新型電流互感器對計量誤差影響研究

張英　劉曉輝　張建民　蔚曉明

摘 要： 為了研究新型光纖電流互感器對計量可能造成的誤差，分析了新型光纖電流互感器誤差產生的幾個因素，并針對這幾個因素做了對新型光纖電流互感器的誤差分析。通過對[14]波片以及Verdet常數溫升實驗，實驗結果表明新型光纖電流互感器精度非常高，勢必會成為新一代互感器的代替品。本文先從光纖電流互感器的基本原理說起，隨后分析了影響光纖電流互感器性能參數的幾個誤差因素，并針對其中的一些誤差因素提出了解決措施并做了實驗加以驗證。

關鍵字： 光纖電流互感器； 法拉第效應； 誤差分析； 計量誤差

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0154?02

傳統電流互感器是基于電磁感應原理，其性能與新型光纖電流互感器相比相去甚遠，已經逐漸不能滿足業內應用要求。傳統電流互感器制造工藝復雜，有絕緣性不好、動態范圍狹窄、產生輸出信號跟計算機及保護設備接口不匹配、容易形成鐵磁諧振等缺點。然而新型光纖電流互感器卻有著與上述缺點相反的優點，其勢必會被大面積應用。因此，探討新型光纖電流互感器技術是很有必要的。

1 新型光纖電流互感器主要原理

光纖電流互感器基于法拉第效應的原理，如圖1所示。

圖1 光纖電流互感器原理圖

法拉第磁光效應原理是指在外磁場影響下，從光源發送的單色光在途經偏振器后，光在偏振面上發生旋轉，從而產生出一個旋轉角度，旋轉的角度與外界磁場強度的大小、光在介質中傳播時與磁場產生作用的長度以及材料本身固有的性質等有關。

法拉第磁光效應原理可用下述公式來進行描述：

[θf=VBL=μ0VHdL=μ0VNI] （1）

式中：[θf]為線偏振光的法拉第旋轉角度；[μ0]為磁導率；[V]是費爾德常數；[H]為光傳播方向上電流產生的磁場強度；[L]為磁光介質的光傳播路徑；[N]為環繞載流體的光纖圈數，在環繞導體一周的光閉合路徑時[N=1。]

從光源產生出的單色光在傳播方向上途經光起偏器就會變成偏振光，然后令其通過磁光介質，再到達光路檢偏器中，最后進入到光電探測儀器中。設[θf]為法拉第磁光效應旋轉角，[φ]為起偏器和檢偏器透光軸之間夾角，通過光探測器接收到的光強度為[J]則：

[J=E20cos2（φ-θf）] （2）

式中[E20]為入射光強度。

[θf]變化對[J]產生的最大靈敏度可通過公式（3）求得，令：

[?J?θfθf=0=0] （3）

根據式（3）可以求得[φ=]±45°。這表明探測器[θf]對應的最大靈敏度對應檢偏器的方位角為45°。所以式（2）變成：

[J=12E201±sin2θf] （4）

[sin2θf≈2θf]條件是轉角[θf]較小時，為求得被測電流的大小可通過探測器測出[J，]根據式（4）計算出旋轉角[θf，]進而算出被測電流。

2 光路誤差分析

根據上述原理針對光纖電流互感器光路產生的誤差做了分析，其主要包括如下：對軸角度誤差、起偏器消光比、線性雙折射誤差、集成光學相位調制器誤差、傳感光纖Verdet常數、[14]波片位相差以及光源噪聲等因素。互感器系統中最主要誤差源是[14]波片位相差誤差、線性雙折射誤差及傳感光纖Verdet常數。

（1） 傳感光纖Verdet常數誤差

傳感光纖Verdet常數是光波波長和環境溫度的函數，對磁致旋光效應起著重要影響作用，其與互感器變比成正比關系。通過穩定光源功率可以比較精確地控制中心波長，那么磁光晶體Verdet常數對于普通二氧化硅光纖來說，就同溫度成正比例關系。Verdet常數和溫度的正比例關系近似為：

[1V?（?V）（?T）=0.7×10-4] （5）

式中：[V]是傳感光纖Verdet常數，1 310 nm波長下其值大約為1.10×10-6 rad/A；[T]是環境溫度。

由式（5）可以看出，當環境溫度在-40～60 ℃區間內波動時，傳感光纖Verdet常數會產生變化，這個變化會導致互感器變比漂移0.7%左右，必須消除Verdet常數變化帶來的影響。

（2） 光纖傳感線性雙折射誤差

從光源發出的光進入偏振器后會因光的雙折射而使光的偏振面發生旋轉，其會導致產生一個與法拉第磁效應偏角無任何差異的誤差信號，這會造成光纖電流互感器測試性能大幅降低，影響其實用化。消除雙折射至關重要，而引發光纖中雙折射因素又分為自身固有因素和外界因素，自身固有因素主要由生產工藝中光纖纖芯非圓導致，外界因素則是溫度，形狀和壓力等引起。

