全光纖電流互感器傳感機理建模分析

褚光

摘要：近年來，隨著電力工業(yè)的快速持續(xù)發(fā)展，電網的運行電壓等級也在不斷地提高，高電壓、大電流的電力系統設備的不斷投運，對一次和二次側的絕緣要求以及信號的可靠傳遞提出了更高的要求，也對傳統的測量方法產生了巨大的挑戰(zhàn)。電流互感器作為測量環(huán)節(jié)中的一個重要組成部分，在特高壓、大電流的系統中，傳統的電磁式電流互感器也暴露出了一系列的嚴重問題，新型電流互感器已經成為當前的一個研究熱點，得到越來越多的企業(yè)和用戶的關注，需要重點加強研究?；诖吮疚姆治隽巳饫w電流互感器傳感機理建模。

關鍵詞：全光纖電流互感器;傳感機理;建模

中圖分類號：文獻標識碼：A

1、全光纖電流互感器傳感機理

全光纖電流互感器（fiber-optical current transformer，FOCT）作為一種新型的測量裝置，具有體積小、重量輕、絕緣結構簡單、測量動態(tài)范圍大、精度高、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點，而且無磁飽和及鐵磁諧振及二次開路等問題。在電力系統、鐵路系統、電解工業(yè)等領域里有著廣闊的應用前景。

1.1基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器的工作原理

基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器的工作原理如圖1所示。該FOCT基于法拉第磁光效應，由光源發(fā)出的光經起偏器形成線偏振光，再經過耦合透鏡及傳輸光纖到達高壓傳感頭，進入傳感光纖。由于被測電流在周圍產生磁場并根據法拉第效應，線偏振光在與其傳播方向平行的外界磁場的作用下通過傳感光纖時，其光波偏振面將發(fā)生旋轉。最后光波經過耦合透鏡、檢偏器到達光電轉換器，進行信號采集，并將轉化后的電信號輸入到信號處理裝置。

1.2基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器的工作原理

基于干涉檢查方法的全光纖電流互感器一般基于Sagnac效應，典型的Sagnac結構的光纖電流互感器如圖2-2所示。電流在導線傳輸時，會在導線周邊產生磁場，在磁場的作用下，兩束具有相同偏振態(tài)的光從同一光源發(fā)出后，向相反的方向傳播后，產生相移，當兩束光匯集在同一點時就會發(fā)生干涉。因此可以對干涉的光信號進行信號處理，然后反推折算得到輸電線路的電流大小。

對于基于干涉檢查方法的全光纖電流互感器，光纖傳感線圈是重要的電流測量部件。但是由于光纖傳感線圈一般都放置在室外電纜處，很容易受到外界環(huán)境因素如溫度等變化的影響，光波會在傳播過程中，極有可能產生附加的寄生干涉，因而產生測量誤差。因此，研究光纖電流互感器的環(huán)境適應性有著重要意義。

2、光纖的溫度敏感性

溫漂問題是阻礙FOCT大規(guī)模實用化進程的主要難題之一，由此可以看出溫度對FOCT運行性能的影響十分嚴重。溫漂問題的主要原因是FOCT傳感光纖易受溫度影響。光纖的溫度敏感性主要表現在以下幾個方面：

2.1光纖材料的熱膨脹特性

光纖材料的熱膨脹是指光纖材料因溫度改變而發(fā)生的膨脹現象，在溫度升高時其體積增大，溫度降低時體積縮小。光纖材料的熱膨脹特性主要表現為光纖長度隨溫度的變化而變化，幾乎所有的光纖材料都存在熱膨脹特性。

2.2熱光效應

熱光效應是指光學介質在溫度升高或者降低時，其分子排列發(fā)生變化，從而造成介質的光學特性隨溫度的改變而發(fā)生變化的物理效應。光纖材料的熱光效應主要表現在溫度對光纖有效折射率的影響，溫度越高，有效折射率會增大。通常用熱光系數來表征光學材料的折射率隨溫度的變化率，又叫折射率的溫度系數。

2.3光纖對振動的敏感性

振動對光纖的影響主要表現為：由于光彈效應，使得周期性振動在FOCT傳感單元內引起的線性雙折射發(fā)生周期性改變，影響系統輸出的穩(wěn)定性;傳輸光纖的振動也會導致光波在傳輸過程中的偏振態(tài)變化，影響測量的準確度。此外載流導線的舞動也會對輸出結果產生影響。

3、全光纖電流互感器傳感機理建模

全光纖電流互感器常用于高電壓大電流系統中，在絕緣性、可靠性及抗電磁干擾方面都有很大的優(yōu)勢，也可用于測量直流電流，輸出為數字信號，在智能變電站中有較廣泛的應用。但是FOCT高壓傳感頭一般工作在戶外現場，受環(huán)境中溫度、振動以及外界磁場干擾等因素影響較大，因此環(huán)境因素對FOCT運行性能的影響逐漸成為國內外同行業(yè)研究的重點和熱點問題。

整個FOCT傳感單元仿真模型是由一個無限長直導線（被測電流）和一個光纖微元（微米級）構成，從傳感光纖一端（y=0處）入射一束線偏振光，觀察光波在傳輸過程中偏振態(tài)的演化。

3.1幾何建模

FOCT傳感單元主要包括載流導線，傳感光纖線圈，空氣區(qū)域，其中核心部分為傳感光纖線圈。為了簡化分析，在COMSOL中，選擇三維模型，建立圓柱體1作為載流長直導線模型，產生被測電流;采用基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器中，一般將傳感光纖纏繞在載流導體上，因此傳感光纖可簡化為螺線管模型。

3.2物理場及邊界條件、初始條件選擇

磁場和光場都是基于麥克斯韋方程組，分別為不同頻段的電磁波。在COMSOL中，分別選擇MagneticFields模塊和WaveOptics模塊。在磁場模塊中，設置初始條件：磁矢勢A=（0，0，0）;選擇外電流密度，通過改變外電流密度Je值可模擬被測電流大小。

3.3有限元網格劃分

完成幾何模型的建立、材料選擇以及物理場、初始條件、邊界條件的設置后，需要對所建立的模型進行有限元網格劃分。對于光波導來說，要求最大網格單元尺寸hmax必須是波長的幾分之一，最常見的情況是hmax=λ/6。對于光纖微元區(qū)域，選擇物理場控制網格，最大單元格尺寸為λ/6。

3.4求解器設置與后處理

對模型進行求解設置，本章建立的模型涉及光場和磁場兩個物理場，首先選用穩(wěn)態(tài)求解器計算磁場的分布，其次選用頻域求解器求解光纖微元區(qū)域光波在磁場中的傳播特性。經過求解器計算后，對結果進行相應的數據后處理以及圖形可視化處理，可得到所需要的數據，如旋轉角度、光場磁場的分布線圖，此外也可得到磁場、光場的三維分布圖形，可以十分直觀清晰地分析光場和磁場的傳輸特性。

總之，全光纖電流互感器常用于高電壓大電流系統中，在絕緣性、可靠性及抗電磁干擾方面都有很大的優(yōu)勢，進一步加強對其的研究非常有必要。

參考文獻

[1]關遠鵬.全光纖電流互感器關鍵特性研究[D].華南理工大學，2017.