一種無調(diào)制器的全光纖光學(xué)電流互感器

羅蘇南，閻嫦玲，邵通廣，丁 曄，須 雷，劉東超

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

電流互感器是交直流電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要作用是測(cè)量一次電流，為交直流控制保護(hù)等二次裝置提供準(zhǔn)確的一次電流穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)信息。光學(xué)電流互感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、線性度好、暫態(tài)特性好、體積小、重量輕、絕緣簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)勢(shì)［1-5］，可以較好地解決常規(guī)電磁式互感器存在的大電流易飽和、暫態(tài)特性差、體積大安裝使用不方便、充油充氣易燃易爆等問題。國(guó)內(nèi)外關(guān)于光學(xué)電流互感器的研究已有近40 年的時(shí)間，光學(xué)電流互感器在交直流電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也有10多年的時(shí)間［6-10］。

目前研究及應(yīng)用的光學(xué)電流互感器主要以采用鈮酸鋰相位調(diào)制器或PZT相位調(diào)制器的全光纖光學(xué)電流互感器為主［11-20］?；阝壦徜囌{(diào)制器或PZT調(diào)制器的光學(xué)電流互感器測(cè)量精度、動(dòng)態(tài)范圍、響應(yīng)時(shí)間、抗振性能等主要性能指標(biāo)已基本可以滿足交直流工程電流測(cè)量需求，但存在兩方面不足，一是光路系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高，二是采集單元與傳感環(huán)的距離受原理限制不能滿足長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸要求，因此光學(xué)電流互感器的應(yīng)用受到一定限制。

光學(xué)電流互感器實(shí)際應(yīng)用中，有些場(chǎng)合（如在線監(jiān)測(cè)）對(duì)光學(xué)電流互感器的成本較為敏感但對(duì)測(cè)量精度等性能要求相對(duì)不高，針對(duì)這類應(yīng)用需求，研制了一種無調(diào)制器的全光纖光學(xué)電流互感器，無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器采用Faraday旋光鏡實(shí)現(xiàn)相位偏置，不需要鈮酸鋰相位調(diào)制器或PZT相位調(diào)制器，光路簡(jiǎn)單，采集單元成本降低50%左右，且采集單元與光纖傳感環(huán)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離布置。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器由光纖傳感環(huán)、遠(yuǎn)端光模塊及采集模塊3 部分構(gòu)成，光纖傳感環(huán)和遠(yuǎn)端光模塊就地安裝，采集模塊布置于二次控制室，遠(yuǎn)端光模塊與采集模塊間采用單模光纖進(jìn)行光信號(hào)傳輸。采集模塊由光源SLD、單模耦合器、PD 及信號(hào)處理電路構(gòu)成，遠(yuǎn)端光模塊由起偏器和分束器構(gòu)成，光纖傳感環(huán)由1/4 波片、傳感光纖及Faraday 旋光鏡構(gòu)成。圖1所示為雙通道無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器各組織部件構(gòu)成示意圖。

圖1 無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器構(gòu)成示意圖Fig.1 Schematic diagram of all fiber optical current transformer without modulator

