楊漢瑞，楊 燕，尚思飛，周 沫

(東北電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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全光纖電流互感器的研究現(xiàn)狀

楊漢瑞，楊 燕，尚思飛，周 沫

(東北電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

光纖電流互感器因其具有絕緣性能好、安全性高、動態(tài)范圍大、測量精度高、輸出數(shù)字化等特點，在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文比較了傳統(tǒng)電磁式電流互感器和光纖電流互感器的性能，闡述了光纖電流互感器Faraday磁光效應(yīng)原理及全光纖電流互感器的常見結(jié)構(gòu)模型，回顧了近年來全光纖電流互感器的研究情況，歸納分析了其研究和實用化過程中的關(guān)鍵問題和解決方法。

電磁式電流互感器；全光纖電流互感器；Faraday磁光效應(yīng)

全光纖電流互感器(All-Fiber-Optical Current Transformer，AFOCT)是直接將光纖環(huán)繞于被測導(dǎo)線上作為敏感元件，以Faraday磁光效應(yīng)為基礎(chǔ)，綜合利用閉環(huán)控制技術(shù)的新型高壓電流測試設(shè)備。隨著電力系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓等級的不斷提高、容量不斷增大，為測定電流電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)對電流互感器的要求也越來越高[1-2]。由于以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的電流互感器存在絕緣、安全性能差等問題，已經(jīng)不能滿足智能電網(wǎng)信息化、數(shù)字化、自動化的要求，而AFOCT具有結(jié)構(gòu)簡單、絕緣性能好等優(yōu)點，為新型的電流互感器提供了新的思路和方法[3]。表1對傳統(tǒng)電磁式電流互感器和AFOCT進行了比較。

表1 傳統(tǒng)電磁式電流互感器與AFOCT的比較

從表1中可以看出，AFOCT具有眾多傳統(tǒng)電磁式電流互感器無法比擬的優(yōu)勢，更符合未來變電站發(fā)展的需要，是傳統(tǒng)電磁式電流互感器較為理想的替代產(chǎn)品，具有良好的發(fā)展前景。因此，對AFOCT的研究必將大大加速電力設(shè)備的改革，使其向高可靠性和綜合自動化方向發(fā)展，給電力系統(tǒng)帶來更加安全的運行環(huán)境和更大的社會經(jīng)濟效益[4-6]。

本文對AFOCT的基本原理和結(jié)構(gòu)模型進行論述，對AFOCT實用化過程中需要關(guān)注的問題進行了分析，并概述了目前國內(nèi)外研究者對這些問題的研究以及提出的主要解決措施。

1 AFOCT的基本原理

AFOCT是無源式電流互感器的特例。所謂無源式電流互感器是指電流互感器傳感頭部分不需要提供電源[7]，傳感頭測量電流是基于Faraday磁光效應(yīng)原理，當一束線偏振光沿著與磁場平行的方向通過介質(zhì)時，線偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)即產(chǎn)生Faraday旋轉(zhuǎn)角。利用光纖的偏振特性，通過測量光纖中的Faraday旋轉(zhuǎn)角間接測量電流。在縱向磁場作用下，F(xiàn)araday旋轉(zhuǎn)角θ為

θ=∫VHdl=VNI，

(1)

式中：V為維爾德(Verdet)常數(shù)；H為磁場強度；l為光在磁場中經(jīng)歷的路徑距離；N為光纖繞通電導(dǎo)體的圈數(shù)；I為通過環(huán)路的電流強度。

式(1)表明，F(xiàn)araday旋轉(zhuǎn)角θ與磁場強度和光在磁場中所經(jīng)歷的路徑距離成正比，與光學(xué)環(huán)路的匝數(shù)和穿過光學(xué)環(huán)路的總電流成正比。被測電流值可以通過光信號的偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)角獲得，這就是AFOCT的基本原理[8-12]，因其原理從根本上顛覆了傳統(tǒng)電流互感器的電磁感應(yīng)原理，一些研究者更傾向于將它定義為全光纖電流傳感器。

