方浚丞，陸安山

(欽州學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，廣西 欽州535000)

1 引言

電流是電力系統(tǒng)測(cè)量的基本參數(shù)之一，電流的測(cè)量可以為電力系統(tǒng)提供用于計(jì)量和繼電保護(hù)所必需的信息，電流測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度將直接影響計(jì)量的精度。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力傳輸容量不斷增加，輸電電壓等級(jí)也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的基于電磁感應(yīng)原理的電流互感器由于存在諸多缺點(diǎn)已經(jīng)難以滿(mǎn)足測(cè)量要求，其中最突出的問(wèn)題是絕緣問(wèn)題，電壓的提高給電流互感器的絕緣技術(shù)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn);另外，傳統(tǒng)的電流互感器體積龐大、質(zhì)量重，給生產(chǎn)、維護(hù)和運(yùn)輸帶來(lái)諸多困難［1］。因此，開(kāi)發(fā)一種新型的高壓大電流的電流互感器成為必然趨勢(shì)，并且有著極大的市場(chǎng)潛力。光纖傳感技術(shù)作為一種以光纖為介質(zhì)、光波為載體來(lái)感知和傳輸被測(cè)信號(hào)的新型傳感技術(shù)［2］。這種以光纖作為敏感元件的傳感器具有一系列獨(dú)特的、其他介質(zhì)難以相比的優(yōu)點(diǎn):光波不易受到電磁干擾且自身不對(duì)外界產(chǎn)生電磁干擾;光信號(hào)和電信號(hào)很容易實(shí)現(xiàn)互轉(zhuǎn);光纖傳感器測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍大、工作頻帶寬、傳輸損耗低;光纖本身是絕緣體，重量輕、體積小、抗電磁輻射性能好，特別適合于高電壓、空間小及強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下使用［3］。另一方面，光纖能夠感受的物理量較多，在實(shí)際的光傳輸過(guò)程中，光纖容易受如壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等環(huán)境因素的影響。這些環(huán)境因素的變化將引起光強(qiáng)、光頻率、光相位、光偏振態(tài)等光參數(shù)的變化，構(gòu)成了光波和外界環(huán)境交換的基礎(chǔ)，人們?nèi)绻軌驒z測(cè)出光參數(shù)的變化就可以知道引起這些參數(shù)變化的物理量(溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等)的大?。?］。

2 光纖電流互感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)起偏器變?yōu)榫€(xiàn)偏振光，然后進(jìn)入傳感光纖，傳感光纖的輸出進(jìn)入檢偏器檢偏，得到隨電流大小變化的光信號(hào)，再經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。起偏器和檢偏器都使用帶尾纖的，方便光路的連接。檢偏器的核心器件是渥拉斯頓棱鏡，封裝在金屬管中。由法拉第電磁效應(yīng)可知:當(dāng)電流大小為I，傳感光纖匝數(shù)為N時(shí)有:

其中，α為法拉第旋角;ν為光纖的費(fèi)爾德常數(shù);N為光纖繞過(guò)載流導(dǎo)體的匝數(shù)。設(shè)起偏器與檢偏器透光軸夾角為，由馬呂斯定律可知，檢偏器輸出光強(qiáng)為:

圖1 光纖電流互感器光路結(jié)構(gòu)Fig.1 Fiber optical structure current transformer

式中，E0為起偏器入射光強(qiáng)。

為獲得輸出光強(qiáng)J的變化對(duì)法拉第旋轉(zhuǎn)角α變化的最大靈敏度，令:

可以求得=±45°。它表明檢偏器與起偏器通光軸夾角為±45°時(shí)，光探測(cè)器對(duì)α有最大靈敏度。所以式(2)變成:

當(dāng)法拉第旋轉(zhuǎn)角α較小時(shí)，sin(2α)≈2α，故此時(shí)線(xiàn)性度也較好。顯然，測(cè)出光強(qiáng)大小就可以知道α大小，從而可以利用式(1)間接測(cè)量出電流大小?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，在本設(shè)計(jì)中使檢偏器的兩個(gè)檢偏軸與起偏器通光軸的夾角分別為45°和－45°，以獲取最大檢測(cè)靈敏度。

