全光纖電流互感器精度影響因素及抑制方法研究

張學(xué)彥 周忠新

摘要：電流互感器器是電力系統(tǒng)中的測(cè)量元件，部分繞組甚至是計(jì)量元件，對(duì)于其精度的各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中有明確要求。這些誤差的要求在全光纖電流互感器上是相同的，部分誤差是系統(tǒng)誤差無法避免，如法拉第旋光效應(yīng)帶來的誤差，部分誤差是結(jié)構(gòu)誤差或者是方法誤差，如線性雙折射，這是光纖自身就存在的誤差，但由于檢測(cè)的物理量也是雙折射，這兩種雙折射產(chǎn)生了疊加效果，而磁致圓雙折射和殘余雙折射沒有明顯的差異，在檢測(cè)過程中無法區(qū)別，增加了檢測(cè)誤差，應(yīng)用在小電流檢測(cè)場(chǎng)景時(shí)，由于磁場(chǎng)的強(qiáng)度與電流大小呈正相關(guān)，因此法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的圓雙折射量級(jí)較小，由電流產(chǎn)生的磁致圓雙折射幾乎被線性雙折射所湮沒，無法避免光強(qiáng)受線性雙折射擾動(dòng)，電流測(cè)量值引起得波動(dòng)對(duì)結(jié)果干擾明顯，為了提高精度，降低直至克服線性雙折射是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這直接影響全光纖電流傳感器的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光纖互感器；精度分析；影響因素

1引言

電流互感器器是電力系統(tǒng)中的測(cè)量元件，部分繞組甚至是計(jì)量元件，對(duì)于其精度的各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中有明確要求。這些誤差的要求在全光纖電流互感器上是相同的，部分誤差是系統(tǒng)誤差無法避免，如法拉第旋光效應(yīng)帶來的誤差，部分誤差是結(jié)構(gòu)誤差或者是方法誤差，如線性雙折射，這是光纖自身就存在的誤差，但由于檢測(cè)的物理量也是雙折射，這兩種雙折射產(chǎn)生了疊加效果，而磁致圓雙折射和殘余雙折射沒有明顯的差異，在檢測(cè)過程中無法區(qū)別，增加了檢測(cè)誤差，應(yīng)用在小電流檢測(cè)場(chǎng)景時(shí)，由于磁場(chǎng)的強(qiáng)度與電流大小呈正相關(guān)，因此法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的圓雙折射量級(jí)較小，由電流產(chǎn)生的磁致圓雙折射幾乎被線性雙折射所湮沒，無法避免光強(qiáng)受線性雙折射擾動(dòng)，電流測(cè)量值引起得波動(dòng)對(duì)結(jié)果干擾明顯，為了提高精度，降低直至克服線性雙折射是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這直接影響全光纖電流傳感器的應(yīng)用。

在工程應(yīng)用中，特別是在配電網(wǎng)絡(luò)中，互感器常年工作在戶內(nèi)外、敞開環(huán)境下，氣候環(huán)境惡劣，寒來暑往，晝夜交替，自然條件下溫度的變化是劇烈的，線性雙折射的影響程度與溫度的起伏變化關(guān)系密切，降低溫度產(chǎn)生的波動(dòng)對(duì)測(cè)量精度和測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性有深刻的意義。降低線性雙折射變化對(duì)互感器測(cè)量結(jié)果的影響，提高光纖電流傳感器的溫度穩(wěn)定性，是提高互感器測(cè)量精度的主要途徑，也是制造互感器技術(shù)路徑的選擇依據(jù)。同時(shí)利用逆磁材料降低光纖對(duì)溫度影響系統(tǒng)測(cè)量的敏感性，提高測(cè)量的穩(wěn)定性，也是在材料選擇方面的關(guān)鍵步驟。

