冮若嘉　趙婉旭

摘 要：智能電網(wǎng)的應(yīng)用并逐漸普及，原有的電磁式電流互感器已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代智能電網(wǎng)的需要，全光纖電流互感器的誕生和應(yīng)用，有效解決了電磁式電流互感器的多種弊端。鑒于全光纖電流互感器受溫度影響作用較大的問(wèn)題，該文從全光纖電流互感器的基本結(jié)構(gòu)和原理出發(fā)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)分析溫度對(duì)全光纖電流互感器的影響作用，對(duì)全光纖電流互感器隨溫度漂移的問(wèn)題進(jìn)行研究，由此得出比差與溫度之間呈現(xiàn)為近似線性的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有效的精度補(bǔ)償，可以進(jìn)一步提高光纖電流互感器的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：全光纖電流互感器 溫度特性 比差 溫致線性雙折射

中圖分類號(hào)：TM452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）11（c）-0055-02

國(guó)家電網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)，智能電網(wǎng)逐漸建立并應(yīng)用起來(lái)，對(duì)于輸電電路的要求也越來(lái)越高。原有的電磁式電流互感器性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代電網(wǎng)輸電線路的需要，全光纖電流互感器應(yīng)運(yùn)而生。全光纖電流互感器（以下簡(jiǎn)稱FOCT），是電子互感技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志性產(chǎn)物，其原理是以Sagnac干涉法為基礎(chǔ)研發(fā)的一種新型電流互感器。FOCT的應(yīng)用使原有電磁式電流互感器所具有的種種弊端得以良好解決，表現(xiàn)出良好的性能，應(yīng)用前景廣闊。

1 光纖電流互感器的概述

光學(xué)電流互感器自20世紀(jì)70年代誕生并應(yīng)用以來(lái)，其性能非常優(yōu)越。如果按照實(shí)現(xiàn)方式可以將光學(xué)電流互感器分為兩種類型，即磁光玻璃式電流互感器和全光纖電流互感器，該文即對(duì)后者進(jìn)行重點(diǎn)研究和分析。FOCT是以光纖為主要載體，用于電流傳感，在整個(gè)系統(tǒng)中，每一個(gè)元件的裝置都是采用光纖溶解的方式來(lái)進(jìn)行連接，沒(méi)有獨(dú)立的元件存在，是一個(gè)完整的系統(tǒng)。FOCT相較于傳統(tǒng)的電磁式電流互感器，具有結(jié)構(gòu)完整簡(jiǎn)單，可靠性高，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因?yàn)槭窃诠饫w的基礎(chǔ)上來(lái)制作和裝置光學(xué)元件，因此整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的一致性，工藝上也趨于成熟，抗振性好。FOCT光纖傳感安全靈活簡(jiǎn)便，體積小，重量輕，可在多種設(shè)備中組合應(yīng)用，在直流測(cè)量中應(yīng)用效果也良好，適應(yīng)性很強(qiáng)，應(yīng)用范圍十分廣泛。因?yàn)镕OCT沒(méi)有其他有源電子式互感器所必須安裝在戶外的電子元件，這使得其可靠性得到大幅提升，更容易滿足電網(wǎng)建設(shè)的要求?；谶@些優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)OCT自應(yīng)用以來(lái)受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注和認(rèn)可，逐漸成為現(xiàn)代電子式電流互感器的主流產(chǎn)品。

即使FOCT有上述多方面的優(yōu)勢(shì)，但是我們也需要認(rèn)清其所存在的缺陷，就是FOCT比差容易受溫度變化的影響而發(fā)生漂移，這一問(wèn)題一直以來(lái)是FOCT研究課題中關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，也限制了FOCT的推廣和應(yīng)用。

2 FOCT的基本原理

如圖1所示為FOCT的光路結(jié)構(gòu)圖，F(xiàn)OCT是在Faraday磁光效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，根據(jù)Sagnac干涉原理來(lái)開(kāi)展電流傳感信號(hào)檢測(cè)。激光經(jīng)由光纖耦合器，再經(jīng)過(guò)起偏器后在激光偏振分光后，從原有的一束激光轉(zhuǎn)變?yōu)槌蚀怪狈较虻膬蓷l偏振光，兩條偏振光經(jīng)直波導(dǎo)相位調(diào)制器和光纖延時(shí)線后仍然保持正交狀態(tài)。經(jīng)波片后兩束正交光轉(zhuǎn)變?yōu)槌首笮陀倚隣顟B(tài)的圓偏振光，受Faraday磁光效應(yīng)的影響，兩種圓偏振光產(chǎn)生相位差。在末端反射鏡的發(fā)射作用下兩束光返回同時(shí)偏振方向互換，再次受Faraday磁光效應(yīng)的影響作用，二者之間的相位差翻倍。因?yàn)槎叩南辔徊钪袔в心軌虮惶綔y(cè)到的電流信息，使得光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)耦合器輸出抵達(dá)光電探測(cè)器PD并實(shí)現(xiàn)了光電之間的有效轉(zhuǎn)換，解調(diào)電路從PD輸出的電信號(hào)中解調(diào)出一次電流的信息。

