高光强的全光纤电流互感器设计

关鹏宇，杨耿煌，董 建，湾世伟，湾晓文

（1.天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院，天津 300222；2.扬中智容电力科技有限公司，镇江 212000）

科技的进步使高压直流输电技术得到充分发展[1-3]。互感器是高压电的主要检测设备之一，测量数据提供的参数，确保设备可正常运行，如继电保护等。随着国家智能电网的发展，电磁式电流互感器逐渐暴露出一些缺陷，如在高压下难以绝缘、精度不足，体型大、生产成本高等[4]。而全光纤电流互感器（fiber-optic current transformer，FCT）具有优异的电气绝缘性能、抗杂散电磁场干扰、大动态范围内的高精度、小得多的体积、集成化、智能化等优势[5-6]，因此FCT 逐渐成为当前研究热点[7-9]。在国内，湾世伟[10]团队应用光电技术设计方案，于2010 年成功研发生产出全光纤电流互感器第一代样机。然而，该设计方案还存在一些技术问题，如传感光纤圈的制作工艺困难，器件结构脆弱，成品易受温度、电压、散杂磁场影响[11]，且无法保证成品间的一致性。为此，本文提出一种全光纤电流互感器，在室温环境下测量精度可达到0.2 和5P30 级测量准确度。在温度变化、散杂磁场以及电压变化等干扰条件下可以正常工作，且测量的电流准确度符合国家标准[12]。同时，FCT 与电磁式互感器相比，体积更小，易于安装使用，可满足电力工业电流测量的工程需要。

1 全光纤电流传感器工作原理及结构框架

1.1 工作原理

FCT 测电流的原理基于法拉第磁光效应和安培环路定律[13]。先将一束光经过起偏器变成偏振光，再通过法拉第磁性材料，偏振光的振动面将发生偏转，利用检测偏转的角度计算出产生的磁场大小，全光纤电流互感器工作原理如图1 所示。

图1 全光纤电流互感器工作原理

由安培环路定律可知，对磁场的积分值只与封闭回路中的电流有关。

式中：φ 为检测出的偏转角度；V 为菲尔德常数；H 为磁场强度；L 为光束通过磁光材料的有效长度。

通过式（1）可以计算出磁场强度，再通过安培环路定律可计算出电流i。

光纤电流互感器由传感单元和光电及信号处理单元2 部分组成。其中，传感单元包括1/4 波片、传感光纤圈、反射镜以及未画出的封装结构组成；光电及信号处理单元包括光源、对光束做调制、处理和延迟的光学器件，光电探测器以及信号处理和输出电路[14]，全光纤电流互感器组成原理图如图2 所示。

图2 全光纤电流互感器组成原理图

1.2 光电及信号处理单元

光电及信号处理单元的主要功能包括提供光源、对偏振光进行调制以及对传回的光信号处理成可读取的电信号。在相位调制器作用下，利用光纤的双折射性质对2 个正交线偏振光进行同步调制。调制信号的频率[1]为

式中：τ 为2 个正交线偏振光往返通过延迟光纤和传感光纤圈所用的时间。反向传输的圆偏振光在经过1/4 波片、光纤起偏器和光纤环形器后，到达光电转换器上的干涉光强[15]为

式中：Id为光检测器所接受的光强；k 为整个光路的损耗；Is为光源发出的光强；V 为菲尔德常数；N 为传感光纤圈环绕载流母线的整数匝数；i 为载流母线导体中的待测电流；其中ϕ（t）为光学双折射相位调制器的调制信号

1.3 传感单元

在传感单元中，围绕导流母线的传感光纤圈服从安培环路定律。传感光纤圈环绕导流母线，电流产生的磁场因法拉第磁光效应，而使2 个旋转方向相反的圆偏振光相互之间产生一个与待测电流呈正比的相位差

式中：θ 为传感光纤中2 束偏振光之间的相位差（对应于电流的光信号）；i 为流过导流母线的电流（被测的电流）；H 为流过导流母线的电流产生的磁场强度；N为传感光纤圈的匝数；V 为菲尔德常数（磁光系数）。

2 工作过程及结构

2.1 工作过程

FCT 电流测量步骤如下。

（1）光源发出的线偏振光经过门1 进入光纤环形器，从门2 发出进入光纤起偏器，在此过程中，入射和出射光的偏振方向旋转90°，光纤环形器示意图如图3 所示。

图3 光纤环形器示意图

（2）从光纤起偏器射出的线偏振光在保偏光纤偏振轴45°熔接处变成2 个正交的线偏振光，进入相位调制器。

（3）2 个正交线偏振光经过调制后进入延迟光纤，最后到达传感单元中。

（4）线偏振光到达传感单元后，被1/4 波片转换为圆偏振光。

（5）圆偏振光通过传感光纤后，经过反射镜反射后改变旋转方向，沿传感光纤反向传播，由于法拉第磁光效应，圆偏振光在传感光纤中发生偏转，产生相位差。经过1/4 波片后，变回线偏振光。

（6）线偏振光在光纤起偏器处产生干涉，后经光学环形器的门2 进入，门3 射出，到达光电转换器，经过光电转换器将光信号转变为电信号，依据式（4）求出待测电流。

（7）光电转换器输出的电信号进入数字信号处理模块进行解调，可使用一阶谐波分量得到正比于待测电流的电压信号[16]为

式中：V1为一阶谐波分量的电压信号；J1（ϕm）为一阶贝塞尔函数，可通过式（7）求得待测电流i 的值。

为了降低外界影响导致测量数值波动，如光源的功率波动，通过数字信号处理模块同时测出一阶和二阶谐波分量的电压信号V1（ωm）和V2（2ωm），并利用对应的J1（ϕm）和J2（ϕm），得到不受光源波动影响的电流值i