2 AFOCT的結(jié)構(gòu)模型

AFOCT就其光路結(jié)構(gòu)部分而言，研究的比較多的有兩種結(jié)構(gòu)：Sagnac干涉型結(jié)構(gòu)和反射式結(jié)構(gòu)。

2.1 Sagnac干涉型光纖電流互感器

圖1所示為Sagnac干涉型光纖電流互感器的基本結(jié)構(gòu)，其光路結(jié)構(gòu)是在光纖陀螺的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。光源發(fā)出的光經(jīng)過多功能集成光學(xué)器件(Y波導(dǎo))后起偏為線偏光，并被Y波導(dǎo)中的分束器分成兩路，分別經(jīng)過λ/4波片轉(zhuǎn)換成旋向相同的圓偏振光，并分別以順時針和逆時針方向進入光纖傳感頭，在電流產(chǎn)生的磁場作用下產(chǎn)生Faraday效應(yīng)，再次經(jīng)過另一個λ/4波片后轉(zhuǎn)換為線偏振光，在Y波導(dǎo)中進行干涉得到相位差，即兩倍的Faraday相移，經(jīng)耦合器耦合進入光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，進行后續(xù)的信號處理[13-15]。

圖1 Sagnac干涉型電流互感器基本結(jié)構(gòu)

采用Sagnac干渉型的光纖電流互感器，容易受到Sagnac效應(yīng)的影響，Sagnac效應(yīng)與Faraday效應(yīng)都產(chǎn)生非互易相移，檢測時很難區(qū)分，容易導(dǎo)致測量誤差，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；由于是在光纖陀螺基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以Sagnac干涉式光纖電流互感器對溫度和振動的敏感性也較高，這也是限制Sagnac式光纖電流互感器實用化的主要原因[16]。

2.2 反射式光纖電流互感器

反射式光纖電流互感器[17]是一種對稱互易結(jié)構(gòu)的光纖電流互感器，根據(jù)其光路中采用調(diào)制器的不同將其分為基于Y波導(dǎo)調(diào)制器和基于條形波導(dǎo)調(diào)制器的反射式光纖電流互感器[18]。這兩種結(jié)構(gòu)的工作原理相近，目前研究較多的是基于條形波導(dǎo)的反射式光纖電流互感器。

圖2所示為基于條形波導(dǎo)調(diào)制器的反射式光纖電流互感器基本結(jié)構(gòu)。光源發(fā)出的光經(jīng)過起偏器起偏為線偏光，通過45°熔接點分成沿X軸和Y軸相互垂直的兩個偏振方向的偏振光，經(jīng)過λ/4波片轉(zhuǎn)變成左旋、右旋兩束圓偏振光進入光纖傳感頭，在傳感光纖內(nèi)產(chǎn)生Faraday磁光效應(yīng)，由于兩束圓偏振光的傳輸速度不同，從而產(chǎn)生兩倍的Faraday相位差，經(jīng)過反射鏡反射后左旋光變?yōu)橛倚?，右旋光變?yōu)樽笮?，再次?jīng)過傳感頭產(chǎn)生Faraday磁光效應(yīng)，通過λ/4波片，使圓偏振光轉(zhuǎn)換成線偏振光，到偏振器進行干涉，得到四倍Faraday相位差，經(jīng)耦合器耦合進入光探測器轉(zhuǎn)換為電信號，并進行后續(xù)的信號處理。

圖2 基于條形波導(dǎo)調(diào)制器的反射式光纖電流互感器基本結(jié)構(gòu)

由于反射結(jié)構(gòu)光路中干涉信號在同一根光纖中傳輸，即“全對稱”光路，降低了外界因素對系統(tǒng)的干擾，而且不受Sagnac效應(yīng)的影響，使得光路穩(wěn)定性提高，是目前的主流結(jié)構(gòu)。然而，在研制和實驗過程中，系統(tǒng)的測量準確度易受外界溫度、振動等環(huán)境因素影響，其環(huán)境適應(yīng)性和運行穩(wěn)定性也是實際應(yīng)用過程中需要解決的關(guān)鍵問題[19-20]。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及主要問題

