吳再群，潘大勝，農(nóng)高海

（百色學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣西 百色 533000）

光纖電流互感器中的繞制光纖研究

吳再群，潘大勝，農(nóng)高海

（百色學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣西 百色 533000）

為了更好的獲取基于法拉第效應(yīng)的光纖電流互感器中的微弱光信號(hào)提出了光纖電流互感器中的繞制光纖系統(tǒng)研究.系統(tǒng)將傳感光纖繞制在直導(dǎo)線上，把激光通過起偏器之后耦合進(jìn)入傳感光纖，當(dāng)在導(dǎo)線上加載電流時(shí)，通過功率計(jì)測(cè)量輸出光信號(hào)的功率，運(yùn)用法拉第效應(yīng)中的微弱偏轉(zhuǎn)量確定流過導(dǎo)線的電流大小，實(shí)現(xiàn)了利用旋光效應(yīng)測(cè)量高壓輸電線電流的研究.實(shí)驗(yàn)中，通過比較單模光纖與多模光纖對(duì)線偏振光的消偏振影響得出，單模光纖更適合于作為本研究的傳感材料；同時(shí)改變單模光纖繞制半徑得出，光纖繞制半徑越小線偏振光通過光纖以后消偏越嚴(yán)重，即雙折射效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度影響越大；但受到導(dǎo)線直徑大小及其周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響，隨著光纖繞制半徑的增大，雙折射效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響先減小后增大，呈開口向上的拋物線形式.

法拉第效應(yīng)；雙折射效應(yīng)；光信號(hào)；單模光纖

由于傳統(tǒng)的電磁式電流互感器存在鐵芯磁飽和、絕緣困難、體積龐大[1-3]等不安全因素，其嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行及其自動(dòng)化水平的提高.而光纖電流互感器有效解決了電磁式電流傳感器中存在的問題，可滿足電力系統(tǒng)中計(jì)量與繼電保護(hù)的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景.近年來，光纖電流互感器已在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，國內(nèi)外很多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)投入大量的人力和物力進(jìn)行光纖電流互感器的研究.美國、日本及歐洲的一些國家在此領(lǐng)域作了大量的研究，如貝爾實(shí)驗(yàn)室、NEC公司、ABB公司、Nxtphase公司以及瑞士皇家技術(shù)學(xué)院等，到上個(gè)世紀(jì)80年代，光纖電流傳感器逐漸進(jìn)入工業(yè)試用階段.我國于上個(gè)世紀(jì)80年代對(duì)光纖電流互感器進(jìn)行研究，也取得了一定的成果.由于光纖作為光纖電流互感器的重要組成部分，其傳感效果直接影響電流互感器的測(cè)量精度，基于此，本文對(duì)光纖電流互感器中的繞制光纖系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用半導(dǎo)體泵浦激光經(jīng)過起偏器以后耦合進(jìn)入繞制在直導(dǎo)線上的傳感光纖，輸出光信號(hào)經(jīng)過檢偏器進(jìn)入功率計(jì)探頭.通過改變電流大小以及光纖繞制半徑，并旋轉(zhuǎn)檢偏器，從功率計(jì)中讀取最大、最小功率值，分析得出單模光纖比多模光纖更適合于用作光纖電流互感器的傳感材料；同時(shí)得出光纖繞制的最佳半徑.具有方法新穎，操作簡(jiǎn)便，便于觀察探測(cè)等優(yōu)點(diǎn).

1 法拉第效應(yīng)

1845年，英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)(物質(zhì))在磁場(chǎng)的作用下可以使通過的平面偏振光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這是物理學(xué)史上第一次發(fā)現(xiàn)的磁光效應(yīng)，這種現(xiàn)象被稱為磁致旋光效應(yīng)或Faraday效應(yīng).如圖1所示，當(dāng)從起偏器出來的平面偏振光沿磁場(chǎng)方向（平行或反平行）通過法拉第裝置時(shí)，光矢量旋轉(zhuǎn)的角度θ由下式確定[4]：

式中：V是介質(zhì)的維爾德（Verdet）常數(shù)，它表示物質(zhì)的磁光特性；H是磁場(chǎng)強(qiáng)度；dl是磁場(chǎng)中介質(zhì)的長(zhǎng)度.

圖1 法拉第磁光效應(yīng)原理圖

2 光纖電流互感器傳感系統(tǒng)

為了探索傳感光纖對(duì)光纖電流互感器的影響，本文搭建了光纖電流互感器中的繞制光纖研究系統(tǒng)，其原理框圖如圖2所示.

圖2 光纖電流互感器傳感系統(tǒng)原理框圖

本系統(tǒng)采用532nm半導(dǎo)體泵浦激光作為光源，光束經(jīng)過起偏器輸出線偏振光，線偏振光耦合進(jìn)入傳感系統(tǒng)(傳感系統(tǒng)由繞制在直導(dǎo)線上的光纖構(gòu)成)，輸出光經(jīng)由檢偏器進(jìn)入功率計(jì).通過旋轉(zhuǎn)檢偏器，測(cè)量輸出激光在不同類型、不同長(zhǎng)度光纖以及不同電流作用下的最大最小輸出功率.為了探討雙折射效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響，通過比較最大最小輸出功率的差值可以得出線偏振光經(jīng)過系統(tǒng)以后的消偏程度，同時(shí)可以得出不同繞制半徑、不同電流作用下系統(tǒng)的最佳繞制半徑.

