全光纤电流互感器的研究现状

杨汉瑞，杨 燕，尚思飞，周 沫

(东北电力大学 自动化工程学院，吉林 吉林 132012)



全光纤电流互感器的研究现状

杨汉瑞，杨 燕，尚思飞，周 沫

(东北电力大学 自动化工程学院，吉林 吉林 132012)

光纤电流互感器因其具有绝缘性能好、安全性高、动态范围大、测量精度高、输出数字化等特点，在电力系统中具有广阔的应用前景。本文比较了传统电磁式电流互感器和光纤电流互感器的性能，阐述了光纤电流互感器Faraday磁光效应原理及全光纤电流互感器的常见结构模型，回顾了近年来全光纤电流互感器的研究情况，归纳分析了其研究和实用化过程中的关键问题和解决方法。

电磁式电流互感器；全光纤电流互感器；Faraday磁光效应

全光纤电流互感器(All-Fiber-Optical Current Transformer，AFOCT)是直接将光纤环绕于被测导线上作为敏感元件，以Faraday磁光效应为基础，综合利用闭环控制技术的新型高压电流测试设备。随着电力系统中电网电压等级的不断提高、容量不断增大，为测定电流电压稳定，系统对电流互感器的要求也越来越高[1-2]。由于以电磁感应原理为基础的电流互感器存在绝缘、安全性能差等问题，已经不能满足智能电网信息化、数字化、自动化的要求，而AFOCT具有结构简单、绝缘性能好等优点，为新型的电流互感器提供了新的思路和方法[3]。表1对传统电磁式电流互感器和AFOCT进行了比较。

表1 传统电磁式电流互感器与AFOCT的比较

从表1中可以看出，AFOCT具有众多传统电磁式电流互感器无法比拟的优势，更符合未来变电站发展的需要，是传统电磁式电流互感器较为理想的替代产品，具有良好的发展前景。因此，对AFOCT的研究必将大大加速电力设备的改革，使其向高可靠性和综合自动化方向发展，给电力系统带来更加安全的运行环境和更大的社会经济效益[4-6]。

本文对AFOCT的基本原理和结构模型进行论述，对AFOCT实用化过程中需要关注的问题进行了分析，并概述了目前国内外研究者对这些问题的研究以及提出的主要解决措施。

1 AFOCT的基本原理

AFOCT是无源式电流互感器的特例。所谓无源式电流互感器是指电流互感器传感头部分不需要提供电源[7]，传感头测量电流是基于Faraday磁光效应原理，当一束线偏振光沿着与磁场平行的方向通过介质时，线偏振光的偏振面发生旋转即产生Faraday旋转角。利用光纤的偏振特性，通过测量光纤中的Faraday旋转角间接测量电流。在纵向磁场作用下，Faraday旋转角θ为

θ=∫VHdl=VNI，

(1)

式中：V为维尔德(Verdet)常数；H为磁场强度；l为光在磁场中经历的路径距离；N为光纤绕通电导体的圈数；I为通过环路的电流强度。

式(1)表明，Faraday旋转角θ与磁场强度和光在磁场中所经历的路径距离成正比，与光学环路的匝数和穿过光学环路的总电流成正比。被测电流值可以通过光信号的偏转旋转角获得，这就是AFOCT的基本原理[8-12]，因其原理从根本上颠覆了传统电流互感器的电磁感应原理，一些研究者更倾向于将它定义为全光纤电流传感器。

2 AFOCT的结构模型

AFOCT就其光路结构部分而言，研究的比较多的有两种结构：Sagnac干涉型结构和反射式结构。

2.1 Sagnac干涉型光纤电流互感器

图1所示为Sagnac干涉型光纤电流互感器的基本结构，其光路结构是在光纤陀螺的基础上发展而来。光源发出的光经过多功能集成光学器件(Y波导)后起偏为线偏光，并被Y波导中的分束器分成两路，分别经过λ/4波片转换成旋向相同的圆偏振光，并分别以顺时针和逆时针方向进入光纤传感头，在电流产生的磁场作用下产生Faraday效应，再次经过另一个λ/4波片后转换为线偏振光，在Y波导中进行干涉得到相位差，即两倍的Faraday相移，经耦合器耦合进入光电探测器转换为电信号，进行后续的信号处理[13-15]。

