基于FARADAY旋光镜的光学电流互感器分析与试验研究

为解决全光纤电流互感器因采用相位调制器、性能要求高的电子元器件以及复杂的调制解调算法等导致其成本高的问题,提出了一种基于法拉第旋光镜(faraday rotation mirror,FRM)的光学电流互感器(optical current transformer,OCT)方案;分析了该OCT的电流传感原理以及信号获取方法,试验研究了其电流测量精度和温度性能、谐波准确度以及振动特性,试验结果表明其满足5P20的要求,在-40～+50℃范围内,光纤传感环对该OCT系统误差影响不超过0.75%;OCT光纤传感环在承受10g的加速度冲击过程中,系统无异常信号输出。研制的该OCT主要技术指标满足中高压交流输电系统中保护级电流互感器的精度要求,可用于架空线—电缆混合线缆故障区域判别电流测量、分接开关故障电流监测等。     

混合式光电电流互感器中Rogowski线圈传感头设计

针对传统电流互感器易饱和﹑绝缘复杂等缺点,介绍了一种混合式光电电流互感器传感头用于测量的新型空心电流互感器。空心线圈传感头(Rogowski线圈传感头)是由金属导线均匀密绕在一无磁性的骨架上做成的。它具有无磁饱和﹑绝缘方法简单﹑测量范围宽等优点。空心线圈传感头由于其感应机理和结构的原因,容易受到外界磁场和温度变化的影响。针对干扰磁场采取了屏蔽等措施,从材料和元器件选择上解决了温度的影响。并试做了一个传感头,试验结果表明,该传感头效果良好,达到了0.2%的精度。     

数字温控技术在全光纤电流互感器中的应用

针对反射式全光纤电流互感器(OCT)输出随温度漂移的问题,设计了1种新型数字温控算法及电路,在全温(-40~+70℃)下验证了温控方案及温控算法的正确性。试验结果表明:在全温范围内,温控系统可以很好地把互感器光路系统温度控制在25~50℃以内,大大压缩了光纤电流互感器的实际工作温度范围,使电流互感器输出稳定在0.2级以内。     

反射式Sagnac型光纤电流互感器的关键技术

给出了反射式Sagnac型光纤电流互感器（RS-FOCT）检测相位差与传感光纤Verdet常数及线性双折射、1/4波片相位延迟、相位调制器尾纤偏振串音和延迟光纤偏振串音等参数的定量关系,确定了它们的温度相关性是造成户外型RS-FOCT变比误差的主要原因,并采用传感光纤螺旋绕制、变比误差自补偿、降低相位调制器和延迟光纤偏振耦合等方法加以抑制。分析了RS-FOCT偏振非互易误差的产生机理,提出了偏振器尾纤快轴通光消除非互易波列相干性的误差抑制方法。实验结果表明:在-40～60℃范围内,敏感环路温度变化时变比误差不超过±0.2%;相位调制器、延迟光纤温度变化造成的变比变化量分别由1.828%和5.96%减小到0.283%和0.0531%;偏振器输入尾纤温度变化引起的互感器输出准周期振荡被抑制。     

反射式Sagnac型光纤电流互感器的关键技术

给出了反射式Sagnac型光纤电流互感器(RS-FOCT)检测相位差与传感光纤Verdet常数及线性双折射、1/4波片相位延迟、相位调制器尾纤偏振串音和延迟光纤偏振串音等参数的定量关系,确定了它们的温度相关性是造成户外型RS-FOCT变比误差的主要原因,并采用传感光纤螺旋绕制、变比误差自补偿、降低相位调制器和延迟光纤偏振耦合等方法加以抑制。分析了RS-FOCT偏振非互易误差的产生机理,提出了偏振器尾纤快轴通光消除非互易波列相干性的误差抑制方法。实验结果表明:在-40～60℃范围内,敏感环路温度变化时变比误差不超过±0.2%;相位调制器、延迟光纤温度变化造成的变比变化量分别由1.828%和5.96%减小到0.283%和0.053 1%;偏振器输入尾纤温度变化引起的互感器输出准周期振荡被抑制。     

