褚光
摘要:近年來,隨著電力工業(yè)的快速持續(xù)發(fā)展,電網(wǎng)的運行電壓等級也在不斷地提高,高電壓、大電流的電力系統(tǒng)設(shè)備的不斷投運,對一次和二次側(cè)的絕緣要求以及信號的可靠傳遞提出了更高的要求,也對傳統(tǒng)的測量方法產(chǎn)生了巨大的挑戰(zhàn)。電流互感器作為測量環(huán)節(jié)中的一個重要組成部分,在特高壓、大電流的系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的電磁式電流互感器也暴露出了一系列的嚴重問題,新型電流互感器已經(jīng)成為當前的一個研究熱點,得到越來越多的企業(yè)和用戶的關(guān)注,需要重點加強研究。基于此本文分析了全光纖電流互感器傳感機理建模。
關(guān)鍵詞:全光纖電流互感器;傳感機理;建模
中圖分類號:文獻標識碼:A
1、全光纖電流互感器傳感機理
全光纖電流互感器(fiber-optical current transformer,F(xiàn)OCT)作為一種新型的測量裝置,具有體積小、重量輕、絕緣結(jié)構(gòu)簡單、測量動態(tài)范圍大、精度高、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點,而且無磁飽和及鐵磁諧振及二次開路等問題。在電力系統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)、電解工業(yè)等領(lǐng)域里有著廣闊的應(yīng)用前景。
1.1基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器的工作原理
基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器的工作原理如圖1所示。該FOCT基于法拉第磁光效應(yīng),由光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器形成線偏振光,再經(jīng)過耦合透鏡及傳輸光纖到達高壓傳感頭,進入傳感光纖。由于被測電流在周圍產(chǎn)生磁場并根據(jù)法拉第效應(yīng),線偏振光在與其傳播方向平行的外界磁場的作用下通過傳感光纖時,其光波偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)。最后光波經(jīng)過耦合透鏡、檢偏器到達光電轉(zhuǎn)換器,進行信號采集,并將轉(zhuǎn)化后的電信號輸入到信號處理裝置。
1.2基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器的工作原理
基于干涉檢查方法的全光纖電流互感器一般基于Sagnac效應(yīng),典型的Sagnac結(jié)構(gòu)的光纖電流互感器如圖2-2所示。電流在導線傳輸時,會在導線周邊產(chǎn)生磁場,在磁場的作用下,兩束具有相同偏振態(tài)的光從同一光源發(fā)出后,向相反的方向傳播后,產(chǎn)生相移,當兩束光匯集在同一點時就會發(fā)生干涉。因此可以對干涉的光信號進行信號處理,然后反推折算得到輸電線路的電流大小。
對于基于干涉檢查方法的全光纖電流互感器,光纖傳感線圈是重要的電流測量部件。但是由于光纖傳感線圈一般都放置在室外電纜處,很容易受到外界環(huán)境因素如溫度等變化的影響,光波會在傳播過程中,極有可能產(chǎn)生附加的寄生干涉,因而產(chǎn)生測量誤差。因此,研究光纖電流互感器的環(huán)境適應(yīng)性有著重要意義。
2、光纖的溫度敏感性
溫漂問題是阻礙FOCT大規(guī)模實用化進程的主要難題之一,由此可以看出溫度對FOCT運行性能的影響十分嚴重。溫漂問題的主要原因是FOCT傳感光纖易受溫度影響。光纖的溫度敏感性主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
2.1光纖材料的熱膨脹特性
