基于LTC1068光纖電流互感器的二次側信號處理

摘要 介紹了基于法拉第效應的光纖電流互感器的基本原理，并利用開(kāi)關(guān)電容濾波器LTC1068進(jìn)行光纖電流互感器二次側信號處理的設計方法。給出的測試結果表明，利用LTC1068進(jìn)行二次側信號的處理方法實(shí)用有效，完全滿(mǎn)足測量要求。
關(guān)鍵詞 LTC1068；光纖電流互感器；法拉第效應；FilterCAD

電流互感器是電力系統不可缺少的部件，隨著(zhù)輸電電壓和電流等級的不斷提高，對電力系統運行的可靠性和測量精確度要求越來(lái)越高，傳統的電磁式電流互感器由于存在磁滯、磁飽和、絕緣性差、充油易爆炸、質(zhì)量重等缺點(diǎn)已難以滿(mǎn)足測量要求。光纖電流互感器(Fiber Opt ic Current Transducer，FOCT)因其不充油、絕緣性能好、精度高，將成為傳統電磁式互感器的替代產(chǎn)品，受到廣泛的重視。然而，光纖電流互感器具有光纖陀螺儀等光學(xué)傳感器所共同面臨的隨機噪聲問(wèn)題，該問(wèn)題成為限制光纖電流互感器在電能計量應用的主要要素之一。光纖電流互感器隨機噪聲來(lái)源于光源相干噪聲、光源強度噪聲、光電探測器散粒噪聲、電子器件熱噪聲、環(huán)境噪聲、器件老化等各種因素所導致的時(shí)變噪聲。因此，噪聲的抑制成為光纖電流互感器研究最大的問(wèn)題。目前在光纖電流互感器中抑制噪聲的方法主要有：(1)在光路上用退火光纖繞制傳感頭來(lái)降低線(xiàn)性雙折射引起的噪聲，這種方法的缺點(diǎn)是退火光纖使用壽命較短，不適合長(cháng)期工作。(2)光電轉換后使用傳統的運放、電阻及電容搭建高階濾波器，這種設計方法的缺陷是電路結構復雜，且截止頻率的精度完全依賴(lài)運放外部的電容及電阻的精度。文中提出一種使用新型開(kāi)關(guān)電容濾波器設計光纖電流互感器濾波電路，這種方法設計簡(jiǎn)單，且截至頻率精度主要取決于外部時(shí)鐘，容易設計高精度濾波器。

1 法拉第效應的光纖電流互感器原理
基于法拉第效應的光纖電流互感器原理圖如圖1所示。

法拉第旋光效應的實(shí)質(zhì)是線(xiàn)性偏振光在介質(zhì)中傳播時(shí)，光的偏振面在外磁場(chǎng)作用下發(fā)生旋轉，旋轉的角度與磁場(chǎng)強度的大小和在介質(zhì)中光與磁場(chǎng)發(fā)生作用的長(cháng)度及材料的性質(zhì)有關(guān)。
法拉第磁光效應可描述為

式中，θF為線(xiàn)偏振光的法拉第旋轉角；V是費爾德常數；H為電流在光路方向上產(chǎn)生的磁場(chǎng)強度；L為磁光材料中通光路徑；μ0為磁導率；N為繞載流導體的光纖圈數，當光路圍繞導體一周的閉合路徑時(shí)N=1。
圖1是單光路檢測法的原理圖。在這種光的檢測方案里，光源發(fā)出的單色光經(jīng)起偏器變成線(xiàn)偏振光后進(jìn)入磁光介質(zhì)，再經(jīng)過(guò)檢偏器進(jìn)入光電探測器。設檢偏器的透光軸與起偏器的透光軸夾角為φ，法拉第旋轉角為θF，則探測器接收到的光強J為

根據式(3)可以求得φ±45°。它表明檢偏器的方位角為45°時(shí)，探測器θF對有最大靈敏度。所以式(2)變成

當轉角θF較小時(shí)，sin2θF≈2θF。顯然，通過(guò)探測器測出J即可由式(4)求出旋轉角θF，進(jìn)而得出被測電流的大小。