光学电流传感器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光学电流传感器,李坤,1.OCT的开展,OCT兴起于20世纪60年代，归功于激光器的研制成功。70年代，光纤的问世与实用化进一步促进了OCT的研究。由于其能有效克服传统电磁式的缺点，几十年来一直受到美、日、法、中等多国的研究。从1982年开始，OCT进入开展关键和极具成果时期。,传统电磁式电流传感器的缺点：有爆炸引起的灾难性事故的潜在威胁、大故障电流导致铁芯饱和从而无法记录电流的大小及变化过程、铁芯共振效应、铁芯大电感导致相位滞后并使频响受限无法记录故障电流高频分量，不利于故障分析、输出端开路导致高压、体积大重量大价格昂贵、易于受电磁干扰、不利于与数字设备连接。,3.光学电流传感器的分类,可分为：全光纤型、块状玻璃型、光电混合型、其它类型。,全光纤型结构简单、灵活、重量轻、形状随意、测量灵敏度可以按光纤环数调节 ；缺点是无法解决线性双折射带来的问题。是光学电流传感器的最终开展趋势。,块状玻璃型结构实用化和可行性较好，是目前研究的热点。,3.1 全光纤型光学电流传感器,原理：通过测量法拉第旋转角引起的光强变化或者是磁致伸缩效应引起的相位变化所导致的干预光强的变化,缺点：内部存在线性双折射、受到振动与温度的影响非常大，影响精度与长期稳定性。,解决方法：一是新型光纤材料的研制可用来减小线性双折射的影响；,二是新光纤结构的研制如双包层结构，选用选用丙烯酸盐材料加以防护可以降低温度、振动等外界变化对光纤的干扰。,三是新光纤处理技术，用旋制、扭转、退火光纤。,四是新型传感头的设计。,虽然前面提出了很多中方法，但似乎很难适用。,一般常用的测量偏振角的方法是采用Wollaston棱镜：从传感头返回的线偏振光经沃拉斯棱镜以后分解成光矢量相互垂直的两束线偏振光，通过测量两束线偏振光的相对强度两束光强度的差值比上强度的和值，获得法拉第旋转角。,第二种便是基于Sagnac干预仪型OCT的探测方法：利用交变电流产生的磁场，对光纤中两束传播方向相反的圆偏振光作用，使其电场方向发生旋转，通过相移的检测检出电流。具体操作是通过测量某一时刻,的光强，来求出相位差，在根据相位差与电流的关系求出电流值。,将FBG光纤布拉格光栅与超磁致伸缩材料GMM组合作为传感器进行电流测量是目前电流传感研究领域的热点。,3.2块状玻璃型OCT,原理：利用全反射使线偏振光在光学材料内围绕穿过材料中心的载流导体形成闭合光路，测量被电流诱导磁场调制的线偏振光的偏转角，根据电流与偏转角的线性关系，间接得到被测电流的大小。块状玻璃型光学电流传感器与全光纤电流传感器相比，具有光学玻璃材料选择范围宽、稳定性好、精度高和受线性双折射影响小等优点，但存在“反射相移问题。,消除反射相移的一般方法。,一是双正交反射：线偏振光从一个角垂直入射，在另外三个角经历两次45度正交全反射，利用两次正交全反射消除相移。,二是采用临界角反射，采用三角形的传感头设计，从一个角入射，从另外两个角发生全反射。,三是准双正交反射：既是一个多环传感头，线偏振光可在传感头内经历屡次闭合光路，但每一次全反射角都稍微偏离45度角，故称准双正交反射。,四是保偏模反射。,3.3光电混合型：利用光纤高度绝缘的优点，但系统中仍然采用常规的CT，无法克服饱和的现象，只能作为电磁式向全光学的一个过渡。,3.4其它类型：例如采用罗氏线圈。由于没有铁芯，所以不存在饱和现象。,4.