郝兆榮，王 強(qiáng)，達(dá)建樸，羅蘇南，王 耀，張廣泰，李 釗

基于光學(xué)互易回路的全光纖電流互感器的研究與應(yīng)用

郝兆榮1，王 強(qiáng)1，達(dá)建樸1，羅蘇南2，王 耀2，張廣泰1，李 釗1

1常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025；2南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100

針對傳統(tǒng)有源電磁式互感器易飽和、穩(wěn)定性與抗干擾能力差、安裝受限等問題，本文基于Faraday磁光效應(yīng)，設(shè)計了一種無源全光纖電流互感器，通過旋光角來測量被測電流；設(shè)計互感器以HB Spun光纖作為傳感元件，無飽和現(xiàn)象，可用于大電流測量；利用光學(xué)互易回路，消除光路中溫度、光纖缺陷等因素對旋光角測量的干擾；采用反射式光路將電場引起的旋光角放大4倍，實現(xiàn)小電流的精確測量；傳感元件采用柔性傳感光纖環(huán)結(jié)構(gòu)，形狀可變，適應(yīng)復(fù)雜空間內(nèi)電流的測量。對比了不同圈數(shù)的柔性光纖傳感環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的測量精度，結(jié)果表明，本文設(shè)計的光學(xué)互易回路可以消除溫度對電流測量的影響，全光纖電流互感器在-5 ℃～70 ℃全溫度范圍內(nèi)精度為0.5，可實現(xiàn)小電流的精確測量。

光學(xué)互易回路；溫度；旋光角；小電流測量；柔性光纖傳感環(huán)

1 引 言

隨著電網(wǎng)容量的增大、電流電壓等級的提高，以及各類保護(hù)的完善，測量精度的需求也隨之提高，傳統(tǒng)電磁式互感器的抗干擾差、體積笨重、易于磁飽和、諧波測量受限等缺點(diǎn)也逐漸暴露出與電網(wǎng)發(fā)展不匹配的現(xiàn)象，同時由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，測點(diǎn)的位置要求靈活多變，傳統(tǒng)的線圈式互感器在安裝上易受到空間的限制，對于狹小復(fù)雜空間內(nèi)的相關(guān)參數(shù)的測量受到限制，因此對可以適應(yīng)復(fù)雜空間的測量方式也提出了新的要求[1-2]。

隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)傳感技術(shù)和信號處理技術(shù)逐漸地用于電網(wǎng)中，許多科研單位和公司開始利用光學(xué)傳感技術(shù)和電子學(xué)技術(shù)來研究新型的電流互感器。電流互感器可分為有源型線圈電流互感器和無源型光學(xué)電流互感器兩種，除傳感原理不同外，其區(qū)別還在于：有源型電子式電流互感器在高壓側(cè)包含電子電路元器件，將一次側(cè)電流信號轉(zhuǎn)化為模擬信號進(jìn)行傳輸；無源型光學(xué)電流互感器高壓側(cè)只含有光纖、磁光玻璃等絕緣材料，一次側(cè)的電流信號轉(zhuǎn)換成光信號進(jìn)行傳輸。兩種電流互感器相比，無源型光學(xué)電流互感器高壓側(cè)不含電子元器件，且傳輸?shù)氖枪庑盘?，具有較高的抗干擾能力；同時用于測量的光纖環(huán)采用柔性結(jié)構(gòu)，繞制工藝簡單，光纖圈數(shù)與形狀不受結(jié)構(gòu)限制，可以用于小電流、復(fù)雜布線工況的電流測量[3]。

近些年來許多學(xué)者對于全光纖電流互感器精度進(jìn)行了多方面的研究，全光學(xué)電流互感器主要受到溫度、振動等方面的影響，溫度主要影響1/4波片的延時角以及傳感光纖的Verdet常數(shù)，采用1/4波片和傳感光纖的Verdet溫度系數(shù)系數(shù)互補(bǔ)；振動主要影響傳感光纖的應(yīng)力雙折射，采用微重力及減振技術(shù)進(jìn)行抑制，通過這些努力，并且隨著旋轉(zhuǎn)光纖技術(shù)的發(fā)展，全光纖電流互感器日趨完善[4-9]。