2 工作原理

采集模塊內(nèi)的寬帶光源發(fā)出的激光經(jīng)過退偏后進(jìn)入耦合器，之后通過單模光纖進(jìn)入遠(yuǎn)端光模塊，遠(yuǎn)端光模塊內(nèi)的起偏器將輸入光變成線偏振光，并經(jīng)分束器及45°熔點(diǎn)后輸出兩相互正交的線振偏光，這兩束線偏振光通過保偏光纖進(jìn)入光纖傳感環(huán)，傳感環(huán)內(nèi)兩相互正交的線偏光通過λ/4波片后變成兩相互正交的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。兩束正交的圓偏振光在傳感光纖中傳輸，光纖傳感環(huán)纏繞在一次導(dǎo)體外，導(dǎo)體中電流的Faraday 磁光效應(yīng)使兩束圓偏光產(chǎn)生與被測(cè)電流大小成正比的相位差。兩束圓偏光到達(dá)傳感光纖尾部的法拉第旋光鏡后被反射，沿傳感光纖返回。法拉第旋光鏡包含一個(gè)22.5°的Faraday 旋光片和反射鏡，兩束圓偏光正向通過22.5°的法拉第旋光鏡后會(huì)產(chǎn)生45°相位差，經(jīng)反射鏡反射后再次通過22.5度的法拉第旋光鏡并再次產(chǎn)生45°相位差，來回共產(chǎn)生90°相位差。同時(shí)兩圓偏振光在光纖傳感環(huán)末端的反射鏡處反射后返回過程中，偏振方向互換，兩束圓偏光再次歷經(jīng)電流磁場(chǎng)的Faraday磁光效應(yīng)，二者產(chǎn)生的相位差將變成原來的2倍。即在被測(cè)電流和法拉第旋光鏡的作用下，往返經(jīng)過傳感光纖和法拉第旋光鏡后，兩束圓偏光光的相位差最終為：

式（1）中，Δφ為Faraday 相位差，V為光纖的Verdet 常數(shù)，N為光纖傳感環(huán)匝數(shù)，I為一次導(dǎo)體中被測(cè)電流大小。

返回時(shí)兩圓偏光經(jīng)λ/4波片后又變成線偏光。相對(duì)于正向傳輸?shù)膬墒嗷フ坏木€偏振光，返回的兩束相互正交的線偏光發(fā)生了互換，即正向傳輸?shù)腦 光變?yōu)榉聪騻鬏數(shù)腨 光，正向傳輸?shù)腨 光變?yōu)榉聪騻鬏數(shù)腦光?？梢娫摴饴方Y(jié)構(gòu)的光學(xué)電流互感器在分束器后的光纖傳感環(huán)部分具有互易性，能在一定程度上消除溫度、振動(dòng)等外部干擾的影響。

返回的兩束偏振光的相位差攜帶了電流信息，二者在分束器和1/4波片間的45°熔點(diǎn)處產(chǎn)生干涉，之后分束器將干涉光分成兩路正交偏振光。一路經(jīng)起偏器和耦合器輸出抵達(dá)第一路光電探測(cè)器PD1（PD，Photo Diode），另一路偏振光經(jīng)單模光纖抵達(dá)第二路探測(cè)器，兩路探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換，信號(hào)處理電路從兩個(gè)PD輸出的電信號(hào)中可解調(diào)出一次電流信息。

考慮到法拉第旋光鏡（FRM）的旋光角偏差，設(shè)法拉第旋光鏡（FRM）的單程旋光角為：

式（2）中，Δα為FRM旋轉(zhuǎn)角偏差。則兩個(gè)探測(cè)器輸出的電信號(hào)分別為：

根據(jù)式（7）利用信號(hào)處理電路便可求得被測(cè)電流I。

3 性能測(cè)試及分析

對(duì)研制的無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器樣機(jī)性能進(jìn)行了全面測(cè)試，測(cè)試試驗(yàn)包括傳感環(huán)溫度特性測(cè)試、線性度及大電流誤差測(cè)試、諧波測(cè)量特性測(cè)試、傳感環(huán)抗振特性測(cè)試等。

3.1 溫度特性測(cè)試及分析

實(shí)際運(yùn)行時(shí)光纖傳感環(huán)及遠(yuǎn)端光路模塊通常置于戶外，采集模塊置于室內(nèi)，為驗(yàn)證戶外部件的溫度特性，對(duì)光纖傳感環(huán)及遠(yuǎn)端光路模塊進(jìn)行溫度特性測(cè)試試驗(yàn)。將光纖傳感環(huán)及遠(yuǎn)端光路模塊置于溫度控制箱進(jìn)行-40 ℃～+50 ℃溫度特性測(cè)試，圖2 所示為溫度特性測(cè)試試驗(yàn)線路圖。

圖2 溫度特性測(cè)試試驗(yàn)線路圖Fig.2 Temperature characteristic test circuit diagram

試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度特性測(cè)試試驗(yàn)Fig.3 Temperature characteristic test

