一种新型光纤电流互感器

2006年9月OPTICALTECHNIQUESep.　2006

文章编号:100221582(2006)0520782203　　

一种新型光纤电流互感器

娄凤伟,郑绳楦,王海明

(燕山大学,河北秦皇岛　066004)

Ξ

摘　要:提出了一种新的反射式偏振干涉电流互感器,建立了系统的结构模型,阐述了互感器的工作原理,给出了λ/4延迟器产生圆偏振光的方法和传感头的设计方案,最后给出了实验数据。其中经过λ/4延迟器的二束光除偏振方向互相交换外,它们都在同一根光纤中传输,周围环境产生的光纤伸缩等效应对互感器的输出几乎没有影响,因此可以排除外来的干扰。实验表明,全光纤电流互感器的误差基本满足0.2级精度,并且具有自动补偿功能,较好地消除了温度等环境影响,提高了互感器的信噪比。

关

键

词:电流互感器;λ/4延迟器;偏振干涉;光纤

中图分类号:TN253　　　文献标识码:A

AnewtypeopticalfibercurrenttransformerLOUFeng-wei,ZHENGSheng-xuan,WANGHai-ming(YanshanUniversity,Qinhuangdao　066004,China)

Abstract:Anewreflect-polarizationinterferometricelectroniccurrenttransformerwasdevelopedandtested.Thesystem’sstructuremodelwasestablished.Theworktheorywasexpatiated.Amethodtoproducecircularpolarizationlightwasproposed.Thedesignmethodoftransducerprobewaspresented.Thereinto,byλ/4delayer,twobindlightsnotonlyexchangepolarizeas2pectbutalsotheytransfersinasamefiber,theflexdominoeffecthasnotinfectiontotransformer,sotheextradisturbancearoundentironmentbringingwasdebared.Theinitialexperimentresearchwascarriedoutandtheexperimentdatawasgained.Testingresultsshowthatthenewtransformer’saccuratedegreeis0.2levels.Thenewtypeopticalfibercurrenttransformerhasautomatismcompensatefunction,preferablyeliminatestemperature’sinfectionandincreasedsignal-to-noise.

Keywords:currenttransformer;λ/4delayer;polarizationinterferometric;opticalfiber

0　引　言

目前,包括我国在内的许多国家,电流的测量仍然依靠传统的电磁式电流互感器[1]CT(CurrentTransformer),它要求在高、低压端之间提供复杂昂贵的电气绝缘。随着输配电网朝着高电压、大容量方向发展,不仅使高电压等级的CT变得越来越笨重,价格越来越昂贵,而且给运输和安装带来困难,加上本身存在的磁饱和,铁磁谐振,动态范围小,频带窄,易燃易爆,易受干扰,CT的次级开路危及周围设备及操作人员的生命安全等一系列问题,都促使人们研制更为先进的传感系统[2—4]。

本文介绍一种新型的、额定电压为110kV、额定电流为500A、准确度为0.2级、能对电力母线电流进行精确测量的全光纤电流互感器。这种新型的互感器采用反射式偏振干涉原理来实现电力母线上的大电流测量,建立了相关的数学模型,讨论了模型中各种参数之间的关系,为消除外界干扰、提高系统的测量精度提供了理论根据。

Ξ收稿日期:2005208210　　　　E2mail:xjlfw@ysu.edu.cn

1　全光纤电流互感器的原理

如图1所示,基于偏振干涉的全光纤电流互感

器及其测量系统具有自动补偿功能。系统中处于高压侧的传感光纤为经退火处理的单模光纤;而处于高、低压两侧之间的传光光纤为椭圆芯保偏光纤。基本工作原理是:由低压侧光源发出的光束经过光纤起偏器后变为线偏振光,其偏振方向与椭圆光纤的长、短轴成45°角,故在传光光纤中传输的是互为垂直的二束线偏振光。通过高压侧的λ/4延迟器后再变为旋转方向相反的圆偏振光,即左旋偏振光和右旋偏振光。它们在传感光纤中继续传输,并在电流产生的磁场作用下,各自旋转了不同角度。二束光在光纤末端被反射镜反射,根据反射定律,它们的旋转方向发生交换,即左旋偏振光变为右旋偏振光,右旋偏振光变为左旋偏振光。返程的二束光在电流作用下,偏振角再次发生旋转,再经λ/4波片后,变为互相垂直的二束线偏振光,但它们原来的偏振方向发生了交换,即正向传播时在x方向的偏振

作者简介:娄凤伟(1964-),女,黑龙江人,燕山大学副教授,在读博士研究生,从事光学电流电压互感器的研究。

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第5期娄凤伟,等:　一种新型光纤电流互感器

光,返程时变为y方向的偏振光,反之亦然。二束

光在起偏器中产生干涉,根据偏振干涉原理,就可以获得被测电流的大小和相位[5]。

由此可见,二束光除偏振方向互相交换外,它们都在同一根光纤中传输,周围环境产生的光纤伸缩等效应对互感器的输出几乎没有影响,因此可以从理论上排除外来的干扰。由法拉第磁光效应可知[6],由电流产生的相移Φ为

Φ=4VNI(1)式中V为传感光纤

将显著。选定弯曲半径R的圈数N值,可使光纤圈成λ/m相位延迟器,即

|δn|(2πR・N)=λ/m

(6)

