大直流光纖電流檢測系統開發及應用

王樂建，胡軍

（1兗礦科澳鋁業有限公司，山東鄒城 273515；2山東省冶金工業總公司，山東濟南 250014）

經驗交流

大直流光纖電流檢測系統開發及應用

王樂建1，胡軍2

（1兗礦科澳鋁業有限公司，山東鄒城 273515；2山東省冶金工業總公司，山東濟南 250014）

為解決霍爾直測式傳感器測量電流誤差大的問題，兗礦科澳鋁業有限公司設計開發鋁電解大直流光纖電流檢測系統。通過改進傳感系統方案，建立動態檢測數學模型，搭建傳感器及其信號解調系統，并提出溫度等參數影響補償方法。應用表明，傳感器達到了直流大電流0.2%的測量精度要求。

電流傳感器；光纖；測量精度；信號解調系統

1 前言

隨著科技生產力的發展，直流用電量越來越大，直流大電流測量技術在工業生產和科研試驗中有著較為廣泛的應用。目前，在冶金、化工和電力行業，直流大電流測量技術大都采用霍爾磁電式電流傳感器，受溫度影響其誤差較大，測量技術水平還不能滿足工業發展的要求。兗礦科澳鋁業有限公司的306 kA直流電流電解槽系列，原采用的是霍爾磁電式電流傳感器，測量誤差在9 k～12 kA左右，相對誤差＞3%，且隨著外界溫度的變化，測試精度也會發生變化，較大的測量誤差和不確定性給生產和電力系統控制帶來了較大困難，對電解生產工藝也有著直接的影響。

以處于強磁場、高溫及多塵等復雜環境下的直流大電流檢測系統為研究對象，基于Faraday磁光效應對全光纖電流傳感器進行應用基礎研究。設計全光纖直流大電流檢測系統方案，利用Jones矩陣法與偏振態演化法結合，建立電流檢測系統物理和數學模型。結合光學器件的偏振演化和溫度等環境影響特性，建立動態反饋補償檢測模型，構建閉環式全光纖電流檢測系統。然后采用信號相關算法，提取混疊在復雜噪聲中的微弱傳感信號。實驗分析串擾與信號調制等因素對系統響應死區、靈敏度的影響，改善參數選擇，增加系統對有效相位變化的測量靈敏度，引入相應的去相關機制，有效抑制串擾形成的死區現象，最終實現全光纖直流大電流檢測系統性能的整體提高。在10 k～500 kA的測量范圍內將誤差控制在0.2%以內，為直流大電流的測量提供一種高精度、穩定可靠的手段，同時為電解工藝的進一步改善提供可靠的保障。

2 直流大電流檢測系統開發及優化

光纖電流傳感器是基于磁光效應并利用偏振光的干涉進行檢測且以光纖傳導信號的光纖電流傳感裝置。在分析器件性能、外界環境等對系統穩定性、測量精度影響的基礎上，改進傳感系統方案，建立動態檢測數學模型，搭建傳感器及其信號解調系統，并提出溫度等參數影響補償方法，構建適用于強磁場、高溫、多塵等復雜環境下的直流大電流檢測系統。

1）光纖電流傳感器偏振光干涉理論及數學建模分析。根據磁光效應，從偏振態的角度詳細分析偏振態變化的每個物理過程，針對反射式光纖電流傳感器進行理論分析計算，建立反射式電流傳感器的數學模型。結合金屬電解直流大電流檢測的測量范圍和測量精度等參數要求，對系統中的光學器件進行選型設計。

2）直流大電流檢測需求及光纖電流傳感器方案改進設計分析。在對傳感器設計方案傳感機理和性能特點分析的基礎上，綜合考慮測量范圍、精度、穩定性等主要性能參數［1］，通過改善光纖的固有雙折射，增大法拉第轉角，并利用Faraday效應的互易性，對傳感結構進行改進，建立反射式光纖電流傳感器模型。

