光学电流传感器及其研究现状

石广田，杨 龙

(兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

综述与评论

光学电流传感器及其研究现状

石广田，杨 龙

(兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

光学电流传感器(OCS)相比于传统电流互感器(CT)有着突出的优点，经过长时间的发展，已开始逐步取代传统CT，应用前景十分广阔。根据测量原理的不同，对OCS进行了分类，并对每种类型OCS的测量原理进行了简要介绍，着重对这几种类型的OCS在现阶段研究过程中所存在的关键问题和相应的解决方法进行了阐述。最后，对这几种类型OCS下一步的研究重点分别进行了说明。

光学电流传感器；测量原理；分类；研究现状

0 引 言

在电力系统中，电流等参数的测量在系统维护、故障诊断等方面起着非常重要的作用。随着电力系统的快速发展，传统电流互感器(current transformer,CT)已逐步被有着体积小、抗电磁干扰、无磁饱和、测量范围大以及非接触式测量等优点的光学电流传感器(optical current sensor,OCS)所取代，其更适于高压大电流的测量，也更能够适应电力系统智能化的发展趋势。

本文根据测量原理的不同，将光学电流传感器分为了光电混合型电流传感器、法拉第效应电流传感器、Sagnac干涉仪电流传感器和光纤光栅电流传感器等4种类型，并从测量原理、研究过程中所遇到的问题和解决方法等方面对这4种光学电流传感器分别进行了介绍。

1 光电混合型电流传感器

光电混合型电流传感器是将传统CT与光纤技术相结合，把原来的导线传输用光纤传输来代替，较好地解决了传统CT高压绝缘难度大、危险系数高等问题。目前，此类电流传感器的的研究重点多集中于解决高压侧信号处理电路的电源供给问题上。对此，人们提出利用太阳能电池供能、小CT供能以及激光供能等多种方法，目前主要采用的还是小CT供能和激光供能的方法。

小CT供能是直接从被测导线上应用小的CT来获取电能[1]。唐旭晖等人进一步提出了将小CT与锂离子电池相结合的方法，实现了供能上的互补，解决了单独使用小CT供能时存在供能死区的问题，经测试，当导线电流很小或无电流时，仍能为高压侧提供不小于540 mW的电能[2]。徐垦等人则是在电源设计中加入了基于反相电压补偿和非线性反馈技术的补偿电路，使高压侧电源在母线电流在10～3 500 A范围变化时，仍能够稳定供能[3]。

激光供能主要是通过光电转换器件(photovoltaic power converter，PPC)将光能转换为电能，结构主要包括：激光驱动电路、激光二极管、PPC等[4～7]。如De Nazaré F V B等人所选用的PPC转换效率为40 %，能够提供不小于300mW的电能[5]，完全能够满足电路的需要。

总的来说，光电混合型电流传感器虽然相比于传统CT而言解决了高压绝缘困难、危险系数高等问题，但仍留有传统CT的一些特点，因此，光电混合型电流传感器可以作为由传统CT向全光学型电流传感器的良好过渡。目前，人们更多的是用Rogowski线圈来代替传统感应线圈[4,7-8]，使传感器在测量范围、抗磁饱和能力等方面有了较大的提高。

2 法拉第效应电流传感器

法拉第效应电流传感器根据所用磁光材料的不同，可分为全光纤型和磁光晶体型两类。全光纤型是直接将光纤环绕于被测导线上作为敏感元件[9]；磁光晶体型则是利用光线在磁光晶体中发生法拉第效应进行测量，又可分为集磁器型[10，11]和全光玻璃型[12]。

光纤和磁光晶体中的线性双折射是由其自身几何结构的非对称性、温度变化以及弯曲应力等引起的，通过Zhou Sheng等人和王政平等人分别就线性双折射对全光纤型和磁光晶体型电流传感器影响的分析[13，14]可以看到，线性双折射对测量精度会产生较大的影响，这也一直是研究人员比较关注的问题。

