光學(xué)電流互感器的問題與解決對(duì)策

1、光學(xué)電流互感器的問題與解決對(duì)策摘要：介紹了 2種光學(xué)電流互感器影響其性能的主要 因素及解決對(duì)策，指出了光學(xué)電流互感器開展中需解決的共 性問題，并展望了光學(xué)電流互感器的開展前景。引言光學(xué)電流互感器（OCT）是電子式電流互感器 （electrical current transformer, ECT） 中的一大類， 可分為光學(xué)玻璃型，全光纖型、混合型（利用傳統(tǒng)CT二次 輸出線圈采樣或用Rogowski線圈取樣）、磁場(chǎng)傳感器型和其 他傳感機(jī)理型。從上世紀(jì)60年代起，就提出了將光學(xué)技術(shù) 用于電流傳感的想法;70年代，提出了光纖OCT的基本理論； 80年代，塊狀光學(xué)玻璃OCT技術(shù)已獲得日本及歐洲專利；有

2、 源型OCT的思想也于此時(shí)提出。自上世紀(jì)70年代至今，是 光學(xué)電流傳感技術(shù)得到積極研究與快速開展的重要時(shí)期。由 于光學(xué)電流傳感技術(shù)與傳統(tǒng)電流互感器技術(shù)相比具有明顯 的優(yōu)點(diǎn)，用OCT技術(shù)代替現(xiàn)有的油浸電磁電流互感器曾形成 廣泛的共識(shí)。因此，國(guó)際電工委員會(huì)經(jīng)過多年工作，于20* 年，發(fā)布了關(guān)于電子式電流互感器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：IEC 60044-8-20*o然而，應(yīng)當(dāng)看到的是：電子（光學(xué)）電流互 感器技術(shù)至今仍處于向?qū)嵱没_展的進(jìn)程之中。與傳統(tǒng)電流 互感器技術(shù)相比，電子（光學(xué)）電流互感器技術(shù)仍有不完善 之處。從其在電力工業(yè)中得到實(shí)際應(yīng)用的角度講，無(wú)論是光 學(xué)OCT還是混合型OCT都還存在一些急需解決的、

3、阻礙其實(shí) 用化的技術(shù)問題。在解決這些問題之前，電子式（含光學(xué)） 電流互感器很難得到電力系統(tǒng)用戶或市場(chǎng)的認(rèn)同。因此，有 必要探討電子式電流互感器開展中遇到的技術(shù)問題、解決對(duì) 策，以促進(jìn)電子（光學(xué)）電流互感器技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。本 文將重點(diǎn)介紹前2種互感器的問題、對(duì)策及展望。1光學(xué)玻璃電流互感器1. 1傳感單元設(shè)計(jì)光學(xué)玻璃電流互感器（BGOCT）傳感單元由玻璃傳感頭 與偏振器件構(gòu)成。設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮的基本問題是靈敏度、抗 干擾能力與穩(wěn)定性。靈敏度大小取決于光學(xué)玻璃Verdet常 數(shù)大小與光路環(huán)繞母線的次數(shù)，應(yīng)選用大Verdet常數(shù)的材 料或采用多環(huán)光路可提高靈敏度；抗干擾能力取決于光路閉 合程度及反射

4、相移及線性雙折射減小程度；穩(wěn)定性那么要靠減 小反射相移及線性雙折射或補(bǔ)償其不良影響來實(shí)現(xiàn)。1. 1. 1反射相移對(duì)BGOCT性能影響及對(duì)策反射相移對(duì)系統(tǒng)靈敏度、穩(wěn)定性及抗外電磁場(chǎng)干擾能力 影響的研究結(jié)果說明：假設(shè)將總反射相移控制在0.24rad （約 為14。）以內(nèi)，那么傳感頭的靈敏度將不低于理想模型靈敏度 理論預(yù)期值的90%。反射相移還會(huì)影響傳感頭抗外場(chǎng)干擾能 力。因此，有必要采取措施抑制或設(shè)法減小反射相移，或是 采取必要的補(bǔ)償措施。利用估算傳感頭反射相移大小的方法 可對(duì)反射相移開展實(shí)驗(yàn)研究。BGOCT光源的驅(qū)動(dòng)電流與環(huán)境溫度改變，都會(huì)造成光源 峰值波長(zhǎng)移動(dòng)。由于反射相移具有色散特性，會(huì)使靈

5、敏度隨 光源波長(zhǎng)的變化而改變。對(duì)反射相移色散特性及反射相移與 Verdet常數(shù)聯(lián)合色散特性對(duì)靈敏度影響的研究結(jié)果說明：反 射相移色散特性及Verdet常數(shù)色散特性均會(huì)對(duì)輸出曲線的 尺度因子產(chǎn)生明顯的影響。因此，有必要對(duì)光源采取恒溫與 恒驅(qū)動(dòng)電流控制，或是采取其他必要的補(bǔ)償措施。解決反射相移問題的基本方法是使光束在傳感頭內(nèi)實(shí) 現(xiàn)雙正交反射、臨界角反射或保偏反射（可分別用多層保偏 反射膜與單層介質(zhì)保偏反射膜實(shí)現(xiàn)）。1. 1. 2線性雙折射對(duì)BGOCT性能影響線性雙折射以抽樣函數(shù)的形式影響傳感頭的尺度因子, 同時(shí)，還會(huì)調(diào)制入射起偏角對(duì)輸出曲線截矩的作用因子；輸 出曲線的截距隨起偏角改變那么呈正弦樣變

