光纖原子磁力儀在電力系統中的應用

李錫熙 李偉德 曾強 龍葵 藍海森

光纖原子磁力儀在電力系統中的應用

李錫熙 李偉德 曾強 龍葵 藍海森

（廣東電網有限責任公司東莞供電局）

在電力系統中，電流是一項重要的監(jiān)測指標?，F有電流傳感器測量精度無法滿足某些精密設備的監(jiān)測要求。為此，提出一種基于原子磁力儀技術的光纖型高精度電流傳感器，電流探測精度可以達到pA量級。利用原子磁力儀技術的高靈敏度和光纖傳感器使用靈活的特性，解決了電力系統中微弱電流檢測難的問題。

電力系統；光纖傳感；原子磁力儀；光子晶體光纖

0 引言

電力系統中，電力設備在運行過程中會受到環(huán)境變化的影響，如溫度、濕度變化、供電電流突變等[1]，導致設備運行狀態(tài)發(fā)生改變，可能使其性能逐漸劣化，最終無法正常運行。特別是電力系統中的某些精密設備，更容易受到環(huán)境影響，若失效可能導致嚴重的社會后果和經濟損失。因此，有必要對電力設備的運行狀態(tài)進行嚴密的在線監(jiān)測[2]。電力設備狀態(tài)監(jiān)測是通過監(jiān)測電力設備的工作參數，如電流、磁場、溫度等，判斷電力設備工作狀態(tài)是否正常。其中，工作電流或工作電流產生的磁場是最為關鍵的監(jiān)測參數。

傳統的電磁式電流傳感器在實際應用中存在安裝困難、抗電磁干擾能力差等問題[3]。光纖電流傳感器結構相對簡單、靈活性好、抗電磁干擾性較強，且具有較高的安全性[4]，但其靈敏度有限，一般只能測量mA級電流的變化，無法實現更精密的測量。

為實現高靈敏度的電流或磁場測量，專家學者們研制了一種基于堿金屬原子的磁力儀。2003年Romalis等提出一種高靈敏度的原子磁力儀，靈敏度達到0.54 fT/Hz0.5，超過同時期的超導磁力儀[5]；2010年通過將氣室加熱到200℃，靈敏度達到160 aT/ Hz0.5的磁場測量[6]；并提出一種基于三軸亥姆霍茲線圈設備抵消空間磁場的技術，有效消除地磁噪聲的影響[7]。伯克利大學的Budker等提出一種基于非線性磁光旋轉的原子磁力儀，靈敏度理論上可達0.3 fT/Hz0.5[8]，并于2006年研制出基于頻率調制的非線性磁光旋轉磁力儀，靈敏度為60 fT/Hz0.5；2010年又提出了基于強度調制的非線性磁光旋轉磁力儀，靈敏度達到了100 fT/Hz0.5[9]。由于這種磁力儀不需要加熱，而且可以工作在地磁環(huán)境中，因此有更多的實際應用價值。

為了保證系統的性能和可靠性，一般的原子磁力儀系統較為復雜，設備龐大。比如需要加熱裝置提高系統靈敏度，或者大型的磁屏蔽裝置隔絕外界磁場。目前原子磁力儀主要應用于生物磁場測量，如腦磁場和心電圖測量，并不適合電力系統的惡劣環(huán)境。為此，本文將光纖傳感的靈活性和原子磁力儀的高靈敏度相結合，提出一種光纖型原子磁力儀，其精度理論上可以達到pA級別，足以滿足電力系統中高精度電流監(jiān)測的需要。

1 原子磁力儀

傳統的光纖電流傳感器是利用磁致旋光效應，通過測量光纖中偏振態(tài)的變化實現對磁場大小的測量，最終轉換為電流大小[10]。磁致旋光效應基于塞曼效應，是一種普遍的自然現象。當磁場作用于物質時，物質分子簡并的基態(tài)或（和）激發(fā)態(tài)會發(fā)生分裂。由于其共振吸收頻率對于左圓、右圓偏振光不同，導致左圓、右圓偏振光通過物質時的吸收曲線和色散曲線有一定差異，即當磁場存在時，左圓和右圓偏振光的相對折射率存在一定差異。磁致旋光效應示意圖見圖1。