一种耦合法拉第旋光器的全光纤电流传感器

电力系统暂态电流的实时感知对研究系统扰动、故障和控制保护具有重要意义。针对当前全光纤电流传感器难以同时兼顾宽频测量和宽温区适应性的难题,该文提出在传感光纤几何中点处耦合法拉第旋光器的直通式光路结构,并采用双线绕法绕制光纤环。采用琼斯矩阵建立该结构的理论模型,通过磁场和光场耦合分析该传感器结构降低环境敏感性的传感机理。通过试验测试传感器的频率特性和温度特性,结果表明,该传感器具有良好的频率特性:10Hz～10kHz频响试验的幅值误差不超过2.3%,相移小于2°;3k A标准8/20ms雷电冲击电流响应试验的误差小于2.1%,波形相似度为0.9971,表明有效频带可覆盖至标准雷电流;温度试验表明,该结构可显著降低传感器的温度敏感性,在-20℃～60℃范围内的误差小于4.3%(传统基本结构为29%)。该文所提出的全光纤电流传感器结构具有较好的频率响应特性和优异的温度适应性,满足电网暂稳态电流实时感知的要求。     

可温度自动跟踪的高精度光纤光栅电流互感器

用光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)粘贴到超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive material,GMM)上作为电流互感器的传感探头,用硅钢片构建磁路系统以约束并引导交变电流产生的磁力线进入传感探头,实现交变电流的传感,此传感系统具有全光纤结构和抗电磁干扰能力。由于光纤光栅是波长编码器件,该文提出一种基于分布式反馈(distributed feedback,DFB)半导体激光器的正交解调方法。该解调方法结构简单,解调精度高,能够解耦波长信息的同时剔除了温度对光纤光栅波长漂移的影响,解决了光纤光栅对温度和应变交叉敏感的问题。实验结果表明,电流互感器最小可测电流为0.33A,最大可测电流为293.25A,满量程精度可以达0.11%。应用DFB激光器解调技术的光纤电流互感器,运用激光器的波长可调谐特性,采用经典控制理论的PID算法实现了电流与温度同时测量。     

西门子公司的光电互感器

西门子公司最新研制出光纤电流传感器(SIFOCS)。它利用法拉第效应。法拉第效应为磁致旋光效应。当线性偏振光束通过磁场时,偏振面旋转。为了利用法拉第效应测量电流,利用光纤线圈将线性偏振光导向导体周围。这样总的旋转将与导体的电流及光纤线圈的匝数成比例(图1)。此效应没有任何饱和现象,而且灵敏度容易由光纤线圈匝数标度。传感线圈经受过特殊处理,使电流的传感受温度的影响最小。传感线圈     

基于光纤测温法的电流互感器

提出了电流-温度传感新方案,它在解决光纤电流互感器性能不稳定问题上有突出的理论优势。文中建立了电流-温度传感的数学模型,分析了暂态、稳态特性,给出了光纤电流互感器实验装置及测量结果。理论分析及实验测试表明,只要技术措施得当,采用本传感方案实现全光纤电流互感器是可行的。     

光学电流互感器关键技术研究

以光学互感器瞬时值测量的“迅捷、同步和高分辨率”为需求,对光学互感器温度特性、温度补偿技术及光学互感器抗振技术进行了研究,经过试验和对比测试分析,提出了对应的改进措施。采用反射式光路结构,以HB Spun光纤为Faraday传感材料,利用柔性支撑工艺技术制成传感光纤环,设计了全光纤电流互感器的结构方案,并优化了检测电路设计。研制了高精度、柔性结构暂态全光纤电流互感器。测试结果表明,全光纤电流互感器在-40~70 ℃全温度范围内准确度达到0.2级。