6、化，當(dāng)入射起偏角 為0 , 45 , 90時(shí)，曲線截距為零。盡管使用交流計(jì)量 設(shè)備時(shí)，該截距對(duì)輸出無(wú)實(shí)質(zhì)性影響，但其對(duì)尺度因子的影 響卻會(huì)破壞系統(tǒng)輸出的溫度與振動(dòng)穩(wěn)定性。此外，線性雙折 射色散對(duì)BG0CT傳感頭性能也會(huì)產(chǎn)生影響，因此，有必要采 取措施減小傳感頭中的線性雙折射，或是采取必要的補(bǔ)償措 施。減小傳感頭內(nèi)線性雙折射的措施包括對(duì)傳感頭退火，注 意傳感頭包裝支撐構(gòu)造對(duì)傳感頭施力的均勻性等。為便于對(duì)線性雙折射的實(shí)驗(yàn)研究，王政平等人報(bào)告了用 入/4波片測(cè)量BG0CT傳感頭線性雙折射的方法，并提出了測(cè) 量入/4波片實(shí)際相位延遲角的方法，以提高對(duì)線性雙折射的 測(cè)量精度。傳感頭環(huán)境溫度變化在傳感頭內(nèi)

7、形成的折射率梯度會(huì) 產(chǎn)生雙折射梯度，進(jìn)而改變輸出信號(hào)的尺度因子。由于該雙 折射梯度與傳熱過程有關(guān)，使其對(duì)尺度因子的影響不具有可 重復(fù)性而嚴(yán)重地破壞傳感頭的可靠性。解決該問題的可能的 措施之一為設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臒峋彌_構(gòu)造延緩傳熱過程，使傳感頭 內(nèi)溫度變化接近準(zhǔn)靜態(tài)過程，以防止形成溫度梯度，還應(yīng)采 用均熱構(gòu)造使傳感頭內(nèi)溫度場(chǎng)均勻分布。1. 1. 3偏振器件對(duì)BGOCT性能影響起偏器消光比和預(yù)偏角誤差均可在BGOCT的輸出中引入 直流分量，并使尺度因子發(fā)生一定的改變。當(dāng)最終輸出信號(hào) 用交流電表度量時(shí)，輸出信號(hào)中引入的直流分量可被交流電 表中的自帶的隔直電容濾除，尺度因子的改變可用后續(xù)信號(hào) 處理電路中的放大

8、單元矯正。用于輸出光束檢偏的偏振分束 器消光比隨溫度變化產(chǎn)生較大測(cè)量誤差的問題可用改良的 差除和信號(hào)處理方案補(bǔ)償。1. 2工作環(huán)境對(duì)BGOCT系統(tǒng)的影響及補(bǔ)償措施BGOCT系統(tǒng)的工作環(huán)境的溫度、壓力、振動(dòng)等因素通過 構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)器件及單元的性能改變對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影 響。提高系統(tǒng)對(duì)環(huán)境改變的耐受性能的思路：一是改善各器 件性能；二是通過信號(hào)處理予以適當(dāng)補(bǔ)償。環(huán)境溫度改變導(dǎo)致的光源發(fā)光中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移時(shí)，可 通過傳感頭各光學(xué)參量的色散特性對(duì)系統(tǒng)靈敏度產(chǎn)生影響， 最終，破壞系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性。傳感頭各光學(xué)參量色散對(duì)系 統(tǒng)綜合影響并不是各自影響的簡(jiǎn)單相加，其中存在聯(lián)合效應(yīng)。 因此，需考慮采取整體補(bǔ)償措

9、施。環(huán)境溫度變化可改變傳感頭內(nèi)線性雙折射、反射相移及 Verdet常數(shù)大小的改變。采用2種磁光材料Verdet常數(shù)溫 度曲線之商對(duì)Verdet常數(shù)溫度特性對(duì)系統(tǒng)的影響有明顯的 補(bǔ)償效果；根據(jù)事先測(cè)得Verdet常數(shù)或系統(tǒng)輸出的溫度特 性對(duì)系統(tǒng)輸出予以補(bǔ)償也是一種可行的方法，但其前提是已 對(duì)傳感頭采取必要的傳熱緩沖與均勻化構(gòu)造，否那么，很難獲 得可重復(fù)的輸出一溫度曲線或數(shù)據(jù)表。周期性振動(dòng)引起的傳感頭內(nèi)因彈光效應(yīng)導(dǎo)致線性雙折 射的周期性改變、母線在原來固定位置附近振動(dòng)及對(duì)上行傳 導(dǎo)光纖(自光源至起偏器的一段)的作用使進(jìn)入起偏器的光 強(qiáng)發(fā)生波動(dòng)均會(huì)破壞系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性。故需對(duì)傳感頭采取 適當(dāng)?shù)姆勒翊?/p>

