光纖電流傳感器概述及應用

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、微機技術(shù)的光纖式電流傳感器(OFCT)，具有無(wú)鐵心、絕緣結構簡(jiǎn)單可靠，體積小、重量輕、線(xiàn)性度好、動(dòng)態(tài)范圍大、無(wú)飽和現象，輸出信號可直接與微機化計量及保護設備接口等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)既滿(mǎn)足、推動(dòng)了電力系統的發(fā)展，而且應用前景十分廣闊。

　　當線(xiàn)偏振光(見(jiàn)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磁場(chǎng)，則光振動(dòng)方向將發(fā)生偏轉，偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質(zhì)的長(cháng)度l的乘積成正比，即ψ=VBl，比例系數V稱(chēng)為費爾德常數，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場(chǎng)方向。上述現象稱(chēng)為法拉第效應。1845年由M.法拉第發(fā)現。

　　由于光在光纖中，一邊反射，一邊行進(jìn)，偏振波相應于曲線(xiàn)的形狀會(huì )出現旋轉。針對此現象，在光纖的一端設置一塊鏡面導致光纖中光線(xiàn)的往返，借助光的來(lái)回往返，成功補償和解決了偏振波的旋轉問(wèn)題。將鉛玻璃光纖用于傳感器元件，并結合利用鏡面的方法，只需把光纖卷繞在載流導體上，用于電流計測的反射型傳感器就基本完成。其次，開(kāi)發(fā)了調制程度的平均處理與信號處理方式，這有利于特性的穩定及噪音的抑制。此外，對光源、受光元件、信號傳輸光纖等種類(lèi)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，以適應電力系統的廣泛需求。

　　光纖電流傳感器的結構

　　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。傳感頭包含載流導體，繞于載流導體上的傳感光纖，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、信號處理電路等。從傳感頭有無(wú)電源的角度，可分為無(wú)源式和有源式兩類(lèi)。

　　圖一光纖電流傳感器的結構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為基礎，以光纖為介質(zhì)的新興電力計量裝置，它通過(guò)測量光波在通過(guò)磁光材料時(shí)其偏振面由于電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用而發(fā)生旋轉的角度來(lái)確定被測電流的大小。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構和工作原理，對改進(jìn)光纖電流傳感器的設計，提高光纖電流傳感器的性能具有重要的指導作用。

　　光纖回轉儀是MOCT(光纖電流互感器)的核心部件，它由光源，探測器，調節器，以及纏繞電流導線(xiàn)的光電探頭組成。其中調節器是光纖電流傳感器的核心部件，通過(guò)這套系統可以對電流進(jìn)行精確測量，此項技術(shù)受20多項國際專(zhuān)利保護。光纖回轉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(kāi)導線(xiàn)，僅將細長(cháng)、柔軟的絕緣光纖卷繞在導體上就可檢測電流，能實(shí)現整個(gè)傳感裝置的小利輕量化;

　　(2)無(wú)電磁噪音的干擾。近年的計測控制系統中，一般將傳感器的輸出連接于半導體的電子回路，傳感裝置本身全部由光學(xué)器件構成，故具有抗電磁干擾(EMI)特性;

　　(3)計測范圍廣，沒(méi)有鐵心磁飽和的制約，同時(shí)，法拉第效應的響應速度快，具有從低頻到高頻、到大電流的廣闊測量范闈;

　　(4)因為信號通過(guò)光纖傳輸。波形畸變小。傳輸損耗小，故可實(shí)現長(cháng)距離的信號傳輸。

　　光纖電流傳感器在電力系統中的應用

　　國外在六十年代就已開(kāi)始對光纖電流傳感器進(jìn)行研究。美國、日本及西歐的一些國家的研究機構和一些電氣儀器公司都在此領(lǐng)域作了大量的工作，如美國國家標準與技術(shù)研究所、貝爾實(shí)驗室、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(kāi)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單相高電壓光學(xué)計量用的電流互感器，可靠地運行兩年多后拆除。電站的常規電壓互感器為OCT 提供電壓。在一年的千瓦小時(shí)的計量中，與參照系統比僅變化0.08%。按照各種預定的條件如負載、溫度、濕度以及電磁干攏等條件下完成了其應負的任務(wù)。在變電站的環(huán)境中，展現出穩定、準確的性能。

　　國內應用法拉第效應的光學(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(kāi)的“激光工業(yè)應用座談會(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。

　　據第15 屆國際光纖傳感器會(huì )議統計在FOS市場(chǎng)份額中，“應力”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(lèi)型來(lái)說(shuō)，“光纖光柵”占44.2%，“分光計”占11.1%，“散鐘反射”占10%，“Fraday旋光效應”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中電流的測量，而且與電機制造廠(chǎng)、測量?jì)x器儀表廠(chǎng)結合，還可研制開(kāi)發(fā)線(xiàn)路事故點(diǎn)的標定裝置及事故區間的判定裝置等一系列電力系統的測量、診斷裝置。如下圖所示。

圖三是基于法拉第電磁效應的光纖電流傳感器外觀(guān)

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