20世紀60年代，人們嘗試利用光的磁光效應(yīng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁感應(yīng)來測量電流，自此光學(xué)電流互感器的研究拉開了帷幕。受當時光學(xué)器件水平的制約，光學(xué)電流互感器一直處于一個精度低、長期穩(wěn)定性差和有嚴重溫度漂移問題的階段。直到80年代，國外才出現(xiàn)了一些精度較高的光學(xué)電流互感器。隨著90年代光纖及集成光學(xué)器件的迅速發(fā)展，AFOCT的研究受到了研究者們的廣泛關(guān)注并持續(xù)至今。目前，國外做的比較先進的公司有ABB，Areva，NETPHASE等，他們在AFOCT領(lǐng)域有強大的技術(shù)積累，也是國內(nèi)引進AFOCT的主要公司。國內(nèi)AFOCT的研究相比國外起步較晚，然而近年來相關(guān)技術(shù)的發(fā)展卻很迅猛，目前，國內(nèi)在AFOCT的研究上較為活躍的有華中科技大學(xué)，清華大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，華北電力大學(xué)，中國電力科學(xué)院，中國航天電子技術(shù)研究所，南瑞航天(北京)電氣控制技術(shù)有限公司等單位[21]，研究方向大多圍繞方案技術(shù)的改進以及實用化過程中遇到的關(guān)鍵問題，目的都是提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

從傳感機理到信號處理，AFOCT已經(jīng)發(fā)展出一套相對成熟的理論體系，但至今未能完全取代傳統(tǒng)電磁式電流互感器，還僅限于小范圍內(nèi)的掛網(wǎng)運行。不管是光路部分還是電路部分AFOCT都存在一些亟待解決的問題，近年來國內(nèi)外對此展開了大量研究，并取得了一定成果。本文對近年來的研究情況進行了分析，對具體問題及其解決方法進行了歸納闡述。

3.1 光路中的關(guān)鍵問題及研究

3.1.1 溫度問題

外界溫度的變化會引起傳感光纖線圈產(chǎn)生線性雙折射，對AFOCT精度產(chǎn)生較大影響；使λ/4波片相位延遲變化，影響AFOCT的精度和穩(wěn)定性；引起Verdet常數(shù)的變化，直接影響AFOCT系統(tǒng)輸出電流大小，導(dǎo)致測量誤差[22]。

近年來，采用溫度誤差補償研究技術(shù)解決溫度影響問題的研究居多，2006年，北京航空航天大學(xué)的王夏霄等人提出利用λ/4波片的溫度特性可以實現(xiàn)傳感器的非接觸測量，實現(xiàn)Verdet常數(shù)的在線補償，理論和實驗驗證了該方法的可行性[23]。2011年，北京四方繼保公司肖浩等人經(jīng)過研究找到一個相位角φ0=101 ℃的傳感頭，使得每一個溫度點波片引入的溫度誤差正好與Verdet常數(shù)引入的誤差大小接近，正負相反[24]。同年，浙江省電力公司的陳安偉等人通過選擇合適的波片相位延遲，使溫度變化時λ/4波片參數(shù)引起的誤差與Verdet常數(shù)變化引起的誤差相互抵消[25]。2015年，華北電力大學(xué)的劉青等人建立了AFOCT的實時動態(tài)仿真模型，將可變的溫度參數(shù)引入到了模型中，再次證明了通過調(diào)整λ/4波片初始相位延遲角可以有效補償溫度誤差[26]。

