光纖傳感電流監(jiān)測中光纖套筒周圍的電磁場分布研究

毛辰飛　張學(xué)典　常敏等

摘要： 介紹了一種用COMSOL軟件模擬大電流磁場的方法，并提供了光纖電流傳感器中傳感元件所放置的套筒的材料的選擇依據(jù)，本方法具有實用性及可靠性。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過COMSOL軟件，建立了大電流直導(dǎo)線模型，利用所建立的模型，分別用理論和實驗?zāi)M了大電流周圍磁場分布。由光纖傳感器中不同套筒材質(zhì)導(dǎo)線周圍的磁場分布情況對比表明：磁場對材料鎳制作的套筒的置入不敏感。

關(guān)鍵詞： COMSOL軟件； 大電流； 磁場分布； 光纖傳感器

中圖分類號： TH 741.4文獻標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.011

引言

在電網(wǎng)運行過程中，電流測量起著極為重要的作用，它不僅為電力系統(tǒng)提供用于計量的參數(shù)，而且為控制和繼電保護提供了所必需的信息?，F(xiàn)有技術(shù)中，對于電流的測量基本上采用以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的電磁式電流互感器，而隨著國家電網(wǎng)電壓的不斷增加，出現(xiàn)了許多不足，例如開路易產(chǎn)生高壓，有爆炸的潛在危險。與其相比，光學(xué)電流互感器不僅克服了電磁式電流互感器的種種缺點，而且表現(xiàn)出很多的優(yōu)點，例如體積小，受電磁干擾小等等。所以，光電互感器取代傳統(tǒng)的電磁式電流互感器已成為必然。

光纖電流傳感器是以法拉第磁光效應(yīng)為基礎(chǔ)、以光纖為介質(zhì)的新興電力計量裝置，它通過測量光波在通過磁光材料時其偏振面由于電流產(chǎn)生的磁場的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的角度來正確反映最初的電流信息。Chu等設(shè)計的采用三角形光學(xué)玻璃傳感頭的光學(xué)電流傳感器[1]可實現(xiàn)3 000 A直流電流的測量，其靈敏度達2.23×10-5 rad/A。Ulmer采用偏振調(diào)制方案的混合式光學(xué)電流傳感器[2]，是把法拉第傳感元件置于磁場集中器的氣隙之中，其系統(tǒng)的最大測量電流為3 000 A，干涉儀的相位檢測靈敏度為5.3×10-6 rad/A。另外，Ning等采用環(huán)形傳感元件的光學(xué)電流傳感器[34]也是一種新型電流傳感器，它利用反射的原理，該系統(tǒng)的交流電流檢測靈敏度為1 A/Hz。

作為光纖傳感器重要部分之一的光纖環(huán)，它的振動、位置等直接影響著所檢測的電流的大小，所以必須將其固定于套筒之中，并且用于固定的套筒材料的磁場特性必須不對測量產(chǎn)生干擾。如果這種材料影響了大電流周圍磁場的分布，那么，光電互感器探測到的電流跟實際導(dǎo)線中的電流的大小會產(chǎn)生測量誤差，這樣，電流互感器就毫無實際作用。所以，套筒材料的正確選取，對電流的的檢測、計算都有很大的影響。

關(guān)于大電流周圍電磁場的問題[5]，美國學(xué)者早在1972年對500 kV的輸電線路開始使用的時候就提出來了。原蘇聯(lián)Korobkova夫人曾向CIGRE提交了報告，介紹原蘇聯(lián)對在400～500 kV級變壓所內(nèi)工作的45個工作人員進行了健康檢查，大部分人由于長期暴露于電磁場中，都出現(xiàn)了頭痛疲勞等不同癥狀。國外學(xué)者還采用數(shù)值模擬方法進一步研究輸電線路周圍的電磁場，并研究開發(fā)了較為成熟的計算軟件包，如NEC電磁場數(shù)值計算軟件包[6]。

