磁光電流互感器設計原理與應用

尹士玉 張瑞琦 陳默 孫國棟 邱松 鄧雅琦 陳昌鑫 北方工業大學機械與材料工程學院

隨著中國經濟的發展，電力系統扮演著越來越重要的角色。高電壓、大功率、強電流的電力系統越來越多，對該系統的常規測量技術為利用電磁感應原理制作的電流傳感器。該電流傳感器存在體積大、質量重、制作成本高、安全性差、測量誤差大等缺點。隨著基于法拉第電磁感應效應為原理的光纖電流傳感器的問世，傳統電流傳感器存在的問題將被逐一解決。光纖電流傳感器具有無鐵芯、體積小、重量輕、絕緣結構簡單可靠、線性度好等優點。本文將對光纖電流傳感器中的磁光光纖電流傳感器的原理與制作進行討論，并對光纖電流傳感器的應用進行介紹。

1 磁光電流互感器工作原理與設計圖

光電式電流傳感器分為無源型和有源型兩大類，分別以法拉第磁光效應和電磁感應為原理。以下是兩種電流傳感器的設計制作介紹。

1.1 無源型磁光電流互感器

無源型磁光電流互感器是以法拉第磁光效應為原理工作的，電流通過磁光電流傳感器，電流的大小使電流互感器的線偏振光的旋轉角度隨之改變，偏轉角度作為一個信號經過變送器的處理，可以在二次輸出端輸出二次電流信號，此信號與一次電流成正比。（參考圖1）

無源型傳感器是指傳感頭是不需要供電電源的電子式電流傳感器。光的振動方向和光波的前進方向固定于某一方向時，叫做線偏振光。線偏振光在穿過介質的過程中，受到外磁場的作用，光的振動面會轉過一定角度，可以通過一定公式計算出偏轉角，由此得出導體的電流強度，從而得到電流的信息。

圖1

所以無源型MOCT由磁光材料敏感器件連接光學轉換器件，然后連接變送器，最后由變送器輸出的二次電流顯示在屏幕上。無源型電流互感器為純光結構，一次傳感器為磁光玻璃，光彈系數小，均勻性好，在光源的光譜范圍內具有良好的透明性，具有很高的Verdet常數，受溫度影響小，具有各向同性。磁光玻璃的應用使其安裝、運行和檢修更加方便。MOCT通過光纖傳輸信號，使得數據傳輸抗電磁干擾性好，傳輸更加安全、準確和迅速。

1.2 磁光玻璃光纖電流傳感器

圖2

設計如圖2，光源發出的光經過起偏器，產生偏振光，經保偏光纖耦合到磁光玻璃光纖，經過通電電流產生的磁場的作用后輸出，經過渥拉斯頓棱鏡，經過計算可以得到通過導線的電流。

此類功能型光纖傳感器利用光纖本身對外界被測對象具有的敏感能力和檢測功能，光纖在傳導過程中對被測對象的偏振態等光學特性進行調劑，使得調劑后的信號攜帶了被測的信息。（見圖3）

圖3

并且此傳感器采用法拉第旋光玻璃拉成的光纖作為傳感器探頭，經過退火處理，很好的解決了線性雙折射問題，避免了因線性雙折射導致的偏振態退化。用保偏光纖傳導，能夠測量大電流，測試的靈敏度較高，而且絕緣性好，體積小，重量輕，可以更好的滿足各個電力系統的需要。此傳感器可以在無磁場時通過零點定標校正光纖耦合帶來的光強損失和偏振態的變化。而系統的靈敏度，也在磁光玻璃的使用下，通過其本身Verdet常數較大的特性以及增加光在磁場中傳輸的有效長度的方式，有效的得到了提高和改善。

2 光纖電流傳感器的應用

光纖電流傳感器可用于電力系統中電流的測量，而且與電機制造廠、測量儀器儀表廠結合，還可研制開發線路事故點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、檢測裝置。

2.1 在電力系統中，對測量大電流的應用

光纖電流傳感器可用于對電力系統中，高電壓、大電流的測量。利用光纖電流傳感器進行測量，可解決傳統電流傳感器含油，可能發生爆炸的情況；光纖電流傳感器可以與高壓線路完全隔離，滿足絕緣要求，做到安全可靠；可解決傳統電流傳感器不能測量直流的問題，不含交流線圈，不存在輸出線圈開路的危險。但光纖電流傳感器也存在線性雙折射效應，該現象影響了光纖電流傳感器的實際應用。通過改善光纖材料本身的雙折射特性、設計傳感頭的結構、利用光學玻璃制作傳感頭可有效減輕光纖電流傳感器的雙折射效應。

2.2 在煤礦井下電流測量的應用。

煤礦井下，供電線路長、電磁環境干擾強、負載工作情況較復雜，測量電流的技術要求高。采用磁光電流傳感器進行測量，以光纖作為信號傳輸介質。其不受電磁輻射的影響，適用于各種電磁噪聲環境。磁光電流傳感器系統采用以MCS-51單片機為核心的智能化傳感器，多臺傳感器可以與上位IBM-PC機組成一個控制系統。每臺傳感器的軟件部分由自檢程序、初始化程序、采樣及A/D轉換程序、動態排序比較程序、復合數字濾波程序、函數擬合算法程序等組成。傳感器系統存在光探頭誤差、放大器誤差、A/D轉換器誤差和函數擬合誤差，通過各種措施，可將每個誤差控制在可接受范圍內。

2.3 在變電站中的應用

全光纖電流互感器具有測量精度高、動態范圍寬、抗環境電磁干擾能力強、敏感環安裝方式簡單靈活等特點。在工作過程中，光源發出的光被分成兩束沿光纜傳播，經反射鏡的反射，并發生互換，最終回到光電探測器出并發生相干疊加，通上電流后，在通電導體周圍的磁場作用下，兩束光波出現相位差，探測器處的光強發生變化，通過測量光強的大小，來得出對應電流的大小。全光纖電流互感器的閉環控制技術擴大了準確度下的動態范圍，共光路和差動信號解調方式提高了抗干擾能力，全光纖結構提高了系統的可靠性。與傳統電流互感器相比，具有很大的優勢。

隨著科技的發展，光電電流傳感器的應用前景更加廣泛。利用光纖電流互感器可實現與光纖通信技術的結合，使傳感系統陣列話和網絡化。還可將光纖傳感技術與現代數據處理技術相結合，以實現光纖電流傳感器的智能化。除現在應用最為廣泛的利用光纖電流傳感器測量電流外，還可根據其特性研究其對其它物理參量的測量，實現光纖電流傳感器應用的多功能化。

3 結束語

光纖電流傳感器與傳統電流傳感器相比，優勢明顯，安全性能更加可靠，在未來可全面替代傳統電流傳感器。但光纖電流傳感器還存在一些問題，如雙折射效應、靈敏度隨溫度和偏振方位的變化而變化等。這些問題會限制光纖電流傳感器的大面積普及，因此，解決上述問題，將其控制在一定的范圍內，是仍需進一步研究的地方。

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