圖1 磁致旋光效應示意圖

與傳統光纖電流傳感器不同的是，原子磁力儀基于非線性磁致旋光效應，因而精度比一般的光纖電流傳感器高很多。一束線偏振光在一個充滿原子的介質中沿著磁場方向傳輸，當這束光頻率與原子躍遷頻率接近時，會發(fā)生明顯的磁光旋轉效應。當入射光的強度大到足以擾亂原子的平衡狀態(tài)時，輸出光的偏振態(tài)變化大小與光強有關，此現象稱為非線性磁光旋轉。

原子磁力儀的核心是堿金屬氣體。原子磁力儀系統一般包含兩束激光，一束作為泵浦光，用于使氣態(tài)的堿金屬原子躍遷到飽和狀態(tài)達到非線性條件；另一束光作為探測光[11]。通過檢測探測光經過受激發(fā)堿金屬原子氣體后的偏振態(tài)變化大小實現磁場大小的測量。由于泵浦光的存在，氣態(tài)堿金屬中的磁致旋光效應顯著增強，因此能測量極其微弱的磁場。

通常情況下，原子磁力儀的兩束光是相互垂直的。然而本文提出的光纖原子磁力儀結構是一維的，只能在一個方向上傳輸激光。其借鑒了慢非線性，即泵浦光引起的介質光學性能改變，在去掉泵浦光后仍然可以維持一定時間。因此，可先用泵浦光激勵介質，再用探測光進行探測，而不需要兩束光同時作用[12]。

2 光纖原子磁力儀設計

空心光子晶體光纖是一種纖芯是空氣的光纖，光在纖芯的空氣中傳輸，其纖芯是一個空氣孔，如圖2所示。由于空氣的折射率低于包層有效折射率，光不是靠全內反射，而是靠包層的光子帶隙效應束縛在纖芯中，擁有傳統光纖無法比擬的導光和控光特性。

圖2 空心光子晶體光纖示意圖

光纖原子磁力儀結構如圖3所示，其核心部分是一段密封于空心光子晶體光纖中的堿金屬氣體。

圖3 光纖原子磁力儀結構圖

極化的原子與氣室壁碰撞時，導致去極化，這是影響原子弛豫時間的最主要因素，會使信號展寬，降低系統的靈敏度。為了增加原子弛豫時間，一般采用添加緩沖氣體或者對外壁進行處理兩種方式。添加緩沖氣體的方式，常采用惰性氣體，如氦，降低堿金屬原子的移動速度，減少與外壁碰撞的概率。外壁處理的方式，通常是在外壁內增加一層石蠟，使原子與外壁碰撞過程中去極化概率降低，一般可以碰撞上千次而不去極化。其中，外壁處理相對于添加緩沖氣體更有優(yōu)勢，一方面可降低磁場梯度的影響；另一方面它的信號線寬相對更窄。不過考慮到光纖加工的難度，添加緩沖氣體的方案更容易實現。

激光器中心波長需要根據所選擇的堿金屬原子確定。對于銣原子，其第一線吸收波長為795 nm，而對于銫原子，其第一線吸收波長為894 nm。激光器發(fā)出的光先對堿金屬氣體進行泵浦，使其達到飽和狀態(tài)；同時作為探測光，激光經過堿金屬氣體后由光電探測器接收，通過偏振分析得到激光偏振態(tài)改變的大小。由于其改變大小與磁場大小有關，因此可以得到待測磁場的大小。

一般的原子磁力儀只能測量0磁場附近的磁場變化，量程十分有限，并不能工作在地磁狀態(tài)下。為了擴大量程，同時保證高靈敏度，本系統采用光調制技術。通過對入射的線偏光進行頻率或者強度周期性調制，實現對堿金屬氣體原子的周期性極化。此時，系統的測量中心將發(fā)生改變，從0磁場變?yōu)槭苷{制頻率控制的頻率。