本文針對光纖大電流傳感器中磁場探測這一問題，從實際結(jié)果出發(fā)，建立了外附套筒的大電流周圍磁場的三維模型，利用COMSOL軟件，分別對比了有無套筒的條件下通電導(dǎo)線周圍的磁場的分布，探討了材料對套筒內(nèi)部磁場的影響。

1測量原理

1.1法拉第效應(yīng)

法拉第效應(yīng)是光學(xué)傳感檢測電流的理論基礎(chǔ)。自1977年美國海軍研究所（NRL）基于法拉第效應(yīng)開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)（FOSS）計劃以來，光纖傳感器便開始在全球范圍內(nèi)受到廣泛的重視。

在磁場的作用下，本來不具有旋光性的物質(zhì)也產(chǎn)生了旋光性（光矢量發(fā)生旋轉(zhuǎn)）這種現(xiàn)象稱作磁致旋光效應(yīng)或者法拉第效應(yīng)。

2仿真模擬

為了研究選用何種材料固定光纖才能對大電流直導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場的影響最小，本文對套筒的材料為鐵、銅、鎳等常見材料周圍的磁場分布進行了模擬，分別模擬套筒內(nèi)部的磁場，得到分布曲線，判斷哪種材料與空氣層周圍的磁場的分布最接近，那么該種材料就是要找的材料。本文分別模擬出材料為鐵，銅，鋁以及鎳時套筒內(nèi)部的磁場，并將其分別與無任何材料時的空氣層產(chǎn)生的磁場分布進行對比。

采用COMOSOL軟件4.3版本的磁場板塊對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行仿真模擬。按照通用的直導(dǎo)線的參數(shù)，本文選用銅作為大電流直導(dǎo)線的材料，長為1 m，半徑為1 cm，交流電流大小為10 kA，頻率為50 Hz。本文對銅導(dǎo)線周圍50 cm區(qū)域的磁場分布進行分析，即建立的空氣層的參數(shù)是：半徑為50 cm，長度為1 m。按照上述模擬參數(shù)設(shè)置，最終得到的模型如圖2所示。

3結(jié)果與討論

影響直導(dǎo)線周圍磁場分布的幾個重要因素主要有溫度[7]、應(yīng)力、距離和材料等[8]。因此在模擬過程中，將溫度、應(yīng)力和距離固定，從而保證得到的結(jié)果僅為材料對磁場分布的影響。

3.1理想直導(dǎo)線周圍的磁場與COMSOL模擬的空氣層磁場

為了驗證仿真的合理性，本文首先對空氣層的磁場分布分別采取公式計算和COMSOL軟件仿真兩種方式進行，對比結(jié)果。

將各個參數(shù)代入式（5），得到了磁場強度與直導(dǎo)線距離的曲線，再通過COMSOL模擬空氣層的磁場強度與導(dǎo)線距離的曲線，圖3所示為二者的比較圖。

由圖3可見，在導(dǎo)線外全部為無限大空氣層時，a>0.01 m的情況下，兩曲線基本重合，而在a<0.01 m時，由于在理想情況下，表示的也是在直導(dǎo)線外，所以，是按照直導(dǎo)線外磁場分布進行的計算及繪圖。在實際情況下，銅導(dǎo)線半徑為1 cm，所以當(dāng)a<0.01 m時，表示的是直導(dǎo)線內(nèi)。經(jīng)典公式計算得出的磁場分布和COMSOL軟件的模擬結(jié)果對比表明，COMSOL軟件與實際情況相符合。

由圖3可以看出，在外界是空氣層的情況下，在大電流直導(dǎo)線垂直平分線外，隨著距離的變大，其磁場強度非線性變小。雖然在0.01 m

3.2套筒參數(shù)設(shè)定

套筒的參數(shù)設(shè)置為厚度0.5 cm，剖面長5 cm，寬10 cm與導(dǎo)線的距離為5 cm。

本文對導(dǎo)線周圍50 cm范圍內(nèi)的磁場的分布情況進行分析。套筒外的空氣層的參數(shù)設(shè)置為：半徑0.5 m，高度1 m?？諝鈱雍吞淄步Y(jié)合之后的模型如圖4所示。