图1 Sagnac干涉型电流互感器基本结构

采用Sagnac干渉型的光纤电流互感器，容易受到Sagnac效应的影响，Sagnac效应与Faraday效应都产生非互易相移，检测时很难区分，容易导致测量误差，降低系统的稳定性；由于是在光纤陀螺基础上发展而来的，所以Sagnac干涉式光纤电流互感器对温度和振动的敏感性也较高，这也是限制Sagnac式光纤电流互感器实用化的主要原因[16]。

2.2 反射式光纤电流互感器

反射式光纤电流互感器[17]是一种对称互易结构的光纤电流互感器，根据其光路中采用调制器的不同将其分为基于Y波导调制器和基于条形波导调制器的反射式光纤电流互感器[18]。这两种结构的工作原理相近，目前研究较多的是基于条形波导的反射式光纤电流互感器。

图2所示为基于条形波导调制器的反射式光纤电流互感器基本结构。光源发出的光经过起偏器起偏为线偏光，通过45°熔接点分成沿X轴和Y轴相互垂直的两个偏振方向的偏振光，经过λ/4波片转变成左旋、右旋两束圆偏振光进入光纤传感头，在传感光纤内产生Faraday磁光效应，由于两束圆偏振光的传输速度不同，从而产生两倍的Faraday相位差，经过反射镜反射后左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光，再次经过传感头产生Faraday磁光效应，通过λ/4波片，使圆偏振光转换成线偏振光，到偏振器进行干涉，得到四倍Faraday相位差，经耦合器耦合进入光探测器转换为电信号，并进行后续的信号处理。

图2 基于条形波导调制器的反射式光纤电流互感器基本结构

由于反射结构光路中干涉信号在同一根光纤中传输，即“全对称”光路，降低了外界因素对系统的干扰，而且不受Sagnac效应的影响，使得光路稳定性提高，是目前的主流结构。然而，在研制和实验过程中，系统的测量准确度易受外界温度、振动等环境因素影响，其环境适应性和运行稳定性也是实际应用过程中需要解决的关键问题[19-20]。

3 国内外研究现状及主要问题

20世纪60年代，人们尝试利用光的磁光效应代替传统的电磁感应来测量电流，自此光学电流互感器的研究拉开了帷幕。受当时光学器件水平的制约，光学电流互感器一直处于一个精度低、长期稳定性差和有严重温度漂移问题的阶段。直到80年代，国外才出现了一些精度较高的光学电流互感器。随着90年代光纤及集成光学器件的迅速发展，AFOCT的研究受到了研究者们的广泛关注并持续至今。目前，国外做的比较先进的公司有ABB，Areva，NETPHASE等，他们在AFOCT领域有强大的技术积累，也是国内引进AFOCT的主要公司。国内AFOCT的研究相比国外起步较晚，然而近年来相关技术的发展却很迅猛，目前，国内在AFOCT的研究上较为活跃的有华中科技大学，清华大学，哈尔滨工业大学，华北电力大学，中国电力科学院，中国航天电子技术研究所，南瑞航天(北京)电气控制技术有限公司等单位[21]，研究方向大多围绕方案技术的改进以及实用化过程中遇到的关键问题，目的都是提高系统的稳定性。

从传感机理到信号处理，AFOCT已经发展出一套相对成熟的理论体系，但至今未能完全取代传统电磁式电流互感器，还仅限于小范围内的挂网运行。不管是光路部分还是电路部分AFOCT都存在一些亟待解决的问题，近年来国内外对此展开了大量研究，并取得了一定成果。本文对近年来的研究情况进行了分析，对具体问题及其解决方法进行了归纳阐述。

3.1 光路中的关键问题及研究

3.1.1 温度问题

外界温度的变化会引起传感光纤线圈产生线性双折射，对AFOCT精度产生较大影响；使λ/4波片相位延迟变化，影响AFOCT的精度和稳定性；引起Verdet常数的变化，直接影响AFOCT系统输出电流大小，导致测量误差[22]。

近年来，采用温度误差补偿研究技术解决温度影响问题的研究居多，2006年，北京航空航天大学的王夏霄等人提出利用λ/4波片的温度特性可以实现传感器的非接触测量，实现Verdet常数的在线补偿，理论和实验验证了该方法的可行性[23]。2011年，北京四方继保公司肖浩等人经过研究找到一个相位角φ0=101 ℃的传感头，使得每一个温度点波片引入的温度误差正好与Verdet常数引入的误差大小接近，正负相反[24]。同年，浙江省电力公司的陈安伟等人通过选择合适的波片相位延迟，使温度变化时λ/4波片参数引起的误差与Verdet常数变化引起的误差相互抵消[25]。2015年，华北电力大学的刘青等人建立了AFOCT的实时动态仿真模型，将可变的温度参数引入到了模型中，再次证明了通过调整λ/4波片初始相位延迟角可以有效补偿温度误差[26]。