由圖3 可見，在-40 ℃～+50 ℃溫度范圍內(nèi)光纖傳感環(huán)及遠(yuǎn)端光路模塊的特性變化會(huì)使光學(xué)電流互感器的測(cè)量誤差偏至-1%～+1.5%。光纖傳感環(huán)及遠(yuǎn)端光路模塊中受溫度影響較大的器件主要是Faraday 旋光鏡，F(xiàn)araday 旋光鏡的旋轉(zhuǎn)角度易受溫度影響。因此，無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器的應(yīng)用需要考慮溫度影響，對(duì)于在線監(jiān)測(cè)等對(duì)測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合，可以使用無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器。

3.2 線性度及大電流誤差測(cè)試

研制的樣機(jī)額定一次電流In為1 000 A，對(duì)樣機(jī)在5%In～200%In的線性度及20In的大電流測(cè)量誤差進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可見，無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器的常溫測(cè)量精度滿足1級(jí)及5P20要求。

表1 線性度及大電流誤差測(cè)試Table 1 Linearity and large current error test

3.3 諧波測(cè)量特性測(cè)試及分析

為驗(yàn)證無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器的諧波測(cè)量特性，對(duì)樣機(jī)在50 Hz～1 000 Hz 頻率范圍的測(cè)量特性進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 諧波測(cè)量特性測(cè)試Table 2 Harmonic measurement characteristic test

由表2 可見，在50 Hz～1 000 Hz 頻率范圍，無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器的比差隨頻率的增高而增大，20次諧波（1 000 Hz）的測(cè)量誤差為-5%，諧波測(cè)量特性滿足《GB 20840.6 互感器第6部分低功率互感器的補(bǔ)充通用技術(shù)要求》的要求。影響諧波特性的主要環(huán)節(jié)是采集模塊信號(hào)處理電路的低通濾波，樣機(jī)信號(hào)處理電路低通濾波的截止頻率是2 kHz，提高信號(hào)處理電路低通濾波的截止頻率可以改善互感器的諧波測(cè)量特性。

3.4 抗振特性測(cè)試及分析

實(shí)際運(yùn)行時(shí)光纖傳感環(huán)安裝于戶外，要求光纖傳感環(huán)具有較好的抗振特性。將光纖傳感環(huán)置于振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行抗振特性測(cè)試，如圖4所示，按照《GB 14537-1993 量度繼電器和保護(hù)裝置的沖擊與碰撞試驗(yàn)》一級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)要求對(duì)光纖傳感環(huán)進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，碰撞時(shí)間間隔6s。

圖4 光纖傳感環(huán)振特性試驗(yàn)Fig.4 Vibration characteristic test of optical fiber sensing ring

試驗(yàn)表明無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器光纖傳感環(huán)在承受1 級(jí)10G 的碰撞振動(dòng)時(shí)，光學(xué)電流互感器的輸出無異常，光纖傳感環(huán)受振動(dòng)很小。

無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器的傳感光纖采用保圓光纖，保圓光纖具有較好的抗彎曲特性及抗振性能，同時(shí)互感器光纖傳感環(huán)的光路具有互易性，因此無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器光纖傳感環(huán)具有較好的抗振性能。

4 結(jié)論

基于Faraday 旋光鏡的無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器不需要鈮酸鋰相位調(diào)制器或PZT 相位調(diào)制器，光路系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本是調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器的一半左右，采集模塊可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離布置，較好地解決了調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器成本高、采集單元不能遠(yuǎn)距離布置的缺陷。但無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器的溫度特性、測(cè)量精度及動(dòng)態(tài)范圍目前還達(dá)不到調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器的水平，需要進(jìn)一步深入研究，F(xiàn)araday旋光鏡的溫度特性是影響無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器溫度特性的主要因素。對(duì)于在線監(jiān)測(cè)等某些對(duì)測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合，無調(diào)制器全光纖光學(xué)電流互感器可以發(fā)揮其成本低、采集單元能遠(yuǎn)距離布置的優(yōu)勢(shì)，有一定的應(yīng)用前景。