上面分析了引發雙折射的因素，為了消除其帶來的影響，可以通過改變傳感光纖自身固有因素，或者引入大量圓雙折射，而通過降低光纖的非圓率及內應力則是減小固有雙折射的有效方法。

（3） [14]波片位相差誤差

溫度會影響[14]波片，令其發生變化，進而導致光的偏振態發生變化，這會嚴重影響互感器的精度。下面采取了補償方法消除其影響，所謂的補償方法就是令波片溫度產生的誤差跟Verdet常數受溫度影響而產生的誤差相反，達到其二者對互感器變比的影響相互抵消。為了達到此目的，則必須先確定[14]波片初始位相差。理論分析結果表明：互感器全溫變比誤差在只有波片受溫度影響時約為0.627%；互感器全溫變比誤差在只有Verdet常數受溫度影響時約為0.63%；在經過波片和Verdet常數互相補償后，互感器變比相對誤差約為0.117%，這個效果還是非常令人滿意的。

3 實驗測試

通過上述方法基本上可以消除大部分光路誤差影響，下面是依據標準（互感器標準IEC 60044?8）做的實驗。

（1） 溫度上升實驗。先把待測互感器傳感頭部分放置在溫度實驗箱中，然后把溫度試驗箱中溫度調整為-30～70 ℃范圍內令其變化，在溫度變化區間內分別設置測試點-30 ℃，-15 ℃，0 ℃，15 ℃，30 ℃，50 ℃，在這些測試點上分別保溫60 min。每次在結束保溫前8 min分別對互感器樣機輸入不同采樣點的直流電（采樣點：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），測得響應輸出。針對各個測試溫度點分別求得樣機溫度點變化比。實驗結果如圖2所示。

圖2 -30～50 ℃互感器變化誤差

（2） 精確度實驗。室溫條件下，對樣機做穩態測量誤差實驗。以月每3天為一個測試點，每次測試時，分別對互感器樣機輸入如下采樣點的直流電（采樣點：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），測得互感器樣機響應輸出。互感器變比憑借對應輸入輸出通過以最小二乘方法擬合求得。測試結果如圖3所示，互感器測量精確度在常溫條件下達到了0.1%。

圖3 互感器室溫變化誤差

4 結 語

首先對新型光纖互感器的基本原理進行了介紹，然后分析了在光的傳播路徑上產生的主要誤差源，以及這些誤差源所產生的影響，進而提出了解決這些誤差源的抑制措施。根據行業標準（電子式電流互感器IEC 60044?8）進行了樣機的準確度實驗。實驗結論表明：在正常室溫條件下，樣機測量變比準確度達到了0.1%，在-30～50 ℃范圍內樣機測量變比誤差優于0.2%；由此可見，新型光纖電流互感器的優點是不言而喻的，其電氣絕緣性好，造價低，占地少，動態范圍大，不發生飽和現象等優點，勢必會使其應用成為必然趨勢。

參考文獻

[1] 婁鳳偉，鄭繩楦，趙鑫泰.光纖電壓互感器的現狀及發展[J].傳感器技術，2002，21（5）：5?7.

[2] 王政平，康崇，張雪原，等.光學電流互感器的問題與解決對策[J].傳感器技術，2005，24（5）：5?7.

[3] 廖延彪.偏振光學[M].北京：科學出版社，2003.

[4] 張晞.光纖陀螺閉環檢測與控制[D].北京：北京航空航天大學，2001.

[5] 王政平，李慶波，齊異，等.Verdet常數色散對光學電流傳感器靈敏度影響的理論研究[J].哈爾濱工程大學學報，2004，25（2）：188?191.

[6] 牛利濤，彭金寧，兀鵬越，等.電流互感器鐵心飽和對繼電保護的影響和處理方法[J].現代電子技術，2012，35（24）：191?194.

3 實驗測試

通過上述方法基本上可以消除大部分光路誤差影響，下面是依據標準（互感器標準IEC 60044?8）做的實驗。

（1） 溫度上升實驗。先把待測互感器傳感頭部分放置在溫度實驗箱中，然后把溫度試驗箱中溫度調整為-30～70 ℃范圍內令其變化，在溫度變化區間內分別設置測試點-30 ℃，-15 ℃，0 ℃，15 ℃，30 ℃，50 ℃，在這些測試點上分別保溫60 min。每次在結束保溫前8 min分別對互感器樣機輸入不同采樣點的直流電（采樣點：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），測得響應輸出。針對各個測試溫度點分別求得樣機溫度點變化比。實驗結果如圖2所示。

