光纖電流傳感器概述及應(yīng)用

光纖電流傳感器是一種新型的電流傳感器，與電磁式電流互感器相比，基于光學(xué)、微電子、微機(jī)技術(shù)的光纖式電流傳感器(OFCT)，具有無鐵心、絕緣結(jié)構(gòu)簡單可靠，體積小、重量輕、線性度好、動(dòng)態(tài)范圍大、無飽和現(xiàn)象，輸出信號(hào)可直接與微機(jī)化計(jì)量及保護(hù)設(shè)備接口等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)既滿足、推動(dòng)了電力系統(tǒng)的發(fā)展，而且應(yīng)用前景十分廣闊。

　　當(dāng)線偏振光(見光的偏振)在介質(zhì)中傳播時(shí)，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場，則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長度l的乘積成正比，即ψ=VBl，比例系數(shù)V稱為費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。1845年由M.法拉第發(fā)現(xiàn)。

　　由于光在光纖中，一邊反射，一邊行進(jìn)，偏振波相應(yīng)于曲線的形狀會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。針對(duì)此現(xiàn)象，在光纖的一端設(shè)置一塊鏡面導(dǎo)致光纖中光線的往返，借助光的來回往返，成功補(bǔ)償和解決了偏振波的旋轉(zhuǎn)問題。將鉛玻璃光纖用于傳感器元件，并結(jié)合利用鏡面的方法，只需把光纖卷繞在載流導(dǎo)體上，用于電流計(jì)測(cè)的反射型傳感器就基本完成。其次，開發(fā)了調(diào)制程度的平均處理與信號(hào)處理方式，這有利于特性的穩(wěn)定及噪音的抑制。此外，對(duì)光源、受光元件、信號(hào)傳輸光纖等種類與傳感器特性的關(guān)系進(jìn)行了研究，而且，慎重選擇了旨在降低成本和實(shí)現(xiàn)小型化的傳感器制作技術(shù)。目前，光纖傳感器技術(shù)正朝實(shí)用化的方向進(jìn)展，以適應(yīng)電力系統(tǒng)的廣泛需求。

　　光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)

　　光纖電流傳感器主要由傳感頭、輸送與接收光纖、電子回路等三部分組成，如圖1所示。傳感頭包含載流導(dǎo)體，繞于載流導(dǎo)體上的傳感光纖，以及起偏鏡、檢偏鏡等光學(xué)部件。電子回路則有光源、受光元件、信號(hào)處理電路等。從傳感頭有無電源的角度，可分為無源式和有源式兩類。

　　圖一光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖光纖電流傳感器工作原理

　　光纖電流傳感器是以法拉第磁光效應(yīng)為基礎(chǔ)，以光纖為介質(zhì)的新興電力計(jì)量裝置，它通過測(cè)量光波在通過磁光材料時(shí)其偏振面由于電流產(chǎn)生的磁場的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的角度來確定被測(cè)電流的大小。傳感頭是光纖電流傳感器最為重要和關(guān)鍵的部件。分析了全光纖型和混合型光纖電流傳感器傳感頭的結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)改進(jìn)光纖電流傳感器的設(shè)計(jì)，提高光纖電流傳感器的性能具有重要的指導(dǎo)作用。

　　光纖回轉(zhuǎn)儀是MOCT(光纖電流互感器)的核心部件，它由光源，探測(cè)器，調(diào)節(jié)器，以及纏繞電流導(dǎo)線的光電探頭組成。其中調(diào)節(jié)器是光纖電流傳感器的核心部件，通過這套系統(tǒng)可以對(duì)電流進(jìn)行精確測(cè)量，此項(xiàng)技術(shù)受20多項(xiàng)國際專利保護(hù)。光纖回轉(zhuǎn)儀最早由波音公司和霍尼韋爾公司共同研制。

　　光纖電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)

　　與傳統(tǒng)的電磁式CT 比較，光纖電流傳感器除具有前述的優(yōu)點(diǎn)以外還具備：

　　(1)容易安裝，不用斷開導(dǎo)線，僅將細(xì)長、柔軟的絕緣光纖卷繞在導(dǎo)體上就可檢測(cè)電流，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感裝置的小利輕量化;

　　(2)無電磁噪音的干擾。近年的計(jì)測(cè)控制系統(tǒng)中，一般將傳感器的輸出連接于半導(dǎo)體的電子回路，傳感裝置本身全部由光學(xué)器件構(gòu)成，故具有抗電磁干擾(EMI)特性;

　　(3)計(jì)測(cè)范圍廣，沒有鐵心磁飽和的制約，同時(shí)，法拉第效應(yīng)的響應(yīng)速度快，具有從低頻到高頻、到大電流的廣闊測(cè)量范闈;

　　(4)因?yàn)樾盘?hào)通過光纖傳輸。波形畸變小。傳輸損耗小，故可實(shí)現(xiàn)長距離的信號(hào)傳輸。

　　光纖電流傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　國外在六十年代就已開始對(duì)光纖電流傳感器進(jìn)行研究。美國、日本及西歐的一些國家的研究機(jī)構(gòu)和一些電氣儀器公司都在此領(lǐng)域作了大量的工作，如美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所、貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本的中央研究所、NEC公司及東芝、松下等公司、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院等，到八十年代初期，光纖電流傳感器開始進(jìn)入工業(yè)試用階段。

　　1986 年美國的田納西州流域電力管理局(TVA)在其所屬的Chkamauga水壩電力編組站安裝了第一臺(tái)單相高電壓光學(xué)計(jì)量用的電流互感器，可靠地運(yùn)行兩年多后拆除。電站的常規(guī)電壓互感器為OCT 提供電壓。在一年的千瓦小時(shí)的計(jì)量中，與參照系統(tǒng)比僅變化0.08%。按照各種預(yù)定的條件如負(fù)載、溫度、濕度以及電磁干攏等條件下完成了其應(yīng)負(fù)的任務(wù)。在變電站的環(huán)境中，展現(xiàn)出穩(wěn)定、準(zhǔn)確的性能。

　　國內(nèi)應(yīng)用法拉第效應(yīng)的光學(xué)電流傳感器處于探索階段，在“六五”期間，以1982 年9月在上海召開的“激光工業(yè)應(yīng)用座談會(huì)”為起步，先后有多家單位進(jìn)行這方面的研究，中電八所、上海硅酸鹽所、上海冶金所、華北電力局、北京化工學(xué)院、清華大學(xué)、華中理工大學(xué)等都取得一定成果。

　　據(jù)第15 屆國際光纖傳感器會(huì)議統(tǒng)計(jì)在FOS市場份額中，“應(yīng)力”占23%，“溫度”占17.2%，“氣壓聲學(xué)”占15.2%，“電流電壓”占12.2%，“化學(xué)汽體”占11.3%。就傳感器類型來說，“光纖光柵”占44.2%，“分光計(jì)”占11.1%，“散鐘反射”占10%，“Fraday旋光效應(yīng)”占6.9%，“熒為黑體”占6.6%。

　　光纖電流傳感器不僅能用于電力系統(tǒng)中電流的測(cè)量，而且與電機(jī)制造廠、測(cè)量儀器儀表廠結(jié)合，還可研制開發(fā)線路事故點(diǎn)的標(biāo)定裝置及事故區(qū)間的判定裝置等一系列電力系統(tǒng)的測(cè)量、診斷裝置。如下圖所示。

圖三是基于法拉第電磁效應(yīng)的光纖電流傳感器外觀

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