2009年，華中科技大學(xué)陳金玲等人提出一種新的基于比較測量的溫度補償方法，作者設(shè)計了雙輸入雙輸出的傳感頭結(jié)構(gòu)，并通過性能測試實驗，驗證了比較補償法對光學(xué)電流傳感器溫度特性補償?shù)挠行訹27]。2012年，北京航空航天大學(xué)李傳生等人對互感器的變比按敏感頭的溫度進行分段線性差值補償，有效地減小了變比誤差[28]。2013年，李傳生等人又提出偏振器尾纖快軸通光消除非互易波列相干性的誤差抑制方法，達到了一定的誤差補償效果[29]。2014年，桂林電子科技大學(xué)熊顯名等人提出了一種基于輸出橢圓偏振光長軸斜率來修正測量系統(tǒng)的方法，實驗驗證長期在同一變溫環(huán)境下傳感光纖的物理性將趨于穩(wěn)定[30]。2015年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)程嵩等人量化研究了AFOCT比差隨溫度漂移的問題，分析仿真結(jié)果得出，實驗溫度范圍內(nèi)線性雙折射和AFOCT比差都與溫度近似成線性關(guān)系的結(jié)論，并采用溫度補償方法減小了溫度對AFOCT準確度的影響[31]。

3.1.2 雙折射效應(yīng)

雙折射效應(yīng)會使AFOCT中入射到傳感頭中的線偏振光轉(zhuǎn)變成橢圓偏振光，導(dǎo)致檢測到的光強度與被測電流不成正比，影響測量精度和穩(wěn)定性。產(chǎn)生雙折射的原因除了溫度影響外，還與光纖內(nèi)部剩余應(yīng)力和幾何結(jié)構(gòu)非對稱性有關(guān)[32-33]。

2006年，北京航空航天大學(xué)姜中英等人針對傳感光纖中存在的過多的殘余線性雙折射，實驗時采用國外超低雙折射光纖并在石英骨架上螺旋纏繞以增加傳感光纖中的圓雙折射，實驗驗證了減小光纖固有的線性雙折射的同時加入大量圓雙折射會使系統(tǒng)比例因子有顯著改善[34]。2011年，中國計量學(xué)院王景飛等人利用瓊斯矩陣建立反射式Sagnac干涉光纖電流互感器的理論模型，再次驗證了在傳感頭中加入大量的圓雙折射可以有效抑制線性雙折射對AFOCT測量準確度的影響[35]。2012年，Li Zhizhong 等人研究了用基于偏振檢測和波長掃描的方法來測量光纖中的線性雙折射，為將光纖中Faraday 效應(yīng)與線性雙折射分離檢測提供了思路[36]。2015年，上海波匯通信科技有限公司周軍等人提出消除線性雙折射影響的雙光源雙輸出互感器光路結(jié)構(gòu)，又提出一種新型反射式AFOCT光路結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于彎曲所致線性雙折射效應(yīng)具有很好的抑制作用[37]。

3.1.3 振動問題

實際研究中，當測量的光學(xué)系統(tǒng)受到振動干擾時，測量精度會下降，特別是Sagnac型AFOCT，由于其既能敏感電流又能敏感Sagnac效應(yīng)，所以振動對其測量結(jié)果具有很大的影響。

2010年，西安工業(yè)大學(xué)穆杰等人針對AFOCT振動敏感性的缺點，提出一種新型的采用雙線繞法繞制光纖線圈，利用瓊斯矩陣理論上證明了新型結(jié)構(gòu)的AFOCT能消除對環(huán)境振動的敏感性。使用低頻振動試驗臺對比測試了原始和改進的AFOCT，實驗結(jié)果表明，改進后的互感器的輸出與外部環(huán)境的振動無關(guān)[38]。同年，西安工業(yè)大學(xué)的王嘉等人針對振動對Sagnac式AFOCT測量結(jié)果的影響，也提出一種光路改進方法來消除傳感器對振動的敏感性，其基本原理是抵消Sagnac效應(yīng)而不影響Faraday磁光效應(yīng)，理論和實驗結(jié)果驗證了改進后的傳感器對減小振動敏感性達到一定效果[39]。2012年，哈爾濱工程大學(xué)李緒友等人針對Sagnac光纖電流互感器的振動問題，給出一種新型的AFOCT傳感頭方案，即增加外部閉環(huán)線圈，通過振動試驗驗證了此方案能夠在一定程度上消除AFOCT在實際環(huán)境中所受振動的不利影響[40]。