山西省引黃“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中一項重要的工程，供水范圍較廣，為了保障工程中電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，水電站發(fā)電機(jī)組定子選擇性保護(hù)接地裝置逐漸得到推廣，零序電流作為選擇性定子保護(hù)接地的重要判據(jù)需要精確測量[10]。電動機(jī)組零序電流的檢測要求互感器的測量范圍大，小電流測量精度高，現(xiàn)場在不拆卸母線情況下完成安裝，且結(jié)構(gòu)可適應(yīng)復(fù)雜工況。本文設(shè)計的無源全光纖電流互感器具有高精度、小電流特性好、現(xiàn)場可繞制光纖環(huán)、易安裝的柔性結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，可滿足工程需要。

2 無源全光纖電流互感器測量原理與光路設(shè)計

2.1 無源全光纖電流互感器測量原理

光學(xué)電流互感器(Optical current transducer，OCT)基于Faraday磁光效應(yīng)和安培環(huán)路定理，通過測量偏振光在一次電流引起的磁場中的旋光角來間接測量電流[11](如圖1)。根據(jù)Faraday磁光效應(yīng)線偏振光光矢量的旋轉(zhuǎn)角(用表示)，理想情況(不考慮線性雙折射)下可表示為

其中：為作用于磁光玻璃的磁場強(qiáng)度，為偏振光通過磁光玻璃的長度，為磁光玻璃的Verdet常數(shù)，它與介質(zhì)的特性、光源波長、外界溫度等有關(guān)。

圖1 法拉第磁光效應(yīng)

當(dāng)偏振光的路徑光路為閉環(huán)回路時，根據(jù)安培環(huán)路定理，磁場強(qiáng)度對路徑的積分等于閉環(huán)路徑所包圍的各個電流的代數(shù)和與磁導(dǎo)率的乘積，簡化旋光角可以得到：

其中：為介質(zhì)中的磁導(dǎo)率，為閉環(huán)回路包圍的電流之和。由此可知偏振光在磁場中產(chǎn)生的旋光角與閉環(huán)回路中的電流之和成正比，因此可以采用檢測閉環(huán)光路中旋光角來測其包圍的電流。

2.2 無源全光纖電流互感器閉環(huán)光路設(shè)計

目前全光纖電流互感器閉環(huán)回路如圖2所示，全光纖電流互感器數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)由采集單元、傳輸光纖、一次傳感器三部分構(gòu)成。

光源經(jīng)過耦合器后進(jìn)入起偏器變成線偏振光；線偏振光通過起偏器與相位調(diào)制器之間的分光器，產(chǎn)生兩束正交偏振光；兩束正交偏振光沿著保偏光纖兩個正交方向傳播，經(jīng)過45°波片光纖時，變成兩束旋向相反的圓偏振光。兩束偏振光進(jìn)入一次傳感環(huán)后，在磁場作用下發(fā)生磁光效應(yīng)，產(chǎn)生相反的旋光角；到反射鏡時兩束偏振光旋向再次發(fā)生改變，再經(jīng)過二次電流產(chǎn)生的磁場時，旋光角加倍。兩束光因為旋向不同，經(jīng)過兩次磁場后，相位差為單束旋光角的4倍。兩束光從一次傳感環(huán)射出時，偏振方向互換，再回到探測器時，兩束光相位攜帶旋光角的信息；而由于旋光角與電流成正比，因此兩束光相位差可以反映一次電流的信息。此過程中通過相位調(diào)制器施加方波調(diào)制電壓信號，使兩束偏振光的相位差產(chǎn)生π/2偏置，被測信號從數(shù)學(xué)上由余弦函數(shù)變?yōu)檎液瘮?shù)，將系統(tǒng)的工作點(diǎn)移至零點(diǎn)附件的靈敏區(qū)域，克服響應(yīng)靈敏度低及干涉結(jié)果不能反映被測電流方向等問題[11]。帶有電流信息的光強(qiáng)信號經(jīng)耦合器輸出抵達(dá)探測器PD，探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，解調(diào)電路從PD輸出的電信號中解調(diào)出一次電流信息。

圖2 無源全光纖電流互感器閉環(huán)光路示意圖

其中：為光纖傳感環(huán)圈數(shù)，為一次導(dǎo)體中電流大小(待測電流)。

2.3 無源全光纖電流互感器閉環(huán)回路消溫特性分析

本文的全光纖電流互感器采用閉環(huán)回路結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)具有互易性，可以有效地消除溫度對全光纖電流互感器測量精度的影響，由于光源經(jīng)過起偏器后，形成偏振光，其偏振光在經(jīng)過起偏器與相位調(diào)制器之間的45°熔點(diǎn)時，產(chǎn)生正交的兩束偏振光E，E，以45°熔點(diǎn)為原點(diǎn)，以此時兩束偏振光相位為零時刻建立偏振光傳播方程：