光纖材料的熱膨脹是指光纖材料因溫度改變而發(fā)生的膨脹現(xiàn)象,在溫度升高時其體積增大,溫度降低時體積縮小。光纖材料的熱膨脹特性主要表現(xiàn)為光纖長度隨溫度的變化而變化,幾乎所有的光纖材料都存在熱膨脹特性。
2.2熱光效應(yīng)
熱光效應(yīng)是指光學介質(zhì)在溫度升高或者降低時,其分子排列發(fā)生變化,從而造成介質(zhì)的光學特性隨溫度的改變而發(fā)生變化的物理效應(yīng)。光纖材料的熱光效應(yīng)主要表現(xiàn)在溫度對光纖有效折射率的影響,溫度越高,有效折射率會增大。通常用熱光系數(shù)來表征光學材料的折射率隨溫度的變化率,又叫折射率的溫度系數(shù)。
2.3光纖對振動的敏感性
振動對光纖的影響主要表現(xiàn)為:由于光彈效應(yīng),使得周期性振動在FOCT傳感單元內(nèi)引起的線性雙折射發(fā)生周期性改變,影響系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性;傳輸光纖的振動也會導致光波在傳輸過程中的偏振態(tài)變化,影響測量的準確度。此外載流導線的舞動也會對輸出結(jié)果產(chǎn)生影響。
3、全光纖電流互感器傳感機理建模
全光纖電流互感器常用于高電壓大電流系統(tǒng)中,在絕緣性、可靠性及抗電磁干擾方面都有很大的優(yōu)勢,也可用于測量直流電流,輸出為數(shù)字信號,在智能變電站中有較廣泛的應(yīng)用。但是FOCT高壓傳感頭一般工作在戶外現(xiàn)場,受環(huán)境中溫度、振動以及外界磁場干擾等因素影響較大,因此環(huán)境因素對FOCT運行性能的影響逐漸成為國內(nèi)外同行業(yè)研究的重點和熱點問題。
整個FOCT傳感單元仿真模型是由一個無限長直導線(被測電流)和一個光纖微元(微米級)構(gòu)成,從傳感光纖一端(y=0處)入射一束線偏振光,觀察光波在傳輸過程中偏振態(tài)的演化。
3.1幾何建模
FOCT傳感單元主要包括載流導線,傳感光纖線圈,空氣區(qū)域,其中核心部分為傳感光纖線圈。為了簡化分析,在COMSOL中,選擇三維模型,建立圓柱體1作為載流長直導線模型,產(chǎn)生被測電流;采用基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器中,一般將傳感光纖纏繞在載流導體上,因此傳感光纖可簡化為螺線管模型。
3.2物理場及邊界條件、初始條件選擇
磁場和光場都是基于麥克斯韋方程組,分別為不同頻段的電磁波。在COMSOL中,分別選擇MagneticFields模塊和WaveOptics模塊。在磁場模塊中,設(shè)置初始條件:磁矢勢A=(0,0,0);選擇外電流密度,通過改變外電流密度Je值可模擬被測電流大小。
3.3有限元網(wǎng)格劃分
完成幾何模型的建立、材料選擇以及物理場、初始條件、邊界條件的設(shè)置后,需要對所建立的模型進行有限元網(wǎng)格劃分。對于光波導來說,要求最大網(wǎng)格單元尺寸hmax必須是波長的幾分之一,最常見的情況是hmax=λ/6。對于光纖微元區(qū)域,選擇物理場控制網(wǎng)格,最大單元格尺寸為λ/6。
3.4求解器設(shè)置與后處理
對模型進行求解設(shè)置,本章建立的模型涉及光場和磁場兩個物理場,首先選用穩(wěn)態(tài)求解器計算磁場的分布,其次選用頻域求解器求解光纖微元區(qū)域光波在磁場中的傳播特性。經(jīng)過求解器計算后,對結(jié)果進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)后處理以及圖形可視化處理,可得到所需要的數(shù)據(jù),如旋轉(zhuǎn)角度、光場磁場的分布線圖,此外也可得到磁場、光場的三維分布圖形,可以十分直觀清晰地分析光場和磁場的傳輸特性。
總之,全光纖電流互感器常用于高電壓大電流系統(tǒng)中,在絕緣性、可靠性及抗電磁干擾方面都有很大的優(yōu)勢,進一步加強對其的研究非常有必要。
參考文獻
[1]關(guān)遠鵬.全光纖電流互感器關(guān)鍵特性研究[D].華南理工大學,2017.