2.2 产品硬件选型

根据原理图分别对光源、起偏器、调制器、传感光纤和光电探测器进行选型。光源选择能产生波长为1 310 nm 的发光二极管，同时配有恒流源电路保证光源能发出均匀稳定的光。起偏器、调制器选用Y 波导调制器，该型号的调制器具有大的调制带宽以及高偏振消光比等优点，可以提高系统的稳定性和精确性。传感光纤圈选取高菲尔德常数的传感光纤，在制作传感光纤圈时需要弯曲光纤使其闭合成圆，但弯曲过程中会改变光纤内部的应力分布和折射率分布，由此影响FCT 所测信号的强度，造成FCT 测量误差。因此，选择高菲尔德常数传感光纤圈，减少光圈匝数和弯曲部分，达到增强信号强度、减小误差的目的。光电探测器选择PINFET 型光探测组件，该组件为集成的一体化模块，满足FCT 使用需求。

2.3 产品结构型式

设计的全光纤电流互感器主要由光电单元、高压绝缘柱体、光学器件和传感光纤圈构成。光电单元放置在测控室内部，光束由保偏光纤传输到高压绝缘柱体结构底座，经过内置保偏光纤段和高压绝缘柱体传输到在高电压环境下的传感单元。在传感单元中，所有的光学器件都在封装结构中，包括光束经过1/4 波片、载流导体、传感光纤圈和反射镜，整体结构示意图如图4 所示。

图4 整体结构示意图

3 实验过程及结果

本实验对FCT 的基本准确度、温度循环时准确度、抗电磁干扰以及抗电压干扰进行测试，测试时使用的主要检测仪器设备包括电子式互感器数字输出校验系统、标准电流互感器HL1582、冲击发生器装置CDF-800、冲击电压测量系统TZF600-800 和报文记录及故障录波分析装置（网络分析仪）ZH-5N。

3.1 基本准确度测试

选取2 组不同温度、湿度环境对FCT 基本准确度进行测试，保证FCT 测量的可行性。

在环境温度为14℃，相对湿度为57%时，室温测量结果1 和环境温度为19 ℃，相对湿度为66%时，室温测量结果2 如表1 所示。

表1 室温测量结果

检测结果表明，在室温环境下FCT 可达到国家标准的准确度。

3.2 温度循环准确度测试

由于FCT 测量结果会受温度影响，所以需检测其在循环温度下的测量精度。按照以下条件进行温度循环测试：①保持额定频率。②需要施加连续的额定电流。③在测试过程中，FCT 需要一直处于正常工作状态。④在室外测量时，应在规定的最高和最低温度下进行测试，温度范围为-40 ℃～+70 ℃。温度循环示意图如图5 所示。

图5 温度循环示意图

图5 中，温度变化速率为20 K/h，热时间常数τ 为6 h，最高温度为70 ℃，环境温度为20 ℃，最低温度为-40 ℃。测量结果如表2 所示。

表2 温度循环测试结果

经检测，对设备进行温度循环实验时，其准确度可以达到国家标准互感器精度。

3.3 抗干扰测试

抗干扰是测试中的一项重要指标，出现扰动时会干扰FCT 的测量结果，严重时会影响正常工作。干扰的检测环境为：温度17.4 ℃～20.3 ℃，湿度56.3%～69.4%，大气压力101.4～101.9 kPa。测试时，合并单元和采集单元的工作电压为DC220 V，并在一次侧施加10%额定电流，用ZH-5N 型故障录波分析装置监视二次侧运行状态，电子式互感器校验仪监测准确度。测试结果分为2 个等级，A 级为在技术要求限值内正常运行；B 级为功能暂时降低或丧失，但在干扰停止后能自行恢复，不需要人为调试。

3.3.1 抗电磁干扰测试

该实验在电波暗室中完成，设备与天线距离3 m，天线移动高度为1～4 m，存在水平和垂直2 种极化方式，转台可360°旋转，以便检测出最大辐射干扰值。测试结果如图6 和图7 所示。

图6 辐射干扰测量波形（天线水平极化）

图7 辐射干扰测量波形（天线垂直极化）

3.3.2 抗电压干扰测试

在抗电压干扰方面进行了2 个实验：一个是电压慢变化抗干扰测试，在电源端口施加电压变化各3次，时间间隔为10 s，实验结果表明可以正常运行，性能评价为A；另一个是电压暂降和短时中断抗干扰测试，在电源端口施加电压暂降和中断各3 次，时间间隔为10 s，实验结果表明可以正常运行，性能评价为A。具体参数如表3 和表4 所示。

表3 电压慢变化抗干扰测试

表4 电压暂降和短时中断抗干扰测试

经检测，对设备进行抗干扰实验时，设备受电磁和电压影响小，符合标准A 级限值要求，可以达到国家标准对准确度的要求。

4 结 语

本文研发一种全光纤电流互感器（FCT），该互感器在光电单元中使用光纤环形器提高光束质量，以此来提高后续处理的精度；在传感单元里导流母线中，电流产生的磁场由于法拉第磁光效应，使传感光纤中的2 个探测光束发生偏转，产生一个与待测电流成正比的相位差，对干涉光强进行分析处理即可求得待测电流值。与电磁式互感器相比，FCT 有更好的抗干扰性能、优异的电气绝缘特性以及更小的体积。经实验检测，其准确度符合GB/T 20840.8—2007 互感器标准。在测试时，其在室温环境下，测量精度可达到0.2 和5P30 级测量准确度。在受温度变化、电磁干扰、电压波动影响时，FCT 可以正常运行，测量数据准确度达到国家标准，可满足电力工业工程需求。同时，FCT 的结构简单，体积小，集成度高，在智能大电网系统中具有良好的应用前景。