其中：1，2為沿方向振動和方向振動的偏振光，為兩束偏振光的圓頻率，1，2分別為沿兩方向振動的初相位。

由于偏振光的傳播介質(zhì)為保偏光纖，有快軸和慢軸之分，設(shè)方向為快軸方向，為慢軸方向，則兩束偏振光從原點(diǎn)傳輸至波片光纖時，由于兩束光傳播速度的差異產(chǎn)生相位差Δl，同時考慮溫度對于保偏光纖折射率的影響，從而影響兩個方向上光的傳播速度。假設(shè)溫度對快慢軸折射率的影響程度不同而引起的相位差為ΔT，則在波片光纖處兩束偏振光的相位差為

根據(jù)上述分析，當(dāng)兩束光經(jīng)過一個完整閉環(huán)回路回到原點(diǎn)時：

由式(9)可知，整個光路近似為一個互易回路，當(dāng)經(jīng)過一個光路循環(huán)時，溫度對兩束光相位檢測的影響大幅度消除，在整個過程，偏振光振動方向發(fā)生90°轉(zhuǎn)變。由式(10)可知，經(jīng)過一個完整回路兩束光的相位差為定值，由此可知，溫度對于相位檢測的影響可以利用互易性進(jìn)行大幅度消除。

由于傳感光纖的磁光效應(yīng)具有非互易性，同時其采用的HB Spun光纖Verdet常數(shù)具有對全光纖互感器比差(衡量測量精度的主要指標(biāo))有正的溫度系數(shù)，為了消除溫度對傳感光纖Verdet常數(shù)影響，本文研制的全光纖電流互感器利用波片光纖在相位延遲大于90°時對全光纖互感器比差有負(fù)的溫度特性來消除傳感光纖溫度對電流測量精度影響，從而進(jìn)一步減小溫度對全光纖電流互感器測量精度的影響[12-13]。

3 無源全光纖電流互感器結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

山西引黃工程發(fā)電機(jī)組為實現(xiàn)選擇性定子接地保護(hù)功能，采用機(jī)端零序電流和機(jī)端零序電壓構(gòu)成零序方向元件，實現(xiàn)選擇性定子接地保護(hù)功能。正極性端在發(fā)電機(jī)側(cè)，極性示意如圖3所示，為了實現(xiàn)選擇性定子接地保護(hù)，需要檢測中性點(diǎn)電流的大小和方向，在每臺機(jī)組的中性點(diǎn)位置安裝電流互感器。因為零序電流為發(fā)電機(jī)三相之和小電流，且現(xiàn)場要求安裝電流互感器時不可拆卸管母，只能采用可現(xiàn)場繞制式光纖電流互感器，因此圖中零序CT為光CT。

本文設(shè)計的無源全光纖電流互感器用于測量中部引黃工程的1、2號發(fā)電機(jī)母線零序電流，現(xiàn)場的1、2號母線A、B、C三相采用環(huán)氧澆筑在一起，現(xiàn)場發(fā)動機(jī)1、2號機(jī)組澆筑母線走線如圖4所示，兩條母線并排平行于墻壁走線，由于母線與墻壁間隔、兩條母線間隔距離較小，因此設(shè)計互感器時傳感環(huán)采用非圓結(jié)構(gòu)，同時為了滿足現(xiàn)場安裝方便，采用柔性傳感環(huán)在現(xiàn)場進(jìn)行繞制。

3.1 全光纖電流互感器的柔性光纖傳感環(huán)測量性能分析

本文制作的光纖傳感環(huán)由反射鏡、保圓光纖、1/4波片、保偏光纖以及用于保護(hù)光纖的波紋管組成，為了研究柔性溫度對光纖環(huán)測量性能的影響，本文制作了8圈、16圈、30圈、60圈柔性光纖環(huán)。

圖3 發(fā)電機(jī)定子零序方向的動作原理圖

Fig. 3 Principle diagram of zero sequence direction of generator stator

圖4 中部引黃現(xiàn)場母線走線示意圖

其中：Kra為額定變比，IP為實際一次電流的方均根值，Us為二次轉(zhuǎn)換器輸出均方根值；根據(jù)參數(shù)含義，可以得知KraUs即為互感器測量電流值。