全光纖電流互感器溫度誤差分析與溫度誤差補(bǔ)償

褚光

摘要：全光纖電流互感器具有很多優(yōu)勢(shì)，絕緣性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍大、頻帶寬、重量輕、體積小、安全性高，以及可測(cè)交直流信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。它適應(yīng)了電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需要，成為數(shù)字化變電站電流信號(hào)采集裝置的首選，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其的研究非常有必要。基于此本文分析了全光纖電流互感器溫度誤差分析與溫度誤差補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞：全光纖電流互感器;溫度誤差;溫度誤差補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TM933文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1、全光纖電流互感器系統(tǒng)組成和工作原理

光學(xué)電流互感器自20世紀(jì)70年代誕生并應(yīng)用以來，其性能非常優(yōu)越。如果按照實(shí)現(xiàn)方式可以將光學(xué)電流互感器分為兩種類型，即磁光玻璃式電流互感器和全光纖電流互感器，該文即對(duì)后者進(jìn)行重點(diǎn)研究和分析。全光纖電流互感器（F0CT）是以光纖為主要載體，用于電流傳感，在整個(gè)系統(tǒng)中，每一個(gè)元件的裝置都是采用光纖溶解的方式來進(jìn)行連接，沒有獨(dú)立的元件存在，是一個(gè)完整的系統(tǒng)。FOCT相較于傳統(tǒng)的電磁式電流互感器，具有結(jié)構(gòu)完整簡(jiǎn)單，可靠性高，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因?yàn)槭窃诠饫w的基礎(chǔ)上來制作和裝置光學(xué)元件，因此整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的一致性，工藝上也趨于成熟，抗振性好。FOCT光纖傳感安全靈活簡(jiǎn)便，體積小，重量輕，可在多種設(shè)備中組合應(yīng)用，在直流測(cè)量中應(yīng)用效果也良好，適應(yīng)性很強(qiáng)，應(yīng)用范圍十分廣泛。因?yàn)镕OCT沒有其他有源電子式互感器所必須安裝在戶外的電子元件，這使得其可靠性得到大幅提升，更容易滿足電網(wǎng)建設(shè)的要求?；谶@些優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)OCT自應(yīng)用以來受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注和認(rèn)可，逐漸成為現(xiàn)代電子式電流互感器的主流產(chǎn)品。

反射式FOCT系統(tǒng)的組成如圖1所示，其工作原理為：光源發(fā)出的平行光經(jīng)起偏器變?yōu)榫€偏振光，經(jīng)過45°熔接點(diǎn)后分為兩束偏振方向相互垂直的線偏振光，被相位調(diào)制器被調(diào)制后，在λ/4波片處分別變?yōu)樽笮陀倚龍A偏振光，受到電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用兩束光的偏振面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，兩束光偏振面的旋轉(zhuǎn)角度大小相等、方向相反，其相位差為兩倍的法拉第相移，即F=2NVI，兩束光被反光鏡反射后偏振態(tài)互換，沿著原光路返回再次受到磁場(chǎng)的作用，由于法拉第效應(yīng)具有非互易性兩束光按原光路返回時(shí)法拉第相移加倍，即F=4NVI，最終攜帶相位信息的光到達(dá)光電探測(cè)器產(chǎn)生電信號(hào)，被信號(hào)處理部分解調(diào)后計(jì)算出被測(cè)電流的大小。

2、FOCT溫度誤差分析

溫度對(duì)FOCS的影響主要體現(xiàn)在對(duì)Verdet常數(shù)的影響和導(dǎo)致溫致線性雙折射。溫致線性雙折射主要是由于傳感光纖纖芯和包層的熱膨脹系數(shù)不同，溫度波動(dòng)時(shí)，纖芯和包層伸展量或收縮量不一致而產(chǎn)生剪切應(yīng)力，而剪切應(yīng)力作用在傳感光纖上會(huì)進(jìn)一步引起線性雙折射。Verdet常數(shù)隨溫度變化和溫致線性雙折射共同作用會(huì)影響FOCS的精度，最終造成FOCS比差隨溫度漂移。

2.1溫度對(duì)Verdet常數(shù)影響

傳感光纖的Verdet常數(shù)是光纖感應(yīng)磁場(chǎng)能力的1個(gè)重要參數(shù)，它反映了單位長(zhǎng)度的傳感光纖感應(yīng)外磁場(chǎng)的能力，與FOCS的比差密切相關(guān)。然而Verdet常數(shù)也會(huì)受溫度影響，使其數(shù)值V隨著溫度波動(dòng)而發(fā)生改變，其溫度特性為

