數(shù)字式全光纖電流互感器系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)研究＊

宋 曼，張 輝

（合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

引 言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)互感器的要求越來(lái)越高，而傳統(tǒng)的電磁式電流互感器在運(yùn)行中漸漸暴露出一些嚴(yán)重的缺點(diǎn)，已經(jīng)很難滿足數(shù)字化電站的要求。目前的市場(chǎng)情況是，電力系統(tǒng)廣泛采用的仍是電磁式電流互感器，它有以下特點(diǎn)：（1）一次繞組中的電流完全取決于被測(cè)電路的一次電流大小而與二次電流無(wú)關(guān)；（2）它的二次繞組與測(cè)量?jī)x表、繼電器等的電流線圈串聯(lián)。由于測(cè)量?jī)x表和繼電器等的電流線圈阻抗都很小，因此它的正常工作狀態(tài)接近于短路；（3）它在運(yùn)行中不允許二次側(cè)開(kāi)路。如果二次側(cè)開(kāi)路，則二次電流值為零，這時(shí)電流互感器的一次電流全部用來(lái)勵(lì)磁，鐵芯中的磁通密度將會(huì)大幅度增加，從而引起鐵芯中的有功損耗增大、鐵芯過(guò)熱，最終導(dǎo)致電流互感器損壞。同時(shí)由于鐵芯磁通密度劇烈增加，故互感器的二次繞組中的感應(yīng)電壓峰值可達(dá)到數(shù)千伏之高［1］。如此高的電壓必將對(duì)設(shè)備絕緣和運(yùn)行人員的安全都造成危險(xiǎn)。為了有效防止電流互感器的二次側(cè)開(kāi)路，對(duì)運(yùn)行中的電流互感器，當(dāng)需要拆開(kāi)所連接的儀表和繼電器時(shí)，必須先短接其二次繞組，進(jìn)行泄放電。上述電磁式電流互感器的特點(diǎn)表明：傳統(tǒng)式電流互感器絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、運(yùn)行成本高、造價(jià)高，最重要的是測(cè)量準(zhǔn)確度無(wú)法保證。因此，研究新型的數(shù)字全光纖式電流互感器以取代傳統(tǒng)電磁式電流互感器已成為社會(huì)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)，所研究的系統(tǒng)是基于法拉第效應(yīng)偏振態(tài)調(diào)制的全光纖電流檢測(cè)系統(tǒng)，采用的傳感元件為保偏光纖制作的電流傳感頭。

1 全光纖電流互感器系統(tǒng)原理

目前光纖系統(tǒng)主要選用半導(dǎo)體光源，其主要原因是：半導(dǎo)體光源的發(fā)光波長(zhǎng)在光纖的低損耗窗口中傳輸，電流注入發(fā)光可以進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制；光源體積小，發(fā)光面積可以與光纖纖芯匹配，從而提高光源與光纖的耦合效率；可靠性高，高溫下可以連續(xù)工作；響應(yīng)速度快，光束的相干性好，適合于高速率、大容量的光纖系統(tǒng)；具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、使用方便、工作壽命長(zhǎng)，單色性好等優(yōu)點(diǎn)。全光纖電流互感器是基于法拉第效應(yīng)偏振態(tài)調(diào)制的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的測(cè)量的［2］，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。工作時(shí)光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)耦合器后由光纖偏振器起偏，起偏之后進(jìn)入傳感光纖即保偏光纖之中。保偏光纖纏繞在通過(guò)大電流的導(dǎo)線周圍，由于傳輸中的大電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，以及保偏光纖中的法拉第磁光效應(yīng)偏振態(tài)調(diào)制作用，偏振光的偏振態(tài)發(fā)生改變，攜帶偏振態(tài)信息的偏振光經(jīng)過(guò)檢偏器之后，進(jìn)入光電探測(cè)器。光電探測(cè)器接收到的是電流信號(hào)，需要再通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，鑒于光電探測(cè)器接收到的信號(hào)只有微安數(shù)量級(jí)，所以還必須進(jìn)行信號(hào)放大與電路調(diào)理，最終經(jīng)過(guò)比例因子轉(zhuǎn)換得到光纖電流互感器的電流信息。

圖1 全光纖電流互感器的系統(tǒng)框圖Fig.1 The system block diagram of the all－fiber current transformer

2 全光纖電流互感器系統(tǒng)建模

對(duì)利用保偏光纖作為大電流傳感頭的全光纖電流檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行瓊斯矩陣分析［3］，可以得到：