假設(shè)在未加檢偏器時(shí)輸出功率為I0，最大最小輸出功率分別為Imax、Imin，那么就有比值

通過比較在不同類型、不同長(zhǎng)度光纖以及不同繞制半徑、不同電流作用下的ζ值，可以得出雙折射效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響狀況.ζ越大說明線偏振光經(jīng)過系統(tǒng)以后消偏越小，即雙折射效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響越?。环粗?，ζ越小則雙折射效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度影響越大.

3 光纖類型選擇分析

由于制造工藝或單模光纖對(duì)稱雙側(cè)受壓會(huì)使光纖截面產(chǎn)生非圓度，除此以外，單模光纖彎曲、扭轉(zhuǎn)等都會(huì)產(chǎn)生雙折射效應(yīng).特別是光纖彎曲曲率半徑越小，扭轉(zhuǎn)越大，其雙折射效應(yīng)越大，而這種雙折射效應(yīng)的存在，極大的影響了光纖電流互感器的測(cè)量精度.對(duì)于多模光纖，由于傳播多種模式，線偏振光在其中傳播時(shí)，不同的模式之間產(chǎn)生復(fù)雜的模式耦合，會(huì)產(chǎn)生消偏振現(xiàn)象，最后輸出的光變成橢圓偏振光.兩種光纖對(duì)線偏振光的傳輸特性如表1所示.

表1 5m單、多模光纖測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1可知，多模光纖的最大最小輸出功率相差很小，輸出光已接近圓偏振光，即線偏振光通過多模光纖其輸出光為橢圓偏振光.而對(duì)于單模光纖來說，其最大最小輸出功率的差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多模光纖，根據(jù)法拉第效應(yīng)，單模光纖更適合于用作光纖電流互感器的傳感材料.

4 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

本研究采用波長(zhǎng)為532nm的半導(dǎo)體泵浦激光作為光源，最大輸出功率可達(dá)20mW；電流由功率350W 5V輸出的變壓器提供，最大輸出電流可達(dá)40A；傳感材料采用單模、多模光纖；傳感部分直導(dǎo)線是采用銅皮制成的空心圓柱.系統(tǒng)通過外部接入水泥電阻控制輸入電流，有兩組電流可供實(shí)驗(yàn)選擇.通過多次測(cè)量比較，得出以下數(shù)據(jù)，同時(shí)由式2可以計(jì)算出各個(gè)ζ值，如表2所示.

（1）5m單模光纖測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示.

對(duì)比表1和表2可以看出，單模光纖受到雙折射效應(yīng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于多模光纖，同時(shí)在電流作用下，隨著光纖繞制半徑的增大，ζ值先增大后減小，近似于一條開口向下的拋物線.根據(jù)法拉第效應(yīng)，采用單模光纖作為本研究的傳感材料.5m單模光纖繞制半徑與ζ值的關(guān)系如圖1所示.

表2 5m單模光纖測(cè)試數(shù)據(jù)

圖1 5m單模光纖繞制半徑與ζ值的關(guān)系圖

（2）150m單模光纖測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 150m單模光纖測(cè)試數(shù)據(jù)

與表2類似，在電流作用下，隨著光纖繞制半徑的增大，表3中ζ值先增大后減小，也近似于一條開口向下的拋物線.150m單模光纖繞制半徑與ζ值的關(guān)系如圖2所示.

圖2

從表1、表2、表3以及圖1、圖2可以得到如下結(jié)論：

（1）多模光纖的ζ值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單模光纖的ζ值，即單模光纖受到雙折射效應(yīng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于多模光纖，所以單模光纖更適合于用作光纖電流互感器的傳感材料；

（2）在沒有電流作用的情況下，ζ隨著繞制半徑的增大而增大，也就是說繞制半徑越大雙折射效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響越??；

（3）在電流作用下，ζ并未隨著繞制半徑的增大而增大，而是先增大后減小，有一個(gè)最大值，說明在最大值處，法拉第效應(yīng)最明顯，雙折射效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于法拉第效應(yīng).

（4）采用5m單模光纖作為傳感材料時(shí)，光纖繞制半徑在6cm附近為最佳；而采用150m單模光纖作為傳感材料時(shí)，光纖繞制半徑在9.5cm附近為最佳.

5 小結(jié)

通過本研究發(fā)現(xiàn)，單模光纖相比多模光纖更適合于作為光纖電流互感器的傳感材料，而研究光纖電流互感器，首先必須解決雙折射效應(yīng)對(duì)線偏振光偏振態(tài)的影響，而降低雙折射效應(yīng)主要有以下幾個(gè)方法：一、從工藝上盡量消除雙折射的影響；二、采用特制的單模光纖將有助于降低雙折射效應(yīng)的影響；三、選擇合適的繞制半徑可以提高測(cè)量靈敏度；四、降低光纖的彎曲、扭轉(zhuǎn)以及端面橢圓度帶來的影響，可以降低雙折射效應(yīng).

〔1〕王夏霄,王野,王熙辰,王愛民,彭志強(qiáng).全光纖電流互感器動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2014(03):9-14.

〔2〕Y.Ohki.Tokyo Electric Power Develops a New Compact and Flexible Optical Fiber Current Sensor[J].IEEE Electrical Insulation Magazine, 2006，22(6)：46-47.

〔3〕王玥坤,王政平,孫帥.法拉第旋光器溫度特性對(duì)無源解調(diào)全光纖電流互感器的影響[J].電網(wǎng)技術(shù),2013(01):206-210.

〔4〕張?chǎng)?光纖電流互感器中信號(hào)檢測(cè)與處理[D].山東大學(xué),2012.

〔5〕黎敏,廖艷彪，等.光纖傳感器及其應(yīng)用技術(shù)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2008.140-144.

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1673-260X（2017）07-0042-03

2017-03-18

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