2009年，华中科技大学陈金玲等人提出一种新的基于比较测量的温度补偿方法，作者设计了双输入双输出的传感头结构，并通过性能测试实验，验证了比较补偿法对光学电流传感器温度特性补偿的有效性[27]。2012年，北京航空航天大学李传生等人对互感器的变比按敏感头的温度进行分段线性差值补偿，有效地减小了变比误差[28]。2013年，李传生等人又提出偏振器尾纤快轴通光消除非互易波列相干性的误差抑制方法，达到了一定的误差补偿效果[29]。2014年，桂林电子科技大学熊显名等人提出了一种基于输出椭圆偏振光长轴斜率来修正测量系统的方法，实验验证长期在同一变温环境下传感光纤的物理性将趋于稳定[30]。2015年，哈尔滨工业大学程嵩等人量化研究了AFOCT比差随温度漂移的问题，分析仿真结果得出，实验温度范围内线性双折射和AFOCT比差都与温度近似成线性关系的结论，并采用温度补偿方法减小了温度对AFOCT准确度的影响[31]。

3.1.2 双折射效应

双折射效应会使AFOCT中入射到传感头中的线偏振光转变成椭圆偏振光，导致检测到的光强度与被测电流不成正比，影响测量精度和稳定性。产生双折射的原因除了温度影响外，还与光纤内部剩余应力和几何结构非对称性有关[32-33]。

2006年，北京航空航天大学姜中英等人针对传感光纤中存在的过多的残余线性双折射，实验时采用国外超低双折射光纤并在石英骨架上螺旋缠绕以增加传感光纤中的圆双折射，实验验证了减小光纤固有的线性双折射的同时加入大量圆双折射会使系统比例因子有显著改善[34]。2011年，中国计量学院王景飞等人利用琼斯矩阵建立反射式Sagnac干涉光纤电流互感器的理论模型，再次验证了在传感头中加入大量的圆双折射可以有效抑制线性双折射对AFOCT测量准确度的影响[35]。2012年，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，为将光纤中Faraday 效应与线性双折射分离检测提供了思路[36]。2015年，上海波汇通信科技有限公司周军等人提出消除线性双折射影响的双光源双输出互感器光路结构，又提出一种新型反射式AFOCT光路结构设计，对于弯曲所致线性双折射效应具有很好的抑制作用[37]。

3.1.3 振动问题

实际研究中，当测量的光学系统受到振动干扰时，测量精度会下降，特别是Sagnac型AFOCT，由于其既能敏感电流又能敏感Sagnac效应，所以振动对其测量结果具有很大的影响。

2010年，西安工业大学穆杰等人针对AFOCT振动敏感性的缺点，提出一种新型的采用双线绕法绕制光纤线圈，利用琼斯矩阵理论上证明了新型结构的AFOCT能消除对环境振动的敏感性。使用低频振动试验台对比测试了原始和改进的AFOCT，实验结果表明，改进后的互感器的输出与外部环境的振动无关[38]。同年，西安工业大学的王嘉等人针对振动对Sagnac式AFOCT测量结果的影响，也提出一种光路改进方法来消除传感器对振动的敏感性，其基本原理是抵消Sagnac效应而不影响Faraday磁光效应，理论和实验结果验证了改进后的传感器对减小振动敏感性达到一定效果[39]。2012年，哈尔滨工程大学李绪友等人针对Sagnac光纤电流互感器的振动问题，给出一种新型的AFOCT传感头方案，即增加外部闭环线圈，通过振动试验验证了此方案能够在一定程度上消除AFOCT在实际环境中所受振动的不利影响[40]。

3.2 电路问题及研究

AFOCT未能广泛实用化出于很多原因，上述的研究都是通过改善光路部分来提高系统的稳定性和测量精度，决定AFOCT测量准确度的另一个关键部分是信号处理方法，近年来，为更好地提高AFOCT整体的测量精度和抗干扰性能，研究者对电路部分也做了大量研究[41-42]。