假設(shè)檢偏器與實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系的夾角為γ，則檢偏器渥拉斯頓棱鏡的Jones矩陣為：

保偏光纖的Jones矩陣和輸入的線偏振光Jones矩陣分別為：

其中ρ表示旋光率，L 表示光在保偏光纖中通過(guò)的距離，θ1表示偏振方向與x 軸的夾角，將式（2）～式（4）代入式（1）得：

則可以得出通過(guò)檢偏器之后，光探測(cè)器上得到的光強(qiáng)為：

其中，r′＝τ－C′＋F，F(xiàn)＝VNI，V 為Verdet常數(shù)，V＝1.086×10－16，N 為環(huán)繞電流的匝數(shù)，I 為導(dǎo)線中通過(guò)的電流。對(duì)于保偏光纖，通常有τ－C′?F，2τ?Δβ，則：

由于全光纖電流檢測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)受到光源光功率的影響，因此需要采取相應(yīng)的措施來(lái)消除光源光功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。系統(tǒng)采用測(cè)量臂與參考臂相比較的方法來(lái)消除上面的影響，通常對(duì)I1，I2進(jìn)行如下處理［4］：

由式（10）可知，上述的信號(hào)處理方式消除了光源功率的波動(dòng)對(duì)測(cè)量輸出信號(hào)所造成的測(cè)量誤差。但是，在實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中，這種信號(hào)處理方式對(duì)于兩個(gè)探測(cè)光路的對(duì)稱性要求非常高，而這一點(diǎn)很難做到［5］，所以會(huì)引入一定的誤差。還有環(huán)境等因素的影響，受到干擾會(huì)比較多，因此選用了一種改進(jìn)的光路結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理，其光路圖如圖2所示。

在光源半導(dǎo)體激光器處增加50∶50的光耦合器，將光源發(fā)出的光分成相同的兩束光，并分別進(jìn)入測(cè)量臂和參考臂［6］。其中參考臂的光信號(hào)通過(guò)光纖直接進(jìn)入光電探測(cè)器，與保偏光纖的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)消除光源光功率波動(dòng)對(duì)測(cè)量造成的不良影響。另外要使檢偏器遠(yuǎn)離被測(cè)電流，減少大電流電線附近的不良干擾，同時(shí)保持保偏光纖輸出的偏振狀態(tài)［7］。

圖2 改進(jìn)型全光纖電流互感器光路圖Fig.2 The optical path of the improved all－fiber current transformer

3 全光纖電流互感器的系統(tǒng)仿真

為了簡(jiǎn)化仿真模型，將全光纖電流互感器系統(tǒng)的每個(gè)建模部分用簡(jiǎn)化模型來(lái)代替，如圖3所示的即為全光纖電流互感器系統(tǒng)的仿真模型［8］。

各主要部分的仿真模型如下：圖4是光源的簡(jiǎn)化模型；圖5和圖6分別為起偏器和檢偏器的仿真模型；圖7是子系統(tǒng)3即保偏光纖傳感頭的仿真模型，由子系統(tǒng)1和子系統(tǒng)2構(gòu)成；圖8為光電探測(cè)器的仿真模型。

圖3 全光纖電流互感器系統(tǒng)仿真模型Fig.3 The system simulation model of the all－fiber current transformer

圖4 光源的仿真模型Fig.4 The simulation model of the light source

圖5 起偏器的仿真模型Fig.5 The simulation model of the partial device

圖6 檢偏器的仿真模型Fig.6 The simulation model of the polarizer device

圖7 保偏光纖傳感頭的仿真模型Fig.7 The simulation model of the polarization－maintaining fiber sensor－h(huán)ead

圖8 光電探測(cè)器的仿真模型Fig.8 The simulation model of the photoelectric detector

4 仿真結(jié)果及結(jié)論

在該仿真模型的輸入端輸入正弦電流i（t）＝2sin（ωt）［9］，該信號(hào)作為被檢測(cè)電流，通過(guò)上面的仿真模型進(jìn)行仿真，得到輸出波形如圖9和圖10所示。

圖9 被測(cè)電流的正弦波形Fig.9 The sinusoidal waveform of the measured current

圖10 全光纖電流互感器輸出的電流波形Fig.10 The output－current waveform of the all－fiber current transformer

比較這兩個(gè)波形可知，所建立的全光纖電流互感器系統(tǒng)的仿真模型是正確可行的。全光纖電流互感器模型的建立，可以將高壓端的被測(cè)電流幅值和相位大小真實(shí)的反映出來(lái)，因此對(duì)全光纖電流互感器的特性評(píng)估具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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