3 激光器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及光信號(hào)處理

在光纖電流互感器中光源是很重要的一部分，它為整個(gè)系統(tǒng)提供光信號(hào)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中激光器驅(qū)動(dòng)電路中的驅(qū)動(dòng)芯片選用烽火通信集團(tuán)微電子部生產(chǎn)的激光管驅(qū)動(dòng)芯片WGS51138。WGS51138是一種高集成、可編程的激光驅(qū)動(dòng)芯片，最高工作速度為622 Mbps。使用差分PECL數(shù)據(jù)，WGS51138可為發(fā)射激光器提供偏置電流和調(diào)制電流。調(diào)制輸出可直流耦合到激光二極管，使用交流耦合可有效地節(jié)約功耗。WGS51138包含自動(dòng)功率控制(APC)部分，它能在使用溫度范圍和使用壽命內(nèi)保持恒定的激光輸出功率。驅(qū)動(dòng)芯片連接圖如圖2所示。

圖2 激光管驅(qū)動(dòng)芯片連接圖Fig.2 Laser tube driver chip connection diagram

激光光源經(jīng)過(guò)起偏器起偏后變成了線(xiàn)偏振光，當(dāng)線(xiàn)偏振光經(jīng)過(guò)渥拉斯頓棱鏡后分為兩個(gè)輸出端的光強(qiáng)信號(hào)分別表示為:

由上式可以看出輸出光信號(hào)除了受α角變化影響外，還受光功率E0變化的影響。將J1分解為直流分量和交流分量，直流分量為E0/2，交流分量為(1/2)E0sin2α，將交流分量與直流分量相除可得:

石英玻璃光纖的費(fèi)爾德常數(shù)為:ν=7.2×10－7rad/A，光纖繞傳感頭的匝數(shù)50匝及最大被測(cè)電流1000 A帶入式(1)得，在量程范圍內(nèi)最大法拉第旋轉(zhuǎn)角為:α=νNI=7.2×10－7×50×1000=3.6×10－2rad≈2.06°，因此法拉第旋轉(zhuǎn)角很小，式(2)可近似為sin2α≈2α，即相除后的信號(hào)幅值大小與電流大小成線(xiàn)性關(guān)系［4］。信號(hào)檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 信號(hào)檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Signal detecting circuit configuration diagram

4 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

光纖電流互感器的傳感頭輸出信號(hào)是光強(qiáng)信號(hào)，而直接對(duì)光強(qiáng)信號(hào)處理比較困難，需經(jīng)光電轉(zhuǎn)換將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)前置放大以便后期處理。光探測(cè)器是光纖互感器的一個(gè)重要組成部分，它的性能指標(biāo)將直接影響檢測(cè)電路的性能。光纖電流互感器用的光探測(cè)器一般為光電二極管，其作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。一般光纖電流互感器對(duì)光探測(cè)器要求如下:

(1)響應(yīng)頻帶寬，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)特性好;

(2)線(xiàn)性度好，光強(qiáng)信號(hào)按比例轉(zhuǎn)換為電信號(hào);

(3)響應(yīng)度高;

(4)性能穩(wěn)定，噪聲小;

(5)暗電流小。

一般光電探測(cè)器都有一定的波長(zhǎng)選擇性，本設(shè)計(jì)所選用的光源中心波長(zhǎng)為1550 nm，因此選擇的光探測(cè)器也應(yīng)在1550 nm波長(zhǎng)有較好的響應(yīng)度。一般Si光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為200～1000 nm，InGaAs光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為800～1800 nm。因此應(yīng)選用InGaAs光電二極管作為本設(shè)計(jì)的光探測(cè)器有較高的響應(yīng)度。設(shè)計(jì)選用中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十四研究所生產(chǎn)的GD3560J型In-GaAs探測(cè)器。其光敏面直徑為0.3 mm。在圖4所示的測(cè)試條件下，該探測(cè)器的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，光譜響應(yīng)曲線(xiàn)如圖5所示。