2012年，中国航天电子技术研究院王巍等人针对集成光学调制器调制系数随温度变化从而影响测量精度的问题，提出一种反馈控制的方法，对调制系数引起的调制通道增益变化进行补偿，有效降低了调制系数变化引起的测量误差[43]。2014年，暨南大学罗云瀚等人针对外界干扰引起的变化，在正弦调制基础上提出了一种改进的信号解调方案，即通过二次谐波分量S2和四次谐波分量S4解出有效调制深度a的补偿干扰解调算法，通过搭建AFOCT装置进行实验，结果表明，改进的解调算法使系统的抗干扰性能提高了30倍[44]。同年，中国工程物理研究院李建中等人针对AFOCT光路十分微弱的信号，提出一种基于数字开环的AFOCT检测系统以及实现方案，利用开环电路研制AFOCT样机，搭建准确度检验系统，验证了该方案有效地提高了系统灵敏度[45]。2015年，北京邮电大学欧阳康等人介绍了一种新型调制解调方案的AFOCT，采用归零方波调制，以正弦波信号作为本振信号实现模拟相干解调，对采样信号做数字信号处理完成阶梯波闭环反馈，研制了原理样机并验证了方案的有效性[46]。同年，航天十六所的汪刚等人根据反射式光纤电流互感器的原理，分析了互感器解调系统输出信号的特性，给出一种FPGA+MCU的AFOCT的解调系统，对解调系统进行测试，测试验证了解调系统能够对AFOCT交流及直流电流信号进行解析[47]。

电路部分除了对调制解调的研究，还有动态性能仿真研究。2011年，湖南大学王娜等人对AFOCT进行动态建模和随机建模。动态仿真得出所需的幅频和相频特性，从所获得的阶跃响应曲线来看，无振荡，平稳性好。对随机建模，先实测一组噪声波形，再随机噪声仿真产生同样的随机噪声波形，得出两者的Allan方差曲线很相似，即证明了模型的正确性[48]。 2014年，江苏省电力公司电力科学研究院陈刚等人对AFOCT闭环控制系统建模，在Labview软件平台上搭建仿真平台，通过改变光纤匝数和温度等参数进行影响因素分析，验证了系统的稳定性和性能可调节性，结果验证了AFOCT具有优越的动态性能[49]。同年，北京航空航天大学的王夏霄等人对AFOCT的动态特性进行实验研究，通过实验验证了闭环带宽与延迟光缆长度成反比，与前向通道增益成正比，为在延迟光缆长度的选取，对系统影响前向通道增益各参数的选择方面，提供了理论基础和依据[50]。

3.3 产品工程化问题及研究

目前，AFOCT已经从实验室过渡到实际试运行阶段，但成型的产品以及产品在用电负荷增长迅猛的电网实用化过程中还会出现可靠性差等问题[51]。

2015年，国网智能电网研究院侯继彪等人针对南环220kV智能变电站示范工程中遇到的线路保护问题，分析出原因是受到了断路器机构所产生振动的影响，对此提出了一种优化AFOCT结构的方法。更改后的AFOCT实验录波显示，三相均无噪声电流输出，保护装置未启动，消除了影响继电保护可靠性的隐患，现场的通流实验也验证了优化结构后的精度未受影响[52]。

2016年许继集团颜语等人针对AFOCT进行电磁兼容测试，测试在许继集团电子互感器公司中试部进行，选定相应的装置和运行参数进行抗扰度实验，实验结果显示AFOCT此次的电磁兼容实验出现了丢帧和不合格情况，对此作者又对互感器电源模块信号板的部分电路进行了整改，整改后对反射式AFOCT进行电磁兼容实验复测，实验结果能够达到一定的要求[53]。

4 总结与展望

AFOCT较传统电磁式电流互感器有明显的优势，目前已经走出实验室从原理性阶段过渡到与电力系统相结合的阶段，有部分国家和地区已经挂网试运行。当前，国网公司建设坚强智能电网步伐正有力推进，AFOCT技术作为信息采集的关键技术在不断创新，新技术在带来诸多优点的同时也带来了新的挑战。进一步研究AFOCT的新理论、新方法并尽快实现实用化和产品化是一项重要且紧迫的任务。如果能尽快顺利解决尚存的稳定性和精度等问题，预计在未来几年，AFOCT将在电力系统中广泛应用并带来巨大的经济效益和社会效益。

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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

吉林省科技发展计划项目(20160101249JC)；吉林市科技发展计划资助项目(20156404)；东北电力大学博士科研启动基金资助课题(BSJXM-201419)

杨汉瑞(1986-)，女，博士，讲师，主要研究方向：光纤传感技术、光电检测技术.

1005-2992(2017)03-0090-07

TM452

A

电子邮箱： yanghanrui1208@163.com(杨汉瑞)；Yolanda0124@163.com(杨燕)；13844227332@163.com(尚思飞)；411253329@qq.com(周沫)