圖2 -30～50 ℃互感器變化誤差

（2） 精確度實驗。室溫條件下，對樣機做穩態測量誤差實驗。以月每3天為一個測試點，每次測試時，分別對互感器樣機輸入如下采樣點的直流電（采樣點：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），測得互感器樣機響應輸出。互感器變比憑借對應輸入輸出通過以最小二乘方法擬合求得。測試結果如圖3所示，互感器測量精確度在常溫條件下達到了0.1%。

圖3 互感器室溫變化誤差

4 結 語

首先對新型光纖互感器的基本原理進行了介紹，然后分析了在光的傳播路徑上產生的主要誤差源，以及這些誤差源所產生的影響，進而提出了解決這些誤差源的抑制措施。根據行業標準（電子式電流互感器IEC 60044?8）進行了樣機的準確度實驗。實驗結論表明：在正常室溫條件下，樣機測量變比準確度達到了0.1%，在-30～50 ℃范圍內樣機測量變比誤差優于0.2%；由此可見，新型光纖電流互感器的優點是不言而喻的，其電氣絕緣性好，造價低，占地少，動態范圍大，不發生飽和現象等優點，勢必會使其應用成為必然趨勢。

參考文獻

[1] 婁鳳偉，鄭繩楦，趙鑫泰.光纖電壓互感器的現狀及發展[J].傳感器技術，2002，21（5）：5?7.

[2] 王政平，康崇，張雪原，等.光學電流互感器的問題與解決對策[J].傳感器技術，2005，24（5）：5?7.

[3] 廖延彪.偏振光學[M].北京：科學出版社，2003.

[4] 張晞.光纖陀螺閉環檢測與控制[D].北京：北京航空航天大學，2001.

[5] 王政平，李慶波，齊異，等.Verdet常數色散對光學電流傳感器靈敏度影響的理論研究[J].哈爾濱工程大學學報，2004，25（2）：188?191.

[6] 牛利濤，彭金寧，兀鵬越，等.電流互感器鐵心飽和對繼電保護的影響和處理方法[J].現代電子技術，2012，35（24）：191?194.

3 實驗測試

通過上述方法基本上可以消除大部分光路誤差影響，下面是依據標準（互感器標準IEC 60044?8）做的實驗。

（1） 溫度上升實驗。先把待測互感器傳感頭部分放置在溫度實驗箱中，然后把溫度試驗箱中溫度調整為-30～70 ℃范圍內令其變化，在溫度變化區間內分別設置測試點-30 ℃，-15 ℃，0 ℃，15 ℃，30 ℃，50 ℃，在這些測試點上分別保溫60 min。每次在結束保溫前8 min分別對互感器樣機輸入不同采樣點的直流電（采樣點：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），測得響應輸出。針對各個測試溫度點分別求得樣機溫度點變化比。實驗結果如圖2所示。

圖2 -30～50 ℃互感器變化誤差

（2） 精確度實驗。室溫條件下，對樣機做穩態測量誤差實驗。以月每3天為一個測試點，每次測試時，分別對互感器樣機輸入如下采樣點的直流電（采樣點：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），測得互感器樣機響應輸出。互感器變比憑借對應輸入輸出通過以最小二乘方法擬合求得。測試結果如圖3所示，互感器測量精確度在常溫條件下達到了0.1%。

圖3 互感器室溫變化誤差

4 結 語

首先對新型光纖互感器的基本原理進行了介紹，然后分析了在光的傳播路徑上產生的主要誤差源，以及這些誤差源所產生的影響，進而提出了解決這些誤差源的抑制措施。根據行業標準（電子式電流互感器IEC 60044?8）進行了樣機的準確度實驗。實驗結論表明：在正常室溫條件下，樣機測量變比準確度達到了0.1%，在-30～50 ℃范圍內樣機測量變比誤差優于0.2%；由此可見，新型光纖電流互感器的優點是不言而喻的，其電氣絕緣性好，造價低，占地少，動態范圍大，不發生飽和現象等優點，勢必會使其應用成為必然趨勢。

參考文獻

[1] 婁鳳偉，鄭繩楦，趙鑫泰.光纖電壓互感器的現狀及發展[J].傳感器技術，2002，21（5）：5?7.

[2] 王政平，康崇，張雪原，等.光學電流互感器的問題與解決對策[J].傳感器技術，2005，24（5）：5?7.

[3] 廖延彪.偏振光學[M].北京：科學出版社，2003.

[4] 張晞.光纖陀螺閉環檢測與控制[D].北京：北京航空航天大學，2001.

[5] 王政平，李慶波，齊異，等.Verdet常數色散對光學電流傳感器靈敏度影響的理論研究[J].哈爾濱工程大學學報，2004，25（2）：188?191.

[6] 牛利濤，彭金寧，兀鵬越，等.電流互感器鐵心飽和對繼電保護的影響和處理方法[J].現代電子技術，2012，35（24）：191?194.