光纤电流互感器技术综述

光纤电流互感器技术综述

张赫

（国网辽宁省电力有限公司盘锦供电公司124000）

摘要：随着电力行业的飞速发展，对电流测量精度的要求越来越高，传统的电磁感应式电流互感器不断显露出它的局限性：精度不高、绝缘性不够、易受电磁干扰、重量太大、体积惊人、价格昂贵、以及容易保护误动作等。光纤电流互感器正是为了克服电磁感应式电流互感器的缺点而研制的，光纤电流互感器具有以下的优点：绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，测量准确度高，体积小，重量轻，测量动态范围大，频带宽，本文主要论述光纤电流互感器的研究综述。

关键词：光纤；电流互感器

0引言

光纤传感器以其高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、无源等优点被人们广泛测试并应用。目前为止光纤传感器可以用于测量温度、压力、振动、转动、弯曲、应变、速度、电流、电压等多种物理量。同时在一些特殊领域起到了不可忽视的推动作用。

测量电网中传输的电流是电网输电环节的重中之重。在电网中测量电流大小的器件被人们称作电流互感器。自电力系统成立以来，电流互感器几乎全部是根据电磁效应原理而设计并被使用的。由于长时间的使用与运行电流互感器已经趋于稳定并且技术成熟。但是随着社会对电力需求的不断增长，电压等级的逐渐加大，传统电流互感器逐渐暴露出了它的局限性，体积重量大、安装复杂、铁芯易于磁饱和、易爆容易产生危险等。在这样的情况下，全光纤电流互感器应运而生，并凭借着体积小、重量轻、电绝缘、抗电磁、动态范围大、频域响应范围宽、灵敏度高且便于安装等诸多优点，在与传统电流互感器的竞争者取得明显优势。

1光纤电流互感器的测量原理及分类

光纤电流互感器是以法拉第磁光效应为基础，以光纤为传输介质的电流计量装置，通过测量入射光强、光波在通过磁光材料时其偏振面在电磁场的作用而发生旋转后的出射光强来间接确定被测电流的大小，其分类也因标准不同而各异，现在常用的分类标准有：偏振面旋转角度的检测方法、传感机理和所用的传感材料。

1.1.根据偏振面旋转角度分类

根据偏振面旋转角度的不同，光纤电流互感器可以分为单光路光纤电流互感器和多光路光纤电流互感器。其中，单光路光纤电流互感器是以偏振片作为检测器件，多光路光纤电流互感器则是以渥拉斯顿棱镜作为检测器件。单光路光纤电流互感器只有一路输出光，具有结构简单、便于耦合、器件结构稳固、光路调试方便、价格较便宜等优点。多光路光纤电流互感器具有多路输出光，常用的是双光路电流互感器，具有结构比较复杂以及耦合光损耗大等缺点，但由于光速分成两路，能有效去除外界环境因素的干扰，提高系统测量的精确度度和可靠性。

1.2根据传感原理和传感头所用材料分类

根据传感原理和传感头所用材料的不同，光纤电流互感器主要可以分为三类：全光纤式、混合式、块状玻璃式。1）全光纤电流互感器。全光纤电流互感器（MOCT）是将传感光纤围绕在被测导线周围，根据光纤内传输的光波具有偏振特性的机理，通过测量磁光效应在光纤中引起的Faraday旋转角，从而测量出通电导体中的电流大小。由于其不仅利用光纤作为信号传输的介质，还将光纤形成闭合回路环绕通电导体作为传感头，因此，称为全光纤电流互感器。全光纤电流互感器具有结构简单、体积较小、重量轻便、测量灵敏度高等优点；2）混合式光纤电流互感器。混合式光纤电流互感器（HOCT）与全光纤电流互感器不同点在于，它仅以光纤作为信号传输的介质，传感部分仍然是采用传统的互感器结构，它是一种采用传统的电流传感机理、采用有源器件调制技术和光纤传输技术的混合式电流互感器。混合式光纤电流互感器具有结构简单、绝缘性好、长期工作稳定性好、精度高、性能稳定等优点；3）块状玻璃式光纤电流互感器。块状玻璃式光纤电流互感器与其他类型光纤电流互感器的最大区别在于，它是采用光学玻璃作为传感头。测量原理是，采用法拉第效应，导引线偏光在光学玻璃中进行多次全反射，并形成了围绕通电导体的闭合回路，通过测量出线偏振光的Faraday旋转角，并根据法拉第定理计算出电流大小。块状玻璃式光纤电流互感器与全光纤电流互感器相比，光学材料的选择范围比光纤宽，稳定性较好，精度较高，但加工困难、传感头易碎、加工成本昂贵等。

2光纤电流互感器技术现状

2.1抗振动干扰技术

为了降低FOCT振动等非互易性误差，G.Frosio等提出一种反射式干涉仪光路用于提高FOCT测量性能及环境适应性。偏振器与相位调制器之间的光纤45°熔接，其输出的线偏振光被分成两束正交传输的线偏振光，经反射镜反射后交换传输路径，返回至偏振器发生干涉。J.Blake等人则进一步研究了机械振动、环境温度等对反射式Sagnac干涉仪系统的影响及克服办法，实验结果显示反射式光路结构的敏感单元对振动不具有敏感性，能够显著提高FOCT的抗振性能。并且该方案电流引起的法拉第相移是Sagnac干涉式的两倍，灵敏度更高，成为主要光路方案。

Short等人研究结果表明，虽然反射式FOCT的敏感单元具有较好的抗振性能，其余光路对振动仍具有敏感性。在实际应用中，一次侧敏感单元更易受到来自于断路器及母线传来的振动，而二次侧光路则可置于隔振效果较好的控制柜中。因此该方案具有较好的工程适应性。

2.2高低温环境适应性技术

圆保偏光纤线圈是敏感电流磁场的关键元件，其双折射特性直接影响FOCT的性能。传感光纤主要有低双折射光纤和高双折射光纤两种，其中低双折射光纤是在单模光纤的生产过程中，为消除结构上的非理想性而进行旋转。这种光纤更接近于理想的单模光纤，能保持各种偏振态光波的传输，但易受弯曲及温度应力的影响而产生附加双折射，从而影响FOCT性能，主要应用于早期的互感器样机。通过对高线性双折射光纤拉丝中进行扭转制成的椭圆双折射光纤，能够有效抑制微观的扰动（如弯曲）、宏观的扰动（振动应力或缠绕）等引起的双折射误差，具有很好的高低温性能、抗干扰性能和长期稳定性，成为高性能FOCT的核心元件。

2.3长期稳定性技术

闭环反馈控制技术通常被应用于传感器系统，能够有效提高系统测量精度和长期稳定性。在FOCT技术方案中，相位反馈、调制系数反馈、光源温控、光源驱动反馈等是提高长期稳定性的关键技术。

干涉光强是法拉第相移的余弦函数，在小电流情况下的灵敏度较低，在大电流输入的情况下，输出信号的非线性误差将增大，会严重影响到继电保护判断的正确性和可靠性。为解决灵敏度低和输出非线性的问题，FOCT系统利用相位调制器实现对光相位的调制和反馈补偿。

参考文献：

[1]黄丽萍.光纤电流互感器技术综述[J].山东工业技术，2016（09）：175.

[2]周军，肖恺，李平，赵浩，蔡海文.全光纤电流互感器技术综述[J].信息通信，2015（05）：20-22.