对由光纤内部剩余应力和几何结构非对称性所致线性双折射的消减，人们多是采用将熔融状态的单模光纤进行扭转，再将这类光纤应用于传感器中的方法来实现的，Ulrich R和Payne D等人对这一方法都进行了深入研究[1～16]。而经过退火处理的光纤对由弯曲应力所致线性双折射则有较好的消减作用，Tang D等人对此进行了研究说明[17]，Lenner M等人则通过对ABB公司应用了退火光纤的某型号产品的介绍[18]，表明了其对线性双折射较好的消减效果。另外，Li Zhizhong等人研究了用基于偏振检测和波长扫描的方法来测量光纤中的线性双折射[19]，为将光纤中Farady效应与线性双折射分离检测提供了思路。

相对而言，线性双折射对磁光晶体的影响比光纤小了很多，但仍然存在。一种通过对全光玻璃型电流传感器结构改进的方法，对光学玻璃中由温度和结构变化引起的线性双折射有较好的抑制作用，通过实验，达到了相对误差只有0.3 %的精确度[20]。康崇等人采用椭偏检测与差除和检测相结合的方案，实现了对此类电流传感器中温致线性双折射和待测电流的分离检测[21]。

此外，Verdet常数对温度的高敏感性所引起的误差和全光玻璃型中全反射引起的相位差也需要进行补偿。陈金玲等人利用基于比较测量法的温度补偿方法[22]，使传感器具有了较高的温度稳定性，实现了对由Verdet常数变化引起误差的补偿；由全反射引起相位差的补偿，主要是通过基于双正交反射法、临界角反射法等对传感头结构的改进来实现的[23，24]。

如何减小甚至消除线性双折射等因素的影响，依然会是人们研究的重点。如果这些问题能够得到彻底的解决，对法拉第效应电流传感器的实用进程将会有很大的推动作用。

3 Sagnac干涉仪电流传感器

Sagnac干涉仪电流传感器是在Sagnac光纤陀螺仪的技术基础上发展而来的，如图1所示。其读数是通过读取环形光纤中2束反向传播的光线在电流产生磁场作用下发生法拉第效应，然后再次通过λ/4波片后相干涉所引起的相位差而得到的。

图1 Sagnac干涉仪电流传感器Fig 1 Sagnac interferometer current sensor

也正由于Sagnac干涉仪电流传感器是基于Sagnac光纤陀螺仪的技术基础而实现的，使其对振动和温度波动等有较高的敏感性，这也成为了影响Sagnac干涉仪电流传感器实用化的主要原因。因此，对振动、温度波动等影响的消除是Sagnac干涉仪电流传感器必须解决的关键问题。

一种改进的光路结构被Blake J等人首次提出，即同轴Sagnac干涉仪电流传感器(in-line Sagnac interferometer current sensor)[25]，如图2所示。它最大的优点是减小了传感器对振动和温度波动等的敏感性，并且其灵敏度是Sagnac干涉仪电流传感器的2倍。

图2 同轴Sagnac干涉仪电流传感器Fig 2 In-line Sagnac interferometer current sensor

Blake J等人还对同轴Sagnac干涉仪电流传感器的误差源，如环境微扰、偏振调制、散粒噪声、λ/4波片的不完备性和线性双折射等分别进行了分析，指出λ/4波片的不完备性、线性双折射及时变的环境微扰是主要的误差源，并提出了相应的解决方法。对由λ/4波片的不完备性、线性双折射引起误差的补偿和消除,Short S X和Blake J等人还进行了后续研究，给出了进一步的解决思路[26，27]。

近年来，一些新的传感器结构和误差补偿方法也被提出。如,Cao Hui等人报道了一种改进的双光纤同轴Sagnac干涉仪电流传感器，在简化调制过程的同时，减小了交叉耦合误差[28]。对Sagnac干涉仪电流传感器振动引起误差的补偿，李绪友等人在原光路中加入了与传感光纤环在缠绕方式上完全相反的补偿光纤环，通过理论分析和相关实验都得到了较好的补偿效果[29]。