2線性雙折射的成因

相對(duì)于理想全光纖電流傳感器模型，應(yīng)用中的測(cè)試光纖受外界多種因素影響影響，這種影響與需要測(cè)量的電流磁場(chǎng)疊加在一起，改變類理想模型下其光纖雙折射振值，甚至掩蓋了電流磁場(chǎng)產(chǎn)生的效果。理論分析中提及的單模光纖，其橫截面結(jié)構(gòu)應(yīng)該是完全的軸對(duì)稱圓形，在此前提下，將任意偏振光分解為兩束正交偏振光，這兩束正交偏振光在單模光纖中傳輸時(shí)其初傳播常數(shù)是相同的，不存任何關(guān)聯(lián)情況，因此在理想的傳播過程中，兩束偏振光之間的狀態(tài)不會(huì)改變，最終合成輸出時(shí)偏振態(tài)應(yīng)該沒有變化。但限于光纖的制造工藝、光纖在布防過程中受到的不均勻力、以及扭曲、熱變形、壓力等多種實(shí)際條件，光纖中傳波的兩束正交偏振模光會(huì)出現(xiàn)：耦合、相位變化等問題，這種兩個(gè)正交偏振光模傳播常數(shù)不同的現(xiàn)象被稱為光纖雙折射。通常，光線在光纖中傳播時(shí)有很多種折射的分類方法，一般較為常見的是線性雙折射和圓雙折射：線性雙折射主要引起正交的線偏振光傳播常數(shù)不同；圓雙折射則引起正交的左右旋圓偏振光傳播常數(shù)不同。光學(xué)材料的折射率的各向異性分布將導(dǎo)致光傳播的線性雙折射發(fā)生在這種光學(xué)材料中，線偏振光的情況也與此相似，由于兩個(gè)正交電場(chǎng)傳播速度不等，演變?yōu)楣饩€經(jīng)光纖中的傳播后相位差變化，原本以線偏振光形態(tài)傳導(dǎo)的光線，在上述影響下發(fā)生變化，部分以橢圓偏振光的形式傳導(dǎo)。

分析傳感光纖中的線性雙折射產(chǎn)生的主要原因，可以歸納為以下幾個(gè)方面：不均勻應(yīng)力產(chǎn)生的雙折射，拉制過程中冷卻不均勻以及某一方向上的外力使包裹層產(chǎn)生形變，這些細(xì)微的因素都將不可避免的帶來雙折射，產(chǎn)生這類雙折射的準(zhǔn)用稱謂為本征雙折射，或殘余雙折射，主要原因是制造工藝，在批量生產(chǎn)中控制工藝的差別，造成了光纖固有的隱疾；外部條件的變化，如振動(dòng)、溫度變化也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生雙折射，特別是溫度的變化也會(huì)產(chǎn)生線性雙折射，因?yàn)闇囟鹊淖兓枪饫w受力不均，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，形變會(huì)進(jìn)一步造成使折射率發(fā)生變化，且這種折射率的變化分布不均勻；還有一些裝配環(huán)節(jié)會(huì)帶來誤差，傳感頭組裝、環(huán)形結(jié)構(gòu)繞制，難免會(huì)讓光纖受到到了來自于垂直和彎曲兩個(gè)平面上的力，兩個(gè)力合成后會(huì)產(chǎn)生不均勻的受力的結(jié)果。線性雙折射對(duì)整個(gè)測(cè)量過程都影響很大，特別是多個(gè)光纖部件級(jí)聯(lián)使用，其影響因子會(huì)連乘在一起，誤差會(huì)產(chǎn)生累計(jì)產(chǎn)生放大的效果，必須采取有效措施，針對(duì)性降低或者減少線性雙折射的影響，保證測(cè)量精度。

3線性雙折射的抑制方法研究

3.1線性雙折射的抑制途徑

為降低殘余線性雙折射，優(yōu)先選擇的是使用超低雙折射光纖來代替普通的單模光纖，這種性能更加優(yōu)良的光纖可以大幅降低雙折射的影響，普通單模光纖的線性雙折射在103°/m左右，而一般用做傳感光纖的低雙折射光纖，國(guó)內(nèi)可以達(dá)到≤2.6°/m，國(guó)外可以達(dá)到0.75°/ m 的水平；還可以在材料使用上進(jìn)行改進(jìn)，選擇光纖內(nèi)部雙折射發(fā)生幾率較小的光纖，如雙折射光纖、超低光纖等，同時(shí)還有光纖傳導(dǎo)方面研究結(jié)論顯示，當(dāng)光纖中的圓雙折射增加后，特別是大量引入圓雙折射，光纖中的線性雙折射的數(shù)量就會(huì)降低，抑制效果佳。

提高圓雙折射的方法有很多種，但較為有效的有兩種方法：改變光纖的傳感器的繞制結(jié)構(gòu)，使其成為環(huán)形結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)保證了可以獲得一定量的圓雙折射；另一個(gè)常用的方法高圓雙折射光纖，這種光纖是經(jīng)過特殊工藝處理，高折射率高，材料選用的同時(shí)在加上特殊的旋扭工藝，雙管齊下提高圓雙折射效果，但這樣做也有兩方面的缺點(diǎn)，一是單純的旋轉(zhuǎn)會(huì)使光纖硬度提高，彎曲半徑增加，容易發(fā)生斷裂；二是高圓雙折射光纖對(duì)溫度敏感性很強(qiáng)，一旦外界溫度發(fā)生變化，光纖的性能會(huì)隨之發(fā)生變化，需要良好的溫度補(bǔ)償措施，需要溫度補(bǔ)償措施。所以，可以綜合以上兩種方法，采用超低雙折高園射光纖，將其布置為圓形結(jié)構(gòu)并在徑向扭轉(zhuǎn)的方式來提高園折射，消除部分線性雙折射的影響。