偏转角检测方法,由光学电流传感器的工作原理可知待测电流与偏转角成正比，因此只要知道偏转角，就可求出待测电流，但目前尚无高精度直接测量偏振面旋转角的检测仪器，只能间接地依据其它方法检测角度，如光强检测和位相检测，其中光强检测较为常用。传统光强检测方法可分为AC/DC根本偏振检测方法和双正交偏振检测方法，,前一种方法又称为单光路检测方法，后一种方法又称为双光路检测方法 。,单光路检测方法：光源发出的光经输入光纤传输到起偏器变为线偏振光。线偏振光通过磁光材料时，其偏振面受待测电流产生的磁场的作用而发生偏转，然后传输到检偏器，被检测出相应的光强变化，最后经输出光纤传输到探测器，转换为相应的电信号。再利用模拟电子线路把直流与交流分开，并实现交流除以直流。,只要知道交流与直流的比值J，就可求出偏转角。 ,双光路检测方法：即为上面所谈到的采用Wollaston棱镜法。,但上述两种方法存在局限性，不能测量较大的偏转角。因为它们都采用了正弦函数小角近似、或者单调性来唯一确定偏转角。,传统光强检测方法的电流测量范围小，无法满足测量脉冲大电流的要求。下面将提出一种四光路光学电流传感技术，其具有测量范围不受限制的优点。,四光路检测方法：激光光源发出的光经起偏器变成线偏振光，经过磁光探头时，其偏振面受待测电流产生的磁场的作用而发生偏转，然后传输到非偏振分束器被分成两束偏振光，两束偏振光再分别进入两个偏振分束器被分为两束偏振光，总共被分成四束偏振光。,最后，四束线偏振光被光电转换器转变成电信号，进行相关信号处理，检测出偏转角，从而求出脉冲电流。,测量公式：,公式解释说明：p(J34、J12)从坐标轴的第一象限向第二象限跨越Y轴的正半轴时，m将增加1；相反地，从第二象限向第一象限越Y轴时，m将减1。当P(J34、J12)从坐标轴的第三象限向第四象限跨越Y轴的负半轴时，m将增加1；相反地，从第四象限向第三象限跨越Y轴时，m将减1。由于角度不再受正弦函数单调性的限制，因此所测脉冲电流不再受限，并且与J34/J12是反正切的函数关系，不存在不灵敏点，因而解决了不灵敏点存在较大测量误差的问题。,5.基于MEMS技术的OCT,5.1 MEMS技术与MEMS扭转微镜,MEMS微电子机械系统,优点：基于硅微加工技术制造，可大批量、高一致性、低本钱生产；特征尺寸在微米级别，材料基于硅但不限于硅；可集成智能化微系统。,MEMS扭转镜：通过MEMS技术制造的在某种驱动下可以发生转动的微机械器件。,原理：根据电磁感应原理，罗氏线圈将交变大电流信号变为低电压信号，再以交变小电流的形式引入到与之串联的MEMS驱动线圈中，驱动线圈在永磁铁磁场力矩的作用下使微镜绕扭转梁振动，双光纤准直器与扭转镜反面的镜面形成反射回路，镜面扭转使得反射光束的方向发生改变，从而对耦合到光纤中的能量进行调制。因此对输出光损耗峰值的检测，可以确定镜面的转角幅度，进而获取电流的幅值信息。,同样，也可以利用导线本身的交变磁场作为驱动磁场。,上面均利用了罗氏线圈，单独的MEMS线圈也可以在交变磁场中感应出电压。,6.OCT的实际应用,A.110KV蒙自站上海第一所真正意义上的数字化变电站,采用全光纤式OCT检测电流,特色：1.采用了特制法兰可将敏感环安装于上2.采用共光路、差动解调方式：在敏感器内通入两束正交光源，在经过同一光路以后，其受外界的影响相同，回到调制器以后，经差动解调方式可将干扰信号互相抵消，减小外界影响。,注：还可采用闭环负反响控制技术来解决外界干扰。,B.黑龙江黑河西岗子变电站关于运用光学电流互感器的成果-POSS-OCT。介绍了其相关的稳定性测试系统。,