3 FOCT的溫度特性

外界溫度的變化對(duì)于FOCT具有直接的影響作用，這種影響主要來(lái)自于對(duì)Verdet常數(shù)影響的同時(shí)會(huì)使其產(chǎn)生溫致線性雙折射。光纖纖芯和包層兩者之間在熱膨脹系數(shù)方面是存在差異的，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，二者伸縮量不同自然產(chǎn)生的應(yīng)力也不同，而應(yīng)力對(duì)傳感光纖產(chǎn)生一定的作用就會(huì)造成線性雙折射產(chǎn)生。Verdet常數(shù)與溫致線性雙折射會(huì)對(duì)FOCT共同產(chǎn)生一定的影響作用，直接會(huì)對(duì)FOCT的精度造成不利影響，進(jìn)而導(dǎo)致比差隨著溫度的變化而發(fā)生溫度漂移。

3.1 溫度對(duì)Verdet常數(shù)的影響

Verdet常數(shù)是表示傳感光纖磁場(chǎng)能力反映的一項(xiàng)重要參數(shù)，同F(xiàn)OCT比差之間有著十分緊密的聯(lián)系。溫度的變化會(huì)對(duì)Verdet常數(shù)有一定的影響作用，其數(shù)值隨著溫度的波動(dòng)而變化。在25 ℃的溫度條件下，用來(lái)表示Verdet常數(shù)，用t來(lái)表示溫度，則Verdet常數(shù)的溫度特性可表示為：

由此可以看出溫度與Verdet常數(shù)之間呈線性關(guān)系。

3.2 溫度對(duì)溫致線性雙折射的影響

受熱脹冷縮的影響，纖芯和包層會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓l(fā)生伸縮作用進(jìn)而產(chǎn)生一定的應(yīng)力，應(yīng)力會(huì)在不同的接觸面上產(chǎn)生不同的剪切應(yīng)力。光纖受到應(yīng)力的作用而產(chǎn)生溫致線性雙折射相位差，如果溫度差用來(lái)表示，則，用P來(lái)表示常用系數(shù)，λ來(lái)表示入射光波長(zhǎng)，則致線性雙折射相位差為：

從上式中可以看出，溫度與溫致線性雙折射之間呈正比關(guān)系。

3.3 溫度對(duì)FOCT的影響

根據(jù)上述對(duì)溫度與Verdet常數(shù)、溫致線性雙折射之間的關(guān)系的研究，我們可以建立其FOCT溫度的數(shù)學(xué)模型：

基于數(shù)學(xué)模型，我們對(duì)溫度與FOCT之間的關(guān)系進(jìn)行分析，在保持溫度不變的情況下，就算線性雙折射存在，因?yàn)樽儽葲](méi)有發(fā)生變化，那么比差依然保持很高的精度，不會(huì)產(chǎn)生漂移的情況。當(dāng)溫度發(fā)生波動(dòng)變化時(shí)，因?yàn)槭軠刂戮€性雙折射的影響，F(xiàn)OCT變比隨之發(fā)生改變，從而FOCT的比差發(fā)生變化，隨著溫度的變化而發(fā)生漂移，精確度下降?？梢?jiàn)，溫差越大，溫致線性雙折射的相位差也會(huì)隨之增加，因?yàn)槌示€性的關(guān)系，相應(yīng)的比差漂移也會(huì)加大。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)FOCT的基本原理，根據(jù)光纜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，對(duì)FOCT的溫度特性采用數(shù)學(xué)模型的方法進(jìn)行研究和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，纖芯和包層的伸縮膨脹是產(chǎn)生溫致線性雙折射的根本原因，同時(shí)Verdet常數(shù)也會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓鄳?yīng)發(fā)生變化，而這正是引起FOCT變比誤差產(chǎn)生的直接原因，也因此發(fā)生比差漂移的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，溫度的變化會(huì)對(duì)FOCT比差有直接的影響，如果采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，就會(huì)減小乃至規(guī)避比差漂移，使其保持良好的精確度。

參考文獻(xiàn)

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