3.2 電路問題及研究

AFOCT未能廣泛實用化出于很多原因，上述的研究都是通過改善光路部分來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度，決定AFOCT測量準確度的另一個關(guān)鍵部分是信號處理方法，近年來，為更好地提高AFOCT整體的測量精度和抗干擾性能，研究者對電路部分也做了大量研究[41-42]。

2012年，中國航天電子技術(shù)研究院王巍等人針對集成光學(xué)調(diào)制器調(diào)制系數(shù)隨溫度變化從而影響測量精度的問題，提出一種反饋控制的方法，對調(diào)制系數(shù)引起的調(diào)制通道增益變化進行補償，有效降低了調(diào)制系數(shù)變化引起的測量誤差[43]。2014年，暨南大學(xué)羅云瀚等人針對外界干擾引起的變化，在正弦調(diào)制基礎(chǔ)上提出了一種改進的信號解調(diào)方案，即通過二次諧波分量S2和四次諧波分量S4解出有效調(diào)制深度a的補償干擾解調(diào)算法，通過搭建AFOCT裝置進行實驗，結(jié)果表明，改進的解調(diào)算法使系統(tǒng)的抗干擾性能提高了30倍[44]。同年，中國工程物理研究院李建中等人針對AFOCT光路十分微弱的信號，提出一種基于數(shù)字開環(huán)的AFOCT檢測系統(tǒng)以及實現(xiàn)方案，利用開環(huán)電路研制AFOCT樣機，搭建準確度檢驗系統(tǒng)，驗證了該方案有效地提高了系統(tǒng)靈敏度[45]。2015年，北京郵電大學(xué)歐陽康等人介紹了一種新型調(diào)制解調(diào)方案的AFOCT，采用歸零方波調(diào)制，以正弦波信號作為本振信號實現(xiàn)模擬相干解調(diào)，對采樣信號做數(shù)字信號處理完成階梯波閉環(huán)反饋，研制了原理樣機并驗證了方案的有效性[46]。同年，航天十六所的汪剛等人根據(jù)反射式光纖電流互感器的原理，分析了互感器解調(diào)系統(tǒng)輸出信號的特性，給出一種FPGA+MCU的AFOCT的解調(diào)系統(tǒng)，對解調(diào)系統(tǒng)進行測試，測試驗證了解調(diào)系統(tǒng)能夠?qū)FOCT交流及直流電流信號進行解析[47]。

電路部分除了對調(diào)制解調(diào)的研究，還有動態(tài)性能仿真研究。2011年，湖南大學(xué)王娜等人對AFOCT進行動態(tài)建模和隨機建模。動態(tài)仿真得出所需的幅頻和相頻特性，從所獲得的階躍響應(yīng)曲線來看，無振蕩，平穩(wěn)性好。對隨機建模，先實測一組噪聲波形，再隨機噪聲仿真產(chǎn)生同樣的隨機噪聲波形，得出兩者的Allan方差曲線很相似，即證明了模型的正確性[48]。 2014年，江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院陳剛等人對AFOCT閉環(huán)控制系統(tǒng)建模，在Labview軟件平臺上搭建仿真平臺，通過改變光纖匝數(shù)和溫度等參數(shù)進行影響因素分析，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能可調(diào)節(jié)性，結(jié)果驗證了AFOCT具有優(yōu)越的動態(tài)性能[49]。同年，北京航空航天大學(xué)的王夏霄等人對AFOCT的動態(tài)特性進行實驗研究，通過實驗驗證了閉環(huán)帶寬與延遲光纜長度成反比，與前向通道增益成正比，為在延遲光纜長度的選取，對系統(tǒng)影響前向通道增益各參數(shù)的選擇方面，提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)[50]。