光纖原子磁力儀應用于電力系統，既能發(fā)揮光纖傳輸靈活的優(yōu)勢，又具有原子磁力儀的高靈敏。依靠光纖作為載體，除光纖外的部分，如光源、探測器等設備可以放置在機房內，只需要將光纖鋪設在待測物體上即可。光纖原子磁力儀以光纖的形式介入到電力系統中，對電路系統影響較小，且與電力系統有很好的兼容性，可以滿足電力系統惡劣的工作環(huán)境，保證了系統的可靠性與實用性。

3 結語

隨著電力自動化程度的提高，實時在線監(jiān)測電力系統的電流、磁場等參數顯得尤為重要。本文提出了一種光纖原子磁力儀，可以用于高精度、長距離的電力系統的監(jiān)測，為電力系統正常運轉提供了保障。本系統理論測量精度達到pA級別，可有效識別電力系統中的設備故障，輸電線路故障等問題。為電力系統的長期安全運行提供了保障。

[1] 丁健.光纖傳感技術在電力系統中的應用前景[J].電子世界,2016(23):22.

[2] 史青.光子晶體光纖及其在傳感領域的應用研究[D].天津:南開大學,2010.

[3] 楊愛林.地磁環(huán)境下光學原子磁力儀的研究[D].杭州:浙江大學,2013.

[4] 武創(chuàng).新型光子晶體光纖壓力傳感器[D].大連:大連理工大學,2012.

[5] Seltzer S J, Romalis M V. Unshielded three-axis vector operation of a spin-exchange-relaxation-free atomic magnetometer[J]. Applied Physics Letters, 2004, 85(20):4804-4806.

[6] Dang H B, Maloof A C, Romalis M V. Ultrahigh sensitivity magnetic field and magnetization measurements with an atomic magnetometer[J]. Applied Physics Letters, 2010, 97(15):227.

[7] Higbie J M, Corsini E, Budker D. Robust, high-speed, all-optical atomic magnetometer [J]. Review of Scientific Instruments, 2006, 77(11):596.

[8] Kominis I K, Kornack T W, Allred J C, et al. A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer [J]. Nature, 2003, 422(6932):596-599.

[9] Hovde C, Patton B, Corsini E, et al. Sensitive optical atomic magnetometer based on nonlinear magneto-optical rotation[J].Unattended Ground, Sea, & Air Sensor Technologies & Applications XII, 2010, 7693.

[10] 艾延寶,金永君.法拉第磁致旋光效應及應用[J].物理與工程,2002,12(5):50-51,60.

[11] 劉強.全光銫原子磁力儀系統設計[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2012.

[12] 謝奇峰.NMOR型堿金屬銣原子磁強計的研發(fā)[D].北京:中國科學院大學(中國科學院物理研究所),2017.

Application of Optical Fiber Atomic Magnetometer in Power System

Li Xixi Li Weide Zeng Qiang Long Kui Lan Haisen

(Dongguan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Co., Ltd.)

In the power supply system, the current intensity is an important monitoring indicator. The measurement accuracy of common current sensor cannot meet the monitoring of some precision equipment. This paper presents a fiber-optic high-precision current sensor based on atomic magnetometer technology. Its current detection accuracy can reach the order of pA, which is much higher than the existing measurement methods. The high sensitivity of the atomic magnetometer and the flexible nature of the fiber optic sensor can solve the problem of weak current detection in the power system.

Power Supply System; Optical Fiber Sensing; Atomic Magnetometer; Photonic Crystal Fiber

李錫熙，男，1975年生，本科，工程師，主要研究方向：輸配電及用電工程。E-mail: 1673088@qq.com

李偉德，男，1982年生，本科，高級工程師，主要研究方向：輸配電及用電工程。

曾強，男，1970年生，本科，高級工程師，主要研究方向：輸配電及用電工程。

龍葵，男，1989年生，碩士，主要研究方向：輸配電及用電工程。

藍海森，男，1989年生，本科，工程師，主要研究方向：輸配電及用電工程。