由式（2）可見，Verdet常數(shù)與溫度成線性關(guān)系。

2.2溫度對(duì)溫致線性雙折射的影響

溫度波動(dòng)引起熱脹冷縮，纖芯和包層會(huì)隨著溫度的變化而導(dǎo)致其長(zhǎng)度改變。由于纖芯和包層的熱膨脹系數(shù)不同，長(zhǎng)度變化也不同。然而纖芯和包層熔接在一起，其長(zhǎng)度時(shí)刻保持一致，從而使得纖芯和包層受到軸向應(yīng)力，當(dāng)該軸向應(yīng)力作用在不同材料接觸面上，就會(huì)在接觸面上產(chǎn)生剪切應(yīng)力。

2.3線性雙折射對(duì)互感器的影響

由于傳感光纖主要采用單模光纖，而單模光纖中存在固有線性雙折射和由于溫度、外力等外部原因引起的雙折射。固有線性雙折射主要是由于光纖中殘余內(nèi)應(yīng)力或者纖芯不圓等原因引起的，不會(huì)隨著外界的影響而改變。而溫度變化導(dǎo)致的線性雙折射實(shí)質(zhì)上也是應(yīng)力雙折射的一種，會(huì)隨著外界溫度的波動(dòng)而改變。

3、FOCT溫度誤差補(bǔ)償技術(shù)

綜合上述FOCT溫度誤差分析可知，溫度誤差的2個(gè)主要來源是：①λ/4波片的初始相位延遲角引入的誤差;②維爾德常數(shù)變化引入的誤差。那么是否存在一個(gè)合適的φ0，使得在每一個(gè)溫度點(diǎn)波片引入的溫度誤差正好與維爾德常數(shù)引入的溫度誤差大小相近，正負(fù)相反，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度誤差的相互補(bǔ)償。

同時(shí)為了減小折射的影響，可采取以下措施。1）減小光纖固有雙折射?？刹捎玫碗p折射率光纖，該光纖在制造過程中，將普通光纖的預(yù)制棒繞軸向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到每分鐘幾千轉(zhuǎn)，可大大減小光纖的不對(duì)稱性，從而減小光纖的固有雙折射。2）沿軸向扭轉(zhuǎn)已制好的傳感光纖，在光纖中引入大量的圓雙折射來抑制線性雙折射，使系統(tǒng)保持較高的測(cè)量靈敏度和溫度穩(wěn)定性。3）采用將傳感光纖圈退火的方法可以有效消除彎曲產(chǎn)生的線性雙折射;其缺點(diǎn)是由于高溫退火，使光纖變得異常脆弱，對(duì)退火光纖的封裝提出了很高的要求。4）采用與光纖膨脹率相近的封裝材料對(duì)傳感光纖圈進(jìn)行封裝，減小溫度變化引起的線性雙折射。

另外，試驗(yàn)過程中設(shè)定溫度控制箱的溫度變化范圍為-40℃～60℃，溫度控制箱內(nèi)的溫度從20℃開始每分鐘變化2℃，當(dāng)溫度達(dá)到整十?dāng)?shù)溫度值時(shí)保溫5min，將λ/4波片相位延遲角初始值為86°的光纖傳感環(huán)放入溫度控制箱內(nèi)進(jìn)行循環(huán)測(cè)試。直流穩(wěn)流電源輸出的電流分為兩路，一路通過其數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)采集卡直接相連，用數(shù)據(jù)采集卡直接采集電源輸出的數(shù)字電流信號(hào)并將此路電流信號(hào)作為基準(zhǔn);另外一路使用FOCT測(cè)量電源輸出到載流導(dǎo)線上的電流，然后通過數(shù)據(jù)采集卡采集FOCT輸出的電流信號(hào)，兩路電流信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入Labview上位機(jī)程序進(jìn)行分析，計(jì)算出電流測(cè)量值的相對(duì)誤差。

總之，目前，制約FOCT應(yīng)用的主要因素之一是環(huán)境溫度對(duì)其測(cè)量精度的影響，因此，減小環(huán)境溫度對(duì)FOCT測(cè)量精度的影響對(duì)其實(shí)用化具有重要的意義，需要重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)其的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]王志，初鳳紅，吳建平.全光纖電流傳感器溫度補(bǔ)償研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2014，51（12）：52-61.

[2]李威.全光纖電流互感器溫度補(bǔ)償算法探討[J].供用電，2015，32（11）：66-69+74.

[3]張?chǎng)?光纖電流互感器中信號(hào)檢測(cè)與處理[D].山東大學(xué)，2012.

[4]程嵩，郭志忠，張國(guó)慶，等.全光纖電流互感器的溫度特性[J].高電壓技術(shù)，2015，41（11）：3843-3848.