一種無調制器的全光纖光學電流互感器

羅蘇南，閻嫦玲，邵通廣，丁 曄，須 雷，劉東超

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

電流互感器是交直流電力系統的關鍵設備之一，其主要作用是測量一次電流，為交直流控制保護等二次裝置提供準確的一次電流穩態和暫態信息。光學電流互感器具有動態范圍大、線性度好、暫態特性好、體積小、重量輕、絕緣簡單可靠等優勢［1-5］，可以較好地解決常規電磁式互感器存在的大電流易飽和、暫態特性差、體積大安裝使用不方便、充油充氣易燃易爆等問題。國內外關于光學電流互感器的研究已有近40 年的時間，光學電流互感器在交直流電力系統中的應用也有10多年的時間［6-10］。

目前研究及應用的光學電流互感器主要以采用鈮酸鋰相位調制器或PZT相位調制器的全光纖光學電流互感器為主［11-20］。基于鈮酸鋰調制器或PZT調制器的光學電流互感器測量精度、動態范圍、響應時間、抗振性能等主要性能指標已基本可以滿足交直流工程電流測量需求，但存在兩方面不足，一是光路系統復雜，成本較高，二是采集單元與傳感環的距離受原理限制不能滿足長距離信號傳輸要求，因此光學電流互感器的應用受到一定限制。

光學電流互感器實際應用中，有些場合（如在線監測）對光學電流互感器的成本較為敏感但對測量精度等性能要求相對不高，針對這類應用需求，研制了一種無調制器的全光纖光學電流互感器，無調制器全光纖光學電流互感器采用Faraday旋光鏡實現相位偏置，不需要鈮酸鋰相位調制器或PZT相位調制器，光路簡單，采集單元成本降低50%左右，且采集單元與光纖傳感環可以實現遠距離布置。

1 系統構成

無調制器全光纖光學電流互感器由光纖傳感環、遠端光模塊及采集模塊3 部分構成，光纖傳感環和遠端光模塊就地安裝，采集模塊布置于二次控制室，遠端光模塊與采集模塊間采用單模光纖進行光信號傳輸。采集模塊由光源SLD、單模耦合器、PD 及信號處理電路構成，遠端光模塊由起偏器和分束器構成，光纖傳感環由1/4 波片、傳感光纖及Faraday 旋光鏡構成。圖1所示為雙通道無調制器全光纖光學電流互感器各組織部件構成示意圖。

圖1 無調制器全光纖光學電流互感器構成示意圖Fig.1 Schematic diagram of all fiber optical current transformer without modulator

2 工作原理

采集模塊內的寬帶光源發出的激光經過退偏后進入耦合器，之后通過單模光纖進入遠端光模塊，遠端光模塊內的起偏器將輸入光變成線偏振光，并經分束器及45°熔點后輸出兩相互正交的線振偏光，這兩束線偏振光通過保偏光纖進入光纖傳感環，傳感環內兩相互正交的線偏光通過λ/4波片后變成兩相互正交的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。兩束正交的圓偏振光在傳感光纖中傳輸，光纖傳感環纏繞在一次導體外，導體中電流的Faraday 磁光效應使兩束圓偏光產生與被測電流大小成正比的相位差。兩束圓偏光到達傳感光纖尾部的法拉第旋光鏡后被反射，沿傳感光纖返回。法拉第旋光鏡包含一個22.5°的Faraday 旋光片和反射鏡，兩束圓偏光正向通過22.5°的法拉第旋光鏡后會產生45°相位差，經反射鏡反射后再次通過22.5度的法拉第旋光鏡并再次產生45°相位差，來回共產生90°相位差。同時兩圓偏振光在光纖傳感環末端的反射鏡處反射后返回過程中，偏振方向互換，兩束圓偏光再次歷經電流磁場的Faraday磁光效應，二者產生的相位差將變成原來的2倍。即在被測電流和法拉第旋光鏡的作用下，往返經過傳感光纖和法拉第旋光鏡后，兩束圓偏光光的相位差最終為：

式（1）中，Δφ為Faraday 相位差，V為光纖的Verdet 常數，N為光纖傳感環匝數，I為一次導體中被測電流大小。

返回時兩圓偏光經λ/4波片后又變成線偏光。相對于正向傳輸的兩束相互正交的線偏振光，返回的兩束相互正交的線偏光發生了互換，即正向傳輸的X 光變為反向傳輸的Y 光，正向傳輸的Y 光變為反向傳輸的X光。可見該光路結構的光學電流互感器在分束器后的光纖傳感環部分具有互易性，能在一定程度上消除溫度、振動等外部干擾的影響。

返回的兩束偏振光的相位差攜帶了電流信息，二者在分束器和1/4波片間的45°熔點處產生干涉，之后分束器將干涉光分成兩路正交偏振光。一路經起偏器和耦合器輸出抵達第一路光電探測器PD1（PD，Photo Diode），另一路偏振光經單模光纖抵達第二路探測器，兩路探測器完成光電轉換，信號處理電路從兩個PD輸出的電信號中可解調出一次電流信息。