相比而言，由于同轴Sagnac干涉仪电流传感器灵敏度的提高和对振动、温度波动等影响的有效消减，使其得到了更为广泛的关注。目前，如ABB，NxtPhase等公司已生产出了此类电流传感器，其中,NxtPHase公司的一类型产品已经达到了IEC规定的0.2S级标准和0.5P保护级标准[24]。但是，应该看到在将来研究工作中还必须对振动、温度波动等因素的影响提出进一步的解决方案。

4 光纤光栅电流传感器

光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)电流传感器是基于应变变化会引起FBG反射光波波长λ(称为该FBG的Bragg波长)改变的原理，将超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive material,GMM)、压电片等与FBG配合使用来实现对电流的测量。

Philip Orr等人将Rogowski线圈与FBG及压电片相结合进行测量[30]。被测电流首先通过Rogowski线圈感应出电压，此电压再作用于粘贴在FBG上的压电片，使压电片受力发生改变，λ随之改变，最后经过解调制得到测量结果。Philip Orr等人在解调制环节应用了不平衡马赫增德尔干涉仪(UMZI)，同时采用3×3耦合器进行3路输出检测，使系统具有较高的测量精度。

长周期光纤光栅(long period grating,LPG)在电流测量中也得到了应用，因其与应用FBG的测量原理相似，因此有一定的借鉴价值。Wang Li等人设计的一种LPG与GMM相结合的电流传感器，在解调制环节应用了光纤环腔衰荡技术，通过对衰荡时间τ的检测得到了被测电流值，理论计算表明:当预应力为5 MPa时，其灵敏度约为540 ps/A，分辨率可达到0.1 A，具有较高的测量精度，而相应的测量范围为2～4 kA[31]。汤大卿等人利用光纤环腔衰荡技术对FBG应变传感特性进行了实验研究，测量了不同拉应变情况下衰荡时间的变化，结果表明：传感光栅所受拉应变与受拉前后衰荡时间的倒数之差呈线性关系[32]，这说明光纤环腔衰荡技术也可应用于FBG电流传感器中。

而在实际应用中，应变和温度变化都会使λ发生改变[33]，因此，在进行电流测量时还必须对温度引起的变化进行补偿。刘杰等人将2个分别结合有GMM和Monel合金，且中心波长相同的FBG串接在光路上，由于Monel合金与GMM具有几乎相同的热膨胀系数，并且Monel合金不受磁场的影响，因此,在测量结果中减去Monel合金FBG的输出即可得到经过补偿的测量值[34]。Tong Weiguo等人应用了1只FBG电流传感器和2只温度传感器来测量电流、温度扰动等变量，然后在基于径向基函数神经网络数据融合系统中对所采集的数据进行分析和补偿，通过仿真实验，也得到了较好的补偿效果[35]。

目前，对于FBG电流传感器人们将更多地研究重点放在了温度误差的补偿和GMM、压电片等材料磁滞现象的消除上面，这些问题的解决将会对FBG电流传感器的进一步研究和实用化产生十分重要的推动作用。

5 结束语

光学电流传感器与传统CT相比，有着更为先进的传感机理以及在测量精度、测量范围、抗干扰、数字化等多方面的优势，然而仍然存在着线性双折射的影响、振动与温度变化引起误差等问题，虽然研究人员对此做了大量的工作，但如线性双折射的影响等其中一些关键问题还没有彻底的得到解决，还需要做出进一步的研究。

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Optical current sensor and its research status

SHI Guang-tian, YANG Long

(School of Mechatronic Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Due to specific advantages of optical current sensor(OCS) compared with conventional current transformer(CT),after long time development,OCS have been considered as the substitutes of CT and have broad prospect of application.According to different measuring principle,OCS are classified and principle of each type are summarized,and existing key problems during present research and corresponding solutions are introduced in detail.Finally,research emphases of each type are stated,respectively.

optical current sensor(OCS); measuring principle; classification; research status

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0001—04

2014—02—12

TP 212

A

1000—9787(2014)10—0001—04

石广田(1962-)，男，甘肃天水人，博士，教授，主要研究方向为机械电子工程、CAD/CAM等。