3.2逆磁光纖溫度補(bǔ)償機(jī)理

使用上節(jié)的環(huán)形互感器結(jié)構(gòu)，采取上節(jié)采用的方法提高園雙折射抑制線性雙折射，但高圓雙折射光纖受溫度影響的弱點(diǎn)也暴露出來。前期進(jìn)行此種方案嘗試時(shí)，也多在溫度補(bǔ)償方面留下不足。今年來，隨著基礎(chǔ)材料物理的進(jìn)展，逆磁光纖的發(fā)現(xiàn)解決這一問題。

朗之萬是量子物理學(xué)的奠基人之一，它的理論能較為準(zhǔn)確的解釋物質(zhì)具有抗磁性的原因。1905年朗之萬在洛倫茲經(jīng)典電子理論的基礎(chǔ)上首次對(duì)抗磁性做出了定量解釋。Kittel結(jié)合朗之萬的相關(guān)理論，從而發(fā)展出成熟的抗磁性理論。在自旋狀體的電子，受到外施加磁場(chǎng)作用會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁距，影響電子軌道磁距和自旋磁距等狀態(tài)，當(dāng)這種自身狀態(tài)的變化的產(chǎn)生抵消外施磁場(chǎng)影響，即誘導(dǎo)磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)方向相反，這就是抗磁性現(xiàn)象。究其產(chǎn)生的原因，是復(fù)雜的量子態(tài)過程，利用宏觀模型類比，磁力線穿過電子運(yùn)動(dòng)的軌道，產(chǎn)生了使電子加速的效果，電子帶負(fù)電，加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了新的磁場(chǎng)，與外施磁場(chǎng)方向恰好是逆向，磁化率為負(fù)，抵消了外施磁場(chǎng)的效果，在宏觀上表現(xiàn)為物質(zhì)不受磁場(chǎng)影響。量子力學(xué)理論下，一切物體都具備上述現(xiàn)象特性，但在有些現(xiàn)象中它們表現(xiàn)出磁化效果，是因?yàn)榉强勾呕镔|(zhì)，磁化效應(yīng)更強(qiáng)烈，總體表現(xiàn)出來的是磁化效果，但將觀察尺度縮小，直至原子、離子尺度，這種抗磁現(xiàn)象顯現(xiàn)出來。

進(jìn)一步的深入研究，一些表現(xiàn)出逆磁效果的物質(zhì)，如逆磁玻璃、逆磁纖維，其原子結(jié)構(gòu)中不存在永久的電子軌道磁矩，因此外加磁場(chǎng)后，只會(huì)產(chǎn)生很小的誘導(dǎo)磁矩，且方向與磁場(chǎng)方向相反。相對(duì)而言，普通玻璃的組成原子，是以網(wǎng)絡(luò)形成體和網(wǎng)絡(luò)修飾體離子形式存在的，它們的機(jī)構(gòu)類似惰性氣體的電子層結(jié)構(gòu)，沒有未配對(duì)的電子，如四價(jià)硅離子、鈉離子、鈣離子、二價(jià)鉛離子、二價(jià)鋇離子等，體現(xiàn)出逆磁性。1985年，Kazuo Shiraishi等人研究溫度在10～90℃FR-2 逆磁玻璃和FR-5 順磁玻璃費(fèi)爾德的溫度關(guān)聯(lián)性，并以圖像的形式闡釋了變化趨勢(shì)，F(xiàn)R-5體現(xiàn)出明顯變化趨勢(shì)，Verdet常數(shù)與溫度有線性變化關(guān)系，為逆相關(guān)；逆磁玻璃FR-2與其表現(xiàn)相反，如圖1所示，Verdet常數(shù)基本未發(fā)生變化，盡管溫度同樣變化劇烈。

進(jìn)一步研究逆磁玻璃的Verdet系數(shù)特性，熱膨脹會(huì)影響其數(shù)值的變化，值受溫度影響很小，這是一種良好的光纖制備材料，以此為材料的光纖，不會(huì)受溫度的影響，特別是加長(zhǎng)光纖的長(zhǎng)度后也不會(huì)產(chǎn)生Verdet常數(shù)的大幅變化，這是材料科學(xué)進(jìn)展為設(shè)備制造帶來的變革。