3.3不同材料對應(yīng)的磁場分布

當(dāng)套筒材料分別為鐵、鎳、銅時，導(dǎo)線垂直平分線上的各個點的磁場分布與空氣層磁場強度的對比圖分別如圖5（a）～（c）所示。

由圖5可以分析出，鐵是可磁化的材料，由其制作出的套筒對直導(dǎo)線周圍磁場的分布影響非常大，改變了原來的磁場分布。盡管銅價格便宜，制作成本較低，并且不是可磁化材料，但是它的置入，導(dǎo)致了套筒內(nèi)部磁場分布的較大改變，所以，也不能選擇銅作為套筒的材料。而作為鎳合金，雖然鎳也是鐵磁性材料，但是，其合金中摻雜了各種其他反磁性材料，所以對于套筒內(nèi)的空氣層磁性無影響。所以，選擇鎳合金作為制作套筒的材料最為適合。

4結(jié)論

本文利用COMSOL軟件對大電流直導(dǎo)線周圍的不同材料的套筒內(nèi)的磁場進行了模擬，分析了影響套筒內(nèi)磁場分布的原因。發(fā)現(xiàn)磁場分布不僅受到溫度、應(yīng)力、距離的影響，而且受到套筒材料的影響。為了選擇制作套筒的材料，在溫度、應(yīng)力、距離都相同的情況下，對不同材料的套筒內(nèi)的磁場進行了計算模擬并與空氣層的磁場進行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，用鎳合金材料制作的套筒內(nèi)的磁場分布最為接近空氣層磁場。換句話說，鎳合金材料比較適合用來制作光電傳感器中大電流直導(dǎo)線周圍用來固定及放置光纖環(huán)的套筒。本文的研究結(jié)果對光纖大電流傳感器的制作，國家電網(wǎng)的電流檢測及故障排查等問題提供了一定的數(shù)據(jù)以及理論依據(jù)。

參考文獻：

[1]CHU B C B，NING Y N，JACKSON D A.Faraday current sensor that uses a triangularshaped bulkoptic sensing element[J].Opt Lett，1992，17（16）：16671669.

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[3]NING Y N，CHU B C B，ALACKSON D.Miniature Faraday current sensor based on multiple critical angle reflections in a bulkoptic ring[J].Opt Lett，1991，16（24）：19961998.

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[5]許正平，姜槐.電磁場對生物體的影響及可能干預(yù)途徑[J].中華勞動衛(wèi)生職業(yè)病雜志，2002，20（4）：313317.

[6]RICHIE J E，GANGL III H R.EFIEMFIE hybrid simulation using NEC：VSWR for the WISP experiment[J].IEEE Trans on Electromag.Compat，1995，37（2）：293296.

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[8]曾祥楷，饒云江，余般梅，等.光纖應(yīng)變、溫度、振動同時測量新技術(shù)的研究[J].光子學(xué)報，2001，30（10）：12541258.

3.2套筒參數(shù)設(shè)定

套筒的參數(shù)設(shè)置為厚度0.5 cm，剖面長5 cm，寬10 cm與導(dǎo)線的距離為5 cm。

本文對導(dǎo)線周圍50 cm范圍內(nèi)的磁場的分布情況進行分析。套筒外的空氣層的參數(shù)設(shè)置為：半徑0.5 m，高度1 m。空氣層和套筒結(jié)合之后的模型如圖4所示。

