光纤原子磁力仪在电力系统中的应用

李锡熙 李伟德 曾强 龙葵 蓝海森

光纤原子磁力仪在电力系统中的应用

李锡熙 李伟德 曾强 龙葵 蓝海森

（广东电网有限责任公司东莞供电局）

在电力系统中，电流是一项重要的监测指标。现有电流传感器测量精度无法满足某些精密设备的监测要求。为此，提出一种基于原子磁力仪技术的光纤型高精度电流传感器，电流探测精度可以达到pA量级。利用原子磁力仪技术的高灵敏度和光纤传感器使用灵活的特性，解决了电力系统中微弱电流检测难的问题。

电力系统；光纤传感；原子磁力仪；光子晶体光纤

0 引言

电力系统中，电力设备在运行过程中会受到环境变化的影响，如温度、湿度变化、供电电流突变等[1]，导致设备运行状态发生改变，可能使其性能逐渐劣化，最终无法正常运行。特别是电力系统中的某些精密设备，更容易受到环境影响，若失效可能导致严重的社会后果和经济损失。因此，有必要对电力设备的运行状态进行严密的在线监测[2]。电力设备状态监测是通过监测电力设备的工作参数，如电流、磁场、温度等，判断电力设备工作状态是否正常。其中，工作电流或工作电流产生的磁场是最为关键的监测参数。

传统的电磁式电流传感器在实际应用中存在安装困难、抗电磁干扰能力差等问题[3]。光纤电流传感器结构相对简单、灵活性好、抗电磁干扰性较强，且具有较高的安全性[4]，但其灵敏度有限，一般只能测量mA级电流的变化，无法实现更精密的测量。

为实现高灵敏度的电流或磁场测量，专家学者们研制了一种基于碱金属原子的磁力仪。2003年Romalis等提出一种高灵敏度的原子磁力仪，灵敏度达到0.54 fT/Hz0.5，超过同时期的超导磁力仪[5]；2010年通过将气室加热到200℃，灵敏度达到160 aT/ Hz0.5的磁场测量[6]；并提出一种基于三轴亥姆霍兹线圈设备抵消空间磁场的技术，有效消除地磁噪声的影响[7]。伯克利大学的Budker等提出一种基于非线性磁光旋转的原子磁力仪，灵敏度理论上可达0.3 fT/Hz0.5[8]，并于2006年研制出基于频率调制的非线性磁光旋转磁力仪，灵敏度为60 fT/Hz0.5；2010年又提出了基于强度调制的非线性磁光旋转磁力仪，灵敏度达到了100 fT/Hz0.5[9]。由于这种磁力仪不需要加热，而且可以工作在地磁环境中，因此有更多的实际应用价值。

为了保证系统的性能和可靠性，一般的原子磁力仪系统较为复杂，设备庞大。比如需要加热装置提高系统灵敏度，或者大型的磁屏蔽装置隔绝外界磁场。目前原子磁力仪主要应用于生物磁场测量，如脑磁场和心电图测量，并不适合电力系统的恶劣环境。为此，本文将光纤传感的灵活性和原子磁力仪的高灵敏度相结合，提出一种光纤型原子磁力仪，其精度理论上可以达到pA级别，足以满足电力系统中高精度电流监测的需要。

1 原子磁力仪

传统的光纤电流传感器是利用磁致旋光效应，通过测量光纤中偏振态的变化实现对磁场大小的测量，最终转换为电流大小[10]。磁致旋光效应基于塞曼效应，是一种普遍的自然现象。当磁场作用于物质时，物质分子简并的基态或（和）激发态会发生分裂。由于其共振吸收频率对于左圆、右圆偏振光不同，导致左圆、右圆偏振光通过物质时的吸收曲线和色散曲线有一定差异，即当磁场存在时，左圆和右圆偏振光的相对折射率存在一定差异。磁致旋光效应示意图见图1。

图1 磁致旋光效应示意图

与传统光纤电流传感器不同的是，原子磁力仪基于非线性磁致旋光效应，因而精度比一般的光纤电流传感器高很多。一束线偏振光在一个充满原子的介质中沿着磁场方向传输，当这束光频率与原子跃迁频率接近时，会发生明显的磁光旋转效应。当入射光的强度大到足以扰乱原子的平衡状态时，输出光的偏振态变化大小与光强有关，此现象称为非线性磁光旋转。

原子磁力仪的核心是碱金属气体。原子磁力仪系统一般包含两束激光，一束作为泵浦光，用于使气态的碱金属原子跃迁到饱和状态达到非线性条件；另一束光作为探测光[11]。通过检测探测光经过受激发碱金属原子气体后的偏振态变化大小实现磁场大小的测量。由于泵浦光的存在，气态碱金属中的磁致旋光效应显著增强，因此能测量极其微弱的磁场。

