁效應(yīng)，開發(fā)設(shè)計全光纖直流大電流傳感器，在廣泛進行實驗室實驗研究、現(xiàn)場測試的基礎(chǔ)上，最終實現(xiàn)了0.2%的測量精度要求。

4 結(jié)語

鋁電解大直流光纖電流傳感器及其信號解調(diào)系統(tǒng)開發(fā)和工業(yè)化應(yīng)用項目的實施，從根本上解決了霍爾直測式傳感器存在的溫漂和強磁場影響等問題，得到高精度的大直流檢測，為電解工藝參數(shù)的控制、調(diào)整提供準確的參數(shù)依據(jù)，對電解系統(tǒng)的生產(chǎn)具有重要意義。并且準確的直流計量能夠真實地反映整流柜實際的輸出電流，提高了整流供電系統(tǒng)的安全性。兗礦科澳鋁業(yè)有限公司現(xiàn)有172臺電解槽，年產(chǎn)量大約為14萬t，噸鋁耗電15 000 kW/ h，按照提高測量精度2%來計算，可以實現(xiàn)約4 200萬kW/h的精確計量，為生產(chǎn)控制和電能優(yōu)化配置提供了準確可靠的數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)節(jié)能及設(shè)備運行維護費用效益達800萬元以上。大直流光纖電流傳感器的優(yōu)化及應(yīng)用，體現(xiàn)了光纖傳感器在強磁場環(huán)境下的應(yīng)用潛力。

［1］王昌長，李福祺，高勝友.電力設(shè)備的在線監(jiān)測與故障診斷［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［2］朱德恒，嚴璋.電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［3］謝志萍.傳感器與檢測技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

TM933.1

B

1004-4620（2017）01-0069-02

2016-07-24

王樂建，男，1971年生，2011年畢業(yè)于山東省委黨校經(jīng)濟管理專業(yè)?，F(xiàn)為兗礦科澳鋁業(yè)有限公司工程師，從事生產(chǎn)管理工作。