光纤电流传感器的工作原理及应用
邓隐北1,彭晓华2(1.郑州大学电气工程学院,河南 郑州 450052;2.森源电气股份有限公司,河南 郑州 450016)摘 要:基于法拉第效应的光纤电流传感器与传统的电流互感器相比,具有许多优点。文章回顾了光纤电流传感器的开发历程,介绍了现有各种光纤电流传感器的工作原理、分类以及在国外的应用情况,展示了光纤电流传感器在电力系统中广阔的应用前景。关键词:光纤电流传感器;无源式;全光纤式;有源式中图分类号:TM452+.94 文献标识码:B
1 光纤电流传感器的开发历程与电磁式电流互感器(CT)相比,基于光学、微电子、微机技术的光纤式电流传感器(OFCT),具有无铁心、绝缘结构简单可靠,体积小、重量轻、线性度好、动态范围大、无饱和现象,输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口等优点。这些优点既满足、推动了电力系统的发展,而且应用前景十分广阔。1845年,英国发现法拉第效应,能在电流的周围检测磁场,并通过磁场的检测测出电流的大小。20世纪60年代,法拉第效应用于电力设备中的电流测定装置(当时称为激光电流互感器)。对于流过电力设备中的电流计测,通常采用由铁心和线圈制造的电磁式CT,但其存在体积大、信号受到电磁噪音干扰等难题。作为解决方案是应用法拉第效应研制成激光CT,东京电力公司与东京大学共同开发激光CT,并在电力中央研究所进行了试验,但尚未达到实用化的程度。其原因之一是当时处于光电子的初期阶段,相关技术还不成熟[1]。20世纪七八十年代,光纤通信已经普及,由英国中央电学研究实验所(CERL)等机构提出,光纤通信应用到法拉第#传感器的元件上。因为,光纤电流传感器是基于Faraday效应来测定电流的,采用光纤作为传感介质,故在绝缘性、抗电磁干扰、可靠性等方面,比传统的电磁式CT有很大优势。而且,它还不含交流线圈,不存在开路危险。与传统的电磁式CT比较,光纤电流传感器除具有前述的优点以外,还具备(1)容易安装,不用断开导线,仅将细长、柔软的绝缘光纤卷绕在导体上就可检测电流,能实现整个传感装置的小型轻量化;(2)无电磁噪音的干扰。近年的计测控制系统中,一般将传感器的输出连接于半导体的电子回路,传感装置本身全部由光学器件构成,故具有抗电磁干扰(EMI)特性;(3)计测范围广,没有铁心磁饱和的制约,同时,法拉第效应的响应速度快,具有从低频到高频、到大电流的广阔测量范围;(4)因为信号通过光纤传输,波形畸变小,传输损耗小,故可实现长距离的信号传输。东京电力公司与HOYA公司共同研制的传感器元件专用光纤,将光弹性系数非常小的铅玻璃用作原材料。该传感器元件所用的铅玻璃光纤现已开发并应用。由于光在光纤中,一边反射,一边行进,偏振波相应于曲线的形状会出现旋转。针对此现象,在光纤的一端设置一块镜面导致光纤中光线的往返,借助光的来回往返,成功补偿和解决了偏振波的旋转问题。将铅玻璃光纤用于传感器元件,并结合利用镜面的方法,只需把光纤卷绕在载流导体上,用于电流计测的反射型传感器就基本完成。其次,开发了调制程度的平均处理与信号处理方式,这有利于特性的稳定及噪音的抑制。此外,对光源、受光元件、信号传输光纤等种类与传感器特性的关系进行了研究,而且,慎重选择了旨在降低成本和实现小型化的传感器制作技术[2]。目前,光纤传感器技术正朝实用化的方向进展,以适应电力系统的广泛需求。2 光纤电流传感器的工作原理与种类OFCT主要由传感头、输送与接收光纤、电子)550)工程与技术上海电力2008年第6期回路等三部分组成,如图1所示[1]。传感头包含载流导体,绕于载流导体上的传感光纤,以及起偏镜、检偏镜等光学部件。电子回路则有光源、受光元件、信号处理电路等。从传感头有无电源的角度,可分为无源式和有源式两类。