3.3 產(chǎn)品工程化問題及研究

目前，AFOCT已經(jīng)從實驗室過渡到實際試運行階段，但成型的產(chǎn)品以及產(chǎn)品在用電負荷增長迅猛的電網(wǎng)實用化過程中還會出現(xiàn)可靠性差等問題[51]。

2015年，國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院侯繼彪等人針對南環(huán)220kV智能變電站示范工程中遇到的線路保護問題，分析出原因是受到了斷路器機構(gòu)所產(chǎn)生振動的影響，對此提出了一種優(yōu)化AFOCT結(jié)構(gòu)的方法。更改后的AFOCT實驗錄波顯示，三相均無噪聲電流輸出，保護裝置未啟動，消除了影響繼電保護可靠性的隱患，現(xiàn)場的通流實驗也驗證了優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的精度未受影響[52]。

2016年許繼集團顏語等人針對AFOCT進行電磁兼容測試，測試在許繼集團電子互感器公司中試部進行，選定相應(yīng)的裝置和運行參數(shù)進行抗擾度實驗，實驗結(jié)果顯示AFOCT此次的電磁兼容實驗出現(xiàn)了丟幀和不合格情況，對此作者又對互感器電源模塊信號板的部分電路進行了整改，整改后對反射式AFOCT進行電磁兼容實驗復(fù)測，實驗結(jié)果能夠達到一定的要求[53]。

4 總結(jié)與展望

AFOCT較傳統(tǒng)電磁式電流互感器有明顯的優(yōu)勢，目前已經(jīng)走出實驗室從原理性階段過渡到與電力系統(tǒng)相結(jié)合的階段，有部分國家和地區(qū)已經(jīng)掛網(wǎng)試運行。當前，國網(wǎng)公司建設(shè)堅強智能電網(wǎng)步伐正有力推進，AFOCT技術(shù)作為信息采集的關(guān)鍵技術(shù)在不斷創(chuàng)新，新技術(shù)在帶來諸多優(yōu)點的同時也帶來了新的挑戰(zhàn)。進一步研究AFOCT的新理論、新方法并盡快實現(xiàn)實用化和產(chǎn)品化是一項重要且緊迫的任務(wù)。如果能盡快順利解決尚存的穩(wěn)定性和精度等問題，預(yù)計在未來幾年，AFOCT將在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用并帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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Present Research Situation of All-Fiber-Optical Current Transformer

Yang Hanrui，Yang Yan，Shang Sifei，Zhou mo

(School of Automation Engineering，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

Fiber Optical Current Transformers have broad application prospects in the power system because of its good insulation properties，high safety，wide dynamic range，high accuracy，digital output，etc.The performance of the traditional electromagnetic current transformer and Fiber Optical Current Transformer are compared in this paper.The Faraday magneto-optic effect principle of Fiber Optical Current Transformer and the typical structural models of All-Fiber-Optical Current Transformer are described.Additionally，the recent research advance of All-Fiber-Optical Current Transformer is reviewed，and its key problems and solutions that appeared in the research and practical procedure are summed up.

Electromagnetic current transformer；All-Fiber-Optical Current Transformer；Faraday magneto-optic effect

2016-06-12

吉林省科技發(fā)展計劃項目(20160101249JC)；吉林市科技發(fā)展計劃資助項目(20156404)；東北電力大學(xué)博士科研啟動基金資助課題(BSJXM-201419)

楊漢瑞(1986-)，女，博士，講師，主要研究方向：光纖傳感技術(shù)、光電檢測技術(shù).

1005-2992(2017)03-0090-07

TM452

A

電子郵箱： yanghanrui1208@163.com(楊漢瑞)；Yolanda0124@163.com(楊燕)；13844227332@163.com(尚思飛)；411253329@qq.com(周沫)