10、施，并設(shè)法將傳感頭與母線固定在一起可減小 或消除前2種不利影響：利用長(zhǎng)多模光纖的消偏和消相干性 能，并選用低相干光源可有效地抑制光纖中的振動(dòng)噪聲；僅 使斜向光束耦合進(jìn)多模光纖的技術(shù)也可有效抑制振動(dòng)噪聲。 反射相移對(duì)BGOCT振動(dòng)穩(wěn)定性也有影響，故應(yīng)設(shè)法減小反射 相移。BGOCT信號(hào)處理單元的基本功能是檢測(cè)出法拉第旋轉(zhuǎn)角 的大小，補(bǔ)償光源光強(qiáng)漲落對(duì)輸出信號(hào)的影響，帶通濾波以 提高系統(tǒng)輸出信噪比，相位調(diào)整以減小輸出信號(hào)的角差及將 輸出信號(hào)放大到規(guī)定的幅值。此外，溫度補(bǔ)償，振動(dòng)補(bǔ)償?shù)?也都是信號(hào)處理單元應(yīng)具備的重要功能。對(duì)經(jīng)典的單探頭方 案、差除和方案及改良的差除和3種基本檢測(cè)方案的分析結(jié) 果說明：

11、改良的差除和方案噪聲最小。小電流測(cè)量信號(hào)會(huì)被噪聲嚴(yán)重干擾甚至淹沒。由于 BGOCT內(nèi)部的噪聲基本上與被測(cè)電流信號(hào)所在的頻段相重疊, 因此，無(wú)法用傳統(tǒng)的濾波器方法將其濾除。實(shí)踐證明：采用 自適應(yīng)信噪別離技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)與固有噪聲的別離，從 而提高BGOCT測(cè)量小電流的準(zhǔn)確度。2全光纖電流互感器全光纖電流互感器(FOCT)的工作原理主要為Faraday 效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)。Faraday效應(yīng)FOCT常采用偏振檢測(cè)方 法，或利用Faraday效應(yīng)的非互易性采用Sagnac干預(yù)儀實(shí) 現(xiàn)檢測(cè)。Sagnac干預(yù)儀型FOCT又可分為環(huán)形(loop)和串 聯(lián)式（in-line） 2種。光纖內(nèi)存在的線性雙折射

12、對(duì)于溫度與 振動(dòng)等環(huán)境因素變化十分敏感，是阻礙FOCT實(shí)用化的關(guān)鍵 問題。盡管針對(duì)偏振檢測(cè)方案先后提出了高圓雙折射光纖、 旋制光纖，扭轉(zhuǎn)光纖、退火光纖、幾何構(gòu)造別離線性雙折射、 相向傳輸，扭轉(zhuǎn)加退火等多種解決方案，但多難以實(shí)用。隨 著基于Sagnac干預(yù)儀的光纖陀螺技術(shù)的實(shí)用化，許多研究 者已將興趣轉(zhuǎn)向Sagnac F0CTo2. 1 FOCT傳感頭的改良對(duì)FOCT的性能改良工作主要是圍繞解決線性雙折射影 響開展。其中，重要的方法是在傳感光纖環(huán)路中設(shè)法引入或 增大圓雙折射。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)線性雙折射影響開展補(bǔ)償 的方法那么是一種新的思路。對(duì)于入/4波片不完備性引起的尺 度因子誤差可將2個(gè)波片的

13、光軸預(yù)置成45。角予以解決。采 用外Sagnac FOCT方案那么可提高系統(tǒng)靈敏度。一種獨(dú)特的傳 感頭精細(xì)設(shè)計(jì)對(duì)解決線性雙折射問題證明是有效的，該設(shè)計(jì) 將傳感光纖退火，并置于線圈形熔硅制成的毛細(xì)管中，再將 該毛細(xì)管埋藏于充有硅酮的環(huán)形室中，以此來實(shí)現(xiàn)一種對(duì)溫 度與振動(dòng)均不敏感的、對(duì)Faraday效應(yīng)具有內(nèi)在溫度補(bǔ)償功 能的Sagnac FOCT。其研究結(jié)果說明：光纖雙折射的溫度依 賴性可用來平衡Faraday效應(yīng)的溫度依賴性；在-3585C 的范圍內(nèi)，其溫度不敏感度在0.2%以內(nèi)；在10go加速度 500H2頻率振動(dòng)條件下，輸出信號(hào)中仍未見振動(dòng)干擾。對(duì)FOCT 中由耦合器所引起的附加偏振問題可通過提高光源波長(zhǎng)的 穩(wěn)定性或者提高耦合器的帶寬并采用特殊的數(shù)據(jù)處理方法 消除其影響。2. 2 Verdet常數(shù)波動(dòng)的補(bǔ)償方案Verdet常數(shù)的大小會(huì)隨溫度變化而改變，并且，是波長(zhǎng) 的函數(shù)：因此，對(duì)Verdet常數(shù)溫度特性開展補(bǔ)償，并采取 措施穩(wěn)定工作波長(zhǎng)