圖4 InGaAs探測(cè)器測(cè)試條件Fig.4 InGaAs detector test conditions

圖5 光探測(cè)器光譜響應(yīng)曲線(xiàn)圖Fig.5 photodetector spectral response graph

該光探測(cè)器響應(yīng)速度快，在1550 nm波長(zhǎng)響應(yīng)度高，輸出線(xiàn)性好，很適合用在本系統(tǒng)中。光電轉(zhuǎn)換及交流放大電路如圖6所示。

圖6 光電轉(zhuǎn)換及交流放大電路Fig.6 Photoelectric conversion and AC amplifier circuit

將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)前置放大以便后期處理［5］。本設(shè)計(jì)中使用InGaAs光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，由于法拉第旋轉(zhuǎn)角很小，又由式(5)可知，在本設(shè)計(jì)中將交流分量和直流分量分別放大處理，因此在圖6中交流放大前先進(jìn)行了隔直處理［6］。光電探測(cè)器輸出的電流信號(hào)經(jīng)放大電路處理后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，設(shè)探測(cè)器輸出的交流電流大小為I，則運(yùn)放輸出的電壓V大小為:

本系統(tǒng)所測(cè)量對(duì)象是工頻交流電，其頻率為50 Hz，而光纖電流互感器的傳感器件存在大量的噪聲，主要來(lái)源于光源的噪聲、振動(dòng)引起的噪聲，因此必須設(shè)計(jì)帶通濾波器，以濾除這些噪聲。本系統(tǒng)選用了美國(guó)BB公司生產(chǎn)的一款通用的有源集成濾波器UAF42，可廣泛應(yīng)用于低通、高通、帶通、帶阻濾波器設(shè)計(jì)，其內(nèi)部包含兩個(gè)積分器、一個(gè)反相放大器和一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放，積分器包含兩個(gè)1000 pF精度高達(dá)0.5%的電容，這種結(jié)構(gòu)解決了設(shè)計(jì)有源濾波器時(shí)難以獲得高精度，低損耗的電容問(wèn)題。該濾波器屬于連續(xù)時(shí)間濾波器，可避免開(kāi)關(guān)噪聲和一些開(kāi)關(guān)電容濾波器一些其他問(wèn)題的影響。為了得到更平滑的波形，使用兩片UAF42設(shè)計(jì)一個(gè)4階帶通濾波器，設(shè)計(jì)帶通濾波器中心頻率為50 Hz，3 dB帶寬為10 Hz［7］。為了使電網(wǎng)頻率在小范圍波動(dòng)時(shí)能夠保持輸出信號(hào)不衰減，要求濾波器的頂部較平，因此設(shè)計(jì)巴特沃斯類(lèi)型的帶通濾波器。帶通濾波器的傳輸函數(shù)為:

如圖7所示為帶通濾波器電路圖。

圖7 帶通濾波器電路圖Fig.7 Bandpass filter circuit diagram

5 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

系統(tǒng)測(cè)試流程是:先用傳統(tǒng)電流互感器和光纖電流互感器同時(shí)測(cè)一組數(shù)據(jù)，然后將光纖電流互感器輸出的電壓值作為自變量x，以傳統(tǒng)電流互感器輸出的電流值為因變量y，用最小二乘法進(jìn)行線(xiàn)性擬合;按照電流表的讀數(shù)選取若干個(gè)電流值按同樣的方法測(cè)三組數(shù)據(jù)，對(duì)光纖電流互感器輸出的電壓值取平均值并代入擬合公式算出電流測(cè)量值，并以傳統(tǒng)電流互感器的輸出作為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行誤差估算［8］。測(cè)試方法如圖8所示。

圖8 光纖電流互感器準(zhǔn)確度測(cè)試方法Fig.8 Fiber-optic current transfermer accuracy testing methods

用0.2 S級(jí)的傳統(tǒng)電流互感器作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量裝置，其輸出電流與實(shí)際電流比為1∶2000，測(cè)量結(jié)果如表1所示:

表1 0～1200 A時(shí)的測(cè)試結(jié)果(T=20℃)Tab.1 0～1200 A test results(T=20℃)

傳統(tǒng)電流互感器輸出電流及光纖電流互感器輸出電壓關(guān)系曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 電流表讀數(shù)與電壓表讀數(shù)曲線(xiàn)Fig.9 Ammeter and voltmeter readings curve