3.3不同材料對應(yīng)的磁場分布

當(dāng)套筒材料分別為鐵、鎳、銅時，導(dǎo)線垂直平分線上的各個點的磁場分布與空氣層磁場強度的對比圖分別如圖5（a）～（c）所示。

由圖5可以分析出，鐵是可磁化的材料，由其制作出的套筒對直導(dǎo)線周圍磁場的分布影響非常大，改變了原來的磁場分布。盡管銅價格便宜，制作成本較低，并且不是可磁化材料，但是它的置入，導(dǎo)致了套筒內(nèi)部磁場分布的較大改變，所以，也不能選擇銅作為套筒的材料。而作為鎳合金，雖然鎳也是鐵磁性材料，但是，其合金中摻雜了各種其他反磁性材料，所以對于套筒內(nèi)的空氣層磁性無影響。所以，選擇鎳合金作為制作套筒的材料最為適合。

4結(jié)論

本文利用COMSOL軟件對大電流直導(dǎo)線周圍的不同材料的套筒內(nèi)的磁場進行了模擬，分析了影響套筒內(nèi)磁場分布的原因。發(fā)現(xiàn)磁場分布不僅受到溫度、應(yīng)力、距離的影響，而且受到套筒材料的影響。為了選擇制作套筒的材料，在溫度、應(yīng)力、距離都相同的情況下，對不同材料的套筒內(nèi)的磁場進行了計算模擬并與空氣層的磁場進行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，用鎳合金材料制作的套筒內(nèi)的磁場分布最為接近空氣層磁場。換句話說，鎳合金材料比較適合用來制作光電傳感器中大電流直導(dǎo)線周圍用來固定及放置光纖環(huán)的套筒。本文的研究結(jié)果對光纖大電流傳感器的制作，國家電網(wǎng)的電流檢測及故障排查等問題提供了一定的數(shù)據(jù)以及理論依據(jù)。

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3.2套筒參數(shù)設(shè)定

套筒的參數(shù)設(shè)置為厚度0.5 cm，剖面長5 cm，寬10 cm與導(dǎo)線的距離為5 cm。

本文對導(dǎo)線周圍50 cm范圍內(nèi)的磁場的分布情況進行分析。套筒外的空氣層的參數(shù)設(shè)置為：半徑0.5 m，高度1 m?？諝鈱雍吞淄步Y(jié)合之后的模型如圖4所示。

3.3不同材料對應(yīng)的磁場分布

當(dāng)套筒材料分別為鐵、鎳、銅時，導(dǎo)線垂直平分線上的各個點的磁場分布與空氣層磁場強度的對比圖分別如圖5（a）～（c）所示。

由圖5可以分析出，鐵是可磁化的材料，由其制作出的套筒對直導(dǎo)線周圍磁場的分布影響非常大，改變了原來的磁場分布。盡管銅價格便宜，制作成本較低，并且不是可磁化材料，但是它的置入，導(dǎo)致了套筒內(nèi)部磁場分布的較大改變，所以，也不能選擇銅作為套筒的材料。而作為鎳合金，雖然鎳也是鐵磁性材料，但是，其合金中摻雜了各種其他反磁性材料，所以對于套筒內(nèi)的空氣層磁性無影響。所以，選擇鎳合金作為制作套筒的材料最為適合。

4結(jié)論

本文利用COMSOL軟件對大電流直導(dǎo)線周圍的不同材料的套筒內(nèi)的磁場進行了模擬，分析了影響套筒內(nèi)磁場分布的原因。發(fā)現(xiàn)磁場分布不僅受到溫度、應(yīng)力、距離的影響，而且受到套筒材料的影響。為了選擇制作套筒的材料，在溫度、應(yīng)力、距離都相同的情況下，對不同材料的套筒內(nèi)的磁場進行了計算模擬并與空氣層的磁場進行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，用鎳合金材料制作的套筒內(nèi)的磁場分布最為接近空氣層磁場。換句話說，鎳合金材料比較適合用來制作光電傳感器中大電流直導(dǎo)線周圍用來固定及放置光纖環(huán)的套筒。本文的研究結(jié)果對光纖大電流傳感器的制作，國家電網(wǎng)的電流檢測及故障排查等問題提供了一定的數(shù)據(jù)以及理論依據(jù)。

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