3.3提高逆磁光纖的Verdent常數(shù)

通過研究鍺硅酸鹽玻璃中不同PbO成分變化與Verdet系數(shù)大小的關(guān)系，有了這樣的結(jié)論：PbO含量與Verdet系數(shù)大小正相關(guān)。隨后對(duì)幾種玻璃效果較為優(yōu)異磁光玻璃組分分布進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)Verdet常數(shù)變化與金屬氧化物的含量變化的趨勢(shì)也是相同的，但在BCG 三元系統(tǒng)中，這種增加的趨勢(shì)是逐漸趨于減小的，逐步趨向于穩(wěn)定值，；在BPGB四元系統(tǒng)中結(jié)論卻不成立。工程實(shí)踐中，選取TeO2、PbO和H3BO3三種化合物，H3BO3 的摩爾比例固定為2%（H3BO3主要作用的粘合劑），TeO2和PbO按不同的比例混合均勻，放入馬弗爐中燒制，多次燒制，確定合適的溫度；同時(shí)也確定最佳TeO2、PbO的摩爾比，經(jīng)檢測(cè)，最終確定的摩爾比為（4：6）98%。

光纖制備主要分為多模光纖和單模光纖兩個(gè)部分。一是制作多模光纖，反射層直接用聚乙烯材料。這種方式簡(jiǎn)單，成本低，但是纖芯比較粗，保護(hù)層與纖芯直接接觸，光纖在彎曲或者受力時(shí)，容易斷裂，曲率半徑比較大。但是作為電流互感器的傳感光纖，傳感部分本身半徑就比較大，光纖被固定在傳感環(huán)內(nèi)部，產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象通過后面信號(hào)處理單元補(bǔ)償，所以不影響整體的使用。二是制作單模光纖，反射層與纖芯都是逆磁玻璃成份，但折射率小于纖芯。這種制作方式要在傳統(tǒng)光纖拉絲技術(shù)上改進(jìn)，先用MCVD方法制作預(yù)制棒，對(duì)預(yù)制棒尺寸等進(jìn)一步加工，拉絲塔工作參數(shù)的調(diào)正，比如，拉絲環(huán)境溫度、濕度、馬達(dá)速度等。這種光纖優(yōu)點(diǎn)是曲率半徑小，不易被折斷，損耗小。

本世紀(jì)光纖的價(jià)格大幅下降，主要是光纖的制造工藝有了大幅提升，成品提高，其中較為成熟的工藝方法是利用不同溫度下物質(zhì)沉積作用，在氣態(tài)對(duì)光纖預(yù)制棒進(jìn)行制造，如圖2所示，典型的“one、two”制造工藝。

在芯棒拉絲前必須對(duì)其進(jìn)行處理，這是眾所周知的，強(qiáng)度和強(qiáng)度分布的預(yù)拉伸纖維強(qiáng)烈地依賴于初始纖維預(yù)制件的質(zhì)量，特別是其表面質(zhì)量。預(yù)制棒表面難免會(huì)存在雜質(zhì)粒子，不少還有細(xì)微的裂紋，不處理直接高溫拉伸后，會(huì)遺留缺陷，這些缺陷會(huì)留在光纖的表面，光纖表面裂紋和微晶就是在這個(gè)環(huán)節(jié)未處理好而遺留的拉成后的缺陷。因此，為了克服這一問題，為了制備連續(xù)長(zhǎng)度和高強(qiáng)度的光纖，需要在拉拔工藝之前對(duì)這些表面缺陷進(jìn)行修復(fù)和消除。要生產(chǎn)復(fù)合使用要求的預(yù)制棒，就需要對(duì)光纖預(yù)制棒現(xiàn)行處理，主要的處理的部分是其外表面，處理的方案主要有三個(gè)步驟：采用有機(jī)溶液（Etoth、Meoh、丙酮等有機(jī)溶液）預(yù)處理，完成后再經(jīng)酸蝕后，最后完成火焰拋光工藝。

4總結(jié)

本文主要分析了在分析光纖電流傳感器測(cè)量精度的影響因素，溫度、震動(dòng)及線性雙折射。分析了線性雙折射產(chǎn)生的原因、帶來的危害，分析了利用提高圓折射抑制性雙折射的方案；在解決溫度對(duì)測(cè)量影響方面，采取了使用逆磁材料制備光纖的方案，采用重金屬碲酸鉛為基質(zhì)玻璃，摻雜稀有元素制造磁光光纖，提高溫度不相關(guān)性的同時(shí)，也提高了法拉第效應(yīng)。

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