將以上數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行線(xiàn)性擬合，可得公式:

式中，x為電壓表的輸出，將x代入式(6)所計(jì)算出來(lái)的值y為光纖電流互感器測(cè)量的電流值(1∶2000)。

對(duì)同一個(gè)電流值進(jìn)行三次測(cè)量，測(cè)量所得的電壓表讀數(shù)取平均值代入式(6)與標(biāo)準(zhǔn)電流測(cè)量裝置的輸出結(jié)果進(jìn)行誤差評(píng)估。這里電流表的讀數(shù)和通過(guò)光纖電流互感器輸出計(jì)算出的電流值y都未乘互感器的倍率2000，并不影響準(zhǔn)確度的評(píng)估。誤差計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2中絕對(duì)誤差最大值為1.031048，被測(cè)電流為最大值1200 A時(shí)電流表輸出為600 mA，故非線(xiàn)性誤差為:

由表2的誤差計(jì)算數(shù)據(jù)可知，光纖電流互感器具有良好的線(xiàn)性，在量程范圍內(nèi)達(dá)到了IEC 0.2 S級(jí)精度。

6 總結(jié)

隨著社會(huì)發(fā)展的步伐越來(lái)越快，工業(yè)、居民的用電量在不斷的增加中。為了降低電能在傳輸過(guò)程中的損耗，必然將增大輸電電壓，但是傳統(tǒng)的電磁式電流互感器由于體積大，絕緣性能差，充油易爆，存在磁滯、磁飽和等問(wèn)題越來(lái)越難以滿(mǎn)足社會(huì)的需求。因此新的電流檢測(cè)方式將急需研制，而光纖電流互感器由于其具有優(yōu)良的性能得到越來(lái)越多的人重視。本系統(tǒng)主要涉及偏振調(diào)制型全光纖電流互感器的基本原理、光路分析及設(shè)計(jì)、傳感頭設(shè)計(jì)、信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試。通過(guò)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的不斷調(diào)整，最終測(cè)量精度達(dá)到IEC 0.2S級(jí)。

表2 0～1200 A誤差計(jì)算結(jié)果(T=20℃)Tab.2 0～1200 A error calculation results(T=20℃)

［1］ LI Li，ZHANG Xintian．Its present fiber optic current sensors［J］．Optoelectronic Technology＆Information，2002，15(2):37－41．(in Chinese)李莉，張心天．光纖電流傳感器及其研究現(xiàn)狀［J］．光電子技術(shù)與信息，2002，15(2):37－41．

［2］ ZHAO Yong．Principles and applications of fiber optic sensor technology［M］．Beijing:Tsinghua University Press，2007．(in Chinese)趙勇．光纖傳感器原理與應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2007．

［3］ ZHANG Hongrun．Sensor technology encyclopedia［M］．Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2007．(in Chinese)張洪潤(rùn)．傳感器技術(shù)大全［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007．

［4］PEI Huandou．All-optical current transformer signal processing system research［D］．Taiyuan:North university of China，2010．(in Chinese)裴煥斗．全光纖電流互感器信號(hào)處理系統(tǒng)研究［D］．太原:中北大學(xué)，2010．

［5］ GAO Jinzhan．Weak signal detection［M］．Beijing:Tsinghua University Press，2004．(in Chinese)高晉占．微弱信號(hào)檢測(cè)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2004．

［6］ ZHANG Zhipeng，Gambling W A．Fiber optic sensor principle［M］．Beijing:China Metrology Publishing House，1991．(in Chinese)張志鵬，Gambling W A．光纖傳感器原理［M］．北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1991．

［7］ JIA Kai．Fiberλ/4 wave plate and all-optical current transformer research［D］．Shanghai:Shanghai University，2008．(in Chinese)賈愷．光纖λ/4波片和全光纖電流互感器研究［D］．上海:上海大學(xué)，2008．

［8］ ZHENG Yanmin．Improved sagnac loop fiber optic current sensor system and experiment［D］．Xiamen:Xiamen University，2005．(in Chinese)鄭燕敏．改進(jìn)的Sagnac環(huán)路光纖電流傳感器系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)［D］．廈門(mén):廈門(mén)大學(xué)，2005．