其中m为分波系数,当相位延迟器为π/2(相当于λ/4波片),m=4,取N=2。

μm,光纤的半径为r=将激光器的波长λ=1.3

μm的光纤绕成R=20.09mm的一个光纤圈,62.5

就会得到λ/4相位延迟器。以入射(出射)光纤为轴,使光纤圈面绕其转动,可以改变光纤中双折射轴的方向,产生的效果与转动波片的偏振轴方向一样,因此当线偏振光入射到这样一个λ/4延迟器时,通过调节光纤圈方向,可以使出射光变成圆偏振光。

在图1所示的系统中,关键技术是由λ/4延迟器完成的。系统中的延迟器是把椭圆芯保偏光纤中的二束互为垂直的线偏振光经其作用后变为二束旋图1　电流互感器的结构图

的费尔德常数;N是环绕载流导体的光纤匝数;I为被测电流;系数4是本方案中有二束偏振光在传感光纤中往返二次传输的结果。干涉仪输出的光为(2)I=I0(I+cosΦ)式中I0正比于光源的光强。由信号处理电路求出

(2)式的Φ,再由(1)式测出高压母线中的电流大小和相位。

转方向相反的左、右圆偏振光,输送到传感光纤中。这样使两束光都在同一根光纤中传输,周围环境产生的光纤伸缩等效应对互感器的输出没有影响,因此可以从理论上排除外来的干扰。

3　全光纤电流互感器的传感头的设计

图3给出了电流互感器传感头示意图。先把是

μm的裸光纤传感置于直径约为120多匝外径为80

mm的环形石英细管中,细管本身的直径约为μm。λ500/4延迟器和反射镜镀层刚好位于环形细管的入口处,并使他们形成闭合

回路。然后把图3　电流互感器传感头装配图环形细管置于内径为110mm、外径为130mm的空心石英盘中。要求光纤、细管和圆盘的热膨胀系数相同或相近,以消除温度热应力的影响。再把它们放在高温炉中进行退火处理,最高退火温度要远低于石英的熔化温度,约在850℃左右。退火后,进行性能测试,试验合格后,在细管中充进氮气并密封,确保传感头具有长期的稳定性能。

λ/4延迟器的理论基础2　

如图2所示,当光纤在X-Y平面内受到外应力(弯曲)作用时,通过光弹效应

引起双折射,在光纤横截面中

图2　弯曲光纤的双折射效应的X轴和Y轴

R—光纤弯曲半径;r—光纤半径方向的折射率

发生变化,其变化量为[7]

δnx=(n3/4)(P11-2γP12)k2r2(3)

δny=(n3/4)(P12-γP12-γP11)k2r2

(4)

其中r为光纤的半径;R为光纤弯曲的曲率半径;k

=1/R为曲率;Pij为光应变二阶张量系数中的两项;γ为泊松比。

将石英光纤的参数n=1.46,γ=0.16,P11=0.121,P12=0.27代入(3)和(4)中,可计算折射率

4　实　验

全光纤电流互感器通过了185kV工频耐受电压(1min)和480kV的雷电冲击耐受电压等性能测试实验。其额定电压为110kV、额定电流为500A。

主要实验数据结果如下:

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差δn。

δn=δnx-δny=-0.133(r/R)2

(5)

　　上述双折射效应与晶体双折射相比是较小的,但沿光纤长度特别是把光纤绕成N圈时,总的效应

光　学　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第32卷

(1)频耐压:185kV,1min;

(2)温升:高压单元非隔热状态:30.0K;高压

5　结　论

理论分析和实验表明这种新型的基于反射式偏振干涉原理全光纤电流互感器,通过λ/4延迟器的作用,能够对电力母线电流进行精确测量。这种互感器不仅具有绝缘结构简单,体积小、重量轻、安全可靠等优点,并且具有自动补偿功能,较好地消除了温度等环境影响,提高了互感器的信噪比,测量精度基本能达到0.2级。参考文献:

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μm单模光纤偏振控制器的研究[7]胡正荣,毛秀华,吴卫刚.1.3

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单元隔热状态:31.7K;

(3)介电损耗因子:0.02%;(4)耐闪电冲击峰值:480kV

实验次数:15次负向脉冲,15次正向脉冲;实验

μs,半值时间T2用闪电脉冲波形波头时间T1=1.4

μs。=49

(5)额定频率的电流误差基本满足0.2级精度。

试验测得数据如表1。

表1　试验数据

被测电流/A

100050040020050额定电流误差/%

1005040205试验数据值/A

1002.1499.1399.0199.449.7误差/%

+0.21-0.18-0.25-0.3-0.6　　由数据可知,全光纤电流互感器误差基本满足0.2级精度。(上接第781)页

系的成像系统可以用曲线拟合的方法进行不一致性校正。参考文献:

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　　本文分析

了XRII-CCD成像系统中各个物理器件对影像信息转化的过程,从理论上解释了像元响应不一致性产生的机理,在此基础

图8　校正后

上建立了每个像元通道对X射线的响应模型。通

过实验得出了像元输出灰度值与管电流的近似对数关系,验证了模型的正确性。并将对数关系转换为输出灰度值与对数电流的线性关系,在线性的基础上,对各个像元用多点直线拟合的方法,求得不一致性校正因子,避免了对灰度值与电流使用多项式拟合,使计算量减小,从而可以实现图像的实时校正。多点拟合校正是两点定标校正的一个延伸,与两点定标法相比,由于它采用最小二乘拟合的方法,因而使校正后的直线更接近像元理想的响应直线。通过对实际图像校正,像元响应不一致性得到了有效地抑制,图像背景变得比较均匀,该方法可以应用到其他成像系统响应不一致性校正中。需要注意的是,该校正方法适用于输出灰度值与管电流近似呈直线关系或对数关系的成像系统,对于一般的非直线关784

界图书出版公司,1992.

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