3）系統誤差源及動態反饋補償檢測模型分析。對選擇的光學器件尤其是偏振器件進行光學性能以及外界溫度等參數影響實驗，分析器件指標變化規律，找出由起偏器誤差、調制器偏振調制誤差、λ/4波片誤差和光纖傳感頭線性雙折射誤差等主要誤差源的影響補償方式，在系統中引入動態方波偏置和數字相位斜坡反饋，采用方波調制提高測量靈敏度，采用階梯波反饋克服響應非線性和增大測量范圍，使光纖電流傳感器工作在靈敏度最高、自源性誤差實時補償的零相位的狀態。

4）信號算法研究分析。對相關解調算法進行理論推導，結合直流大電流檢測要求，分析其優缺點，提出消除初始光強和調制深度對測量結果影響的方法，對比分析全光纖電流傳感器理論模型中光電探測器輸出信號和調制信號的特征，設計根據特征點幅值的解調方法，并且根據光電探測器輸出信號的預處理情況，對直流耦合和交流耦合進行數學推導，利用相關軟件進行幅值解調算法仿真計算。

5）死區及響應靈敏度檢驗的分析。在高精度全光纖電流傳感器中，需要進行適當的系統參數選擇，以削弱干擾通道影響，增加系統對有效相位變化的測量靈敏度，同時還需要在調制與解調信號間引入相應的去相關機制，保證在解調環節有效抑制串擾形成的死區現象，提高系統性能［2-3］。

6）現場實驗測試及性能改進。將設計的全光纖直流大電流傳感器安裝于鋁電解生產的總直流側（約為320 kA），對系統在強磁場、高溫等復雜環境下進行長期實驗測試。主要考察設計系統的穩定性、靈敏度以及測量精度等指標。尋求誤差產生的原因，并對設計系統進一步改進。

3 應用效果

1）根據鋁電解大直流傳感器現場安裝的需要，利用鋁合金設計光纖傳感環的安裝結構，將其安裝在電流輸出大母線上，傳感光纖布設在鋁合金框架內，安裝后的整體系統包括光纖傳感頭、信號處理器及信號傳輸設備。信號利用光纜進行傳輸，傳輸至控制室上位機進行數字信號處理。

2）現場測量實時顯示主要包括實時電流曲線顯示和實時電流值顯示。通過電流值的顯示，可以直觀地看出當前電流值的大小，通過實時曲線可以看出電流變化的趨勢。

3）工業試驗表明，采用基于Faraday電磁效應，開發設計全光纖直流大電流傳感器，在廣泛進行實驗室實驗研究、現場測試的基礎上，最終實現了0.2%的測量精度要求。

4 結語

鋁電解大直流光纖電流傳感器及其信號解調系統開發和工業化應用項目的實施，從根本上解決了霍爾直測式傳感器存在的溫漂和強磁場影響等問題，得到高精度的大直流檢測，為電解工藝參數的控制、調整提供準確的參數依據，對電解系統的生產具有重要意義。并且準確的直流計量能夠真實地反映整流柜實際的輸出電流，提高了整流供電系統的安全性。兗礦科澳鋁業有限公司現有172臺電解槽，年產量大約為14萬t，噸鋁耗電15 000 kW/ h，按照提高測量精度2%來計算，可以實現約4 200萬kW/h的精確計量，為生產控制和電能優化配置提供了準確可靠的數據，可實現節能及設備運行維護費用效益達800萬元以上。大直流光纖電流傳感器的優化及應用，體現了光纖傳感器在強磁場環境下的應用潛力。

［1］王昌長，李福祺，高勝友.電力設備的在線監測與故障診斷［M］.北京：清華大學出版社，2006.

［2］朱德恒，嚴璋.電氣設備狀態監測與故障診斷技術［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［3］謝志萍.傳感器與檢測技術［M］.北京：電子工業出版社，2004.

TM933.1

B

1004-4620（2017）01-0069-02

2016-07-24

王樂建，男，1971年生，2011年畢業于山東省委黨校經濟管理專業。現為兗礦科澳鋁業有限公司工程師，從事生產管理工作。