考慮到法拉第旋光鏡（FRM）的旋光角偏差，設法拉第旋光鏡（FRM）的單程旋光角為：

式（2）中，Δα為FRM旋轉角偏差。則兩個探測器輸出的電信號分別為：

根據式（7）利用信號處理電路便可求得被測電流I。

3 性能測試及分析

對研制的無調制器全光纖光學電流互感器樣機性能進行了全面測試，測試試驗包括傳感環溫度特性測試、線性度及大電流誤差測試、諧波測量特性測試、傳感環抗振特性測試等。

3.1 溫度特性測試及分析

實際運行時光纖傳感環及遠端光路模塊通常置于戶外，采集模塊置于室內，為驗證戶外部件的溫度特性，對光纖傳感環及遠端光路模塊進行溫度特性測試試驗。將光纖傳感環及遠端光路模塊置于溫度控制箱進行-40 ℃～+50 ℃溫度特性測試，圖2 所示為溫度特性測試試驗線路圖。

圖2 溫度特性測試試驗線路圖Fig.2 Temperature characteristic test circuit diagram

試驗結果如圖3所示。

圖3 溫度特性測試試驗Fig.3 Temperature characteristic test

由圖3 可見，在-40 ℃～+50 ℃溫度范圍內光纖傳感環及遠端光路模塊的特性變化會使光學電流互感器的測量誤差偏至-1%～+1.5%。光纖傳感環及遠端光路模塊中受溫度影響較大的器件主要是Faraday 旋光鏡，Faraday 旋光鏡的旋轉角度易受溫度影響。因此，無調制器全光纖光學電流互感器的應用需要考慮溫度影響，對于在線監測等對測量精度要求不高的場合，可以使用無調制器全光纖光學電流互感器。

3.2 線性度及大電流誤差測試

研制的樣機額定一次電流In為1 000 A，對樣機在5%In～200%In的線性度及20In的大電流測量誤差進行了測試試驗，測試結果如表1所示。由表1可見，無調制器全光纖光學電流互感器的常溫測量精度滿足1級及5P20要求。

表1 線性度及大電流誤差測試Table 1 Linearity and large current error test

3.3 諧波測量特性測試及分析

為驗證無調制器全光纖光學電流互感器的諧波測量特性，對樣機在50 Hz～1 000 Hz 頻率范圍的測量特性進行了測試試驗，測試結果如表2所示。

表2 諧波測量特性測試Table 2 Harmonic measurement characteristic test

由表2 可見，在50 Hz～1 000 Hz 頻率范圍，無調制器全光纖光學電流互感器的比差隨頻率的增高而增大，20次諧波（1 000 Hz）的測量誤差為-5%，諧波測量特性滿足《GB 20840.6 互感器第6部分低功率互感器的補充通用技術要求》的要求。影響諧波特性的主要環節是采集模塊信號處理電路的低通濾波，樣機信號處理電路低通濾波的截止頻率是2 kHz，提高信號處理電路低通濾波的截止頻率可以改善互感器的諧波測量特性。

3.4 抗振特性測試及分析

實際運行時光纖傳感環安裝于戶外，要求光纖傳感環具有較好的抗振特性。將光纖傳感環置于振動試驗臺進行抗振特性測試，如圖4所示，按照《GB 14537-1993 量度繼電器和保護裝置的沖擊與碰撞試驗》一級振動試驗要求對光纖傳感環進行碰撞試驗，碰撞時間間隔6s。

圖4 光纖傳感環振特性試驗Fig.4 Vibration characteristic test of optical fiber sensing ring

試驗表明無調制器全光纖光學電流互感器光纖傳感環在承受1 級10G 的碰撞振動時，光學電流互感器的輸出無異常，光纖傳感環受振動很小。

無調制器全光纖光學電流互感器的傳感光纖采用保圓光纖，保圓光纖具有較好的抗彎曲特性及抗振性能，同時互感器光纖傳感環的光路具有互易性，因此無調制器全光纖光學電流互感器光纖傳感環具有較好的抗振性能。

4 結論

基于Faraday 旋光鏡的無調制器全光纖光學電流互感器不需要鈮酸鋰相位調制器或PZT 相位調制器，光路系統簡單，成本是調制器全光纖光學電流互感器的一半左右，采集模塊可以實現遠距離布置，較好地解決了調制器全光纖光學電流互感器成本高、采集單元不能遠距離布置的缺陷。但無調制器全光纖光學電流互感器的溫度特性、測量精度及動態范圍目前還達不到調制器全光纖光學電流互感器的水平，需要進一步深入研究，Faraday旋光鏡的溫度特性是影響無調制器全光纖光學電流互感器溫度特性的主要因素。對于在線監測等某些對測量精度要求不高的場合，無調制器全光纖光學電流互感器可以發揮其成本低、采集單元能遠距離布置的優勢，有一定的應用前景。