通常情况下，原子磁力仪的两束光是相互垂直的。然而本文提出的光纤原子磁力仪结构是一维的，只能在一个方向上传输激光。其借鉴了慢非线性，即泵浦光引起的介质光学性能改变，在去掉泵浦光后仍然可以维持一定时间。因此，可先用泵浦光激励介质，再用探测光进行探测，而不需要两束光同时作用[12]。

2 光纤原子磁力仪设计

空心光子晶体光纤是一种纤芯是空气的光纤，光在纤芯的空气中传输，其纤芯是一个空气孔，如图2所示。由于空气的折射率低于包层有效折射率，光不是靠全内反射，而是靠包层的光子带隙效应束缚在纤芯中，拥有传统光纤无法比拟的导光和控光特性。

图2 空心光子晶体光纤示意图

光纤原子磁力仪结构如图3所示，其核心部分是一段密封于空心光子晶体光纤中的碱金属气体。

图3 光纤原子磁力仪结构图

极化的原子与气室壁碰撞时，导致去极化，这是影响原子弛豫时间的最主要因素，会使信号展宽，降低系统的灵敏度。为了增加原子弛豫时间，一般采用添加缓冲气体或者对外壁进行处理两种方式。添加缓冲气体的方式，常采用惰性气体，如氦，降低碱金属原子的移动速度，减少与外壁碰撞的概率。外壁处理的方式，通常是在外壁内增加一层石蜡，使原子与外壁碰撞过程中去极化概率降低，一般可以碰撞上千次而不去极化。其中，外壁处理相对于添加缓冲气体更有优势，一方面可降低磁场梯度的影响；另一方面它的信号线宽相对更窄。不过考虑到光纤加工的难度，添加缓冲气体的方案更容易实现。

激光器中心波长需要根据所选择的碱金属原子确定。对于铷原子，其第一线吸收波长为795 nm，而对于铯原子，其第一线吸收波长为894 nm。激光器发出的光先对碱金属气体进行泵浦，使其达到饱和状态；同时作为探测光，激光经过碱金属气体后由光电探测器接收，通过偏振分析得到激光偏振态改变的大小。由于其改变大小与磁场大小有关，因此可以得到待测磁场的大小。

一般的原子磁力仪只能测量0磁场附近的磁场变化，量程十分有限，并不能工作在地磁状态下。为了扩大量程，同时保证高灵敏度，本系统采用光调制技术。通过对入射的线偏光进行频率或者强度周期性调制，实现对碱金属气体原子的周期性极化。此时，系统的测量中心将发生改变，从0磁场变为受调制频率控制的频率。

光纤原子磁力仪应用于电力系统，既能发挥光纤传输灵活的优势，又具有原子磁力仪的高灵敏。依靠光纤作为载体，除光纤外的部分，如光源、探测器等设备可以放置在机房内，只需要将光纤铺设在待测物体上即可。光纤原子磁力仪以光纤的形式介入到电力系统中，对电路系统影响较小，且与电力系统有很好的兼容性，可以满足电力系统恶劣的工作环境，保证了系统的可靠性与实用性。

3 结语

随着电力自动化程度的提高，实时在线监测电力系统的电流、磁场等参数显得尤为重要。本文提出了一种光纤原子磁力仪，可以用于高精度、长距离的电力系统的监测，为电力系统正常运转提供了保障。本系统理论测量精度达到pA级别，可有效识别电力系统中的设备故障，输电线路故障等问题。为电力系统的长期安全运行提供了保障。

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Application of Optical Fiber Atomic Magnetometer in Power System

Li Xixi Li Weide Zeng Qiang Long Kui Lan Haisen

(Dongguan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Co., Ltd.)

In the power supply system, the current intensity is an important monitoring indicator. The measurement accuracy of common current sensor cannot meet the monitoring of some precision equipment. This paper presents a fiber-optic high-precision current sensor based on atomic magnetometer technology. Its current detection accuracy can reach the order of pA, which is much higher than the existing measurement methods. The high sensitivity of the atomic magnetometer and the flexible nature of the fiber optic sensor can solve the problem of weak current detection in the power system.

Power Supply System; Optical Fiber Sensing; Atomic Magnetometer; Photonic Crystal Fiber

李锡熙，男，1975年生，本科，工程师，主要研究方向：输配电及用电工程。E-mail: 1673088@qq.com

李伟德，男，1982年生，本科，高级工程师，主要研究方向：输配电及用电工程。

曾强，男，1970年生，本科，高级工程师，主要研究方向：输配电及用电工程。

龙葵，男，1989年生，硕士，主要研究方向：输配电及用电工程。

蓝海森，男，1989年生，本科，工程师，主要研究方向：输配电及用电工程。