光學(xué)電流傳感器及其研究現(xiàn)狀

石廣田，楊 龍

(蘭州交通大學(xué) 機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

綜述與評論

光學(xué)電流傳感器及其研究現(xiàn)狀

石廣田，楊 龍

(蘭州交通大學(xué) 機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

光學(xué)電流傳感器(OCS)相比于傳統(tǒng)電流互感器(CT)有著突出的優(yōu)點，經(jīng)過長時間的發(fā)展，已開始逐步取代傳統(tǒng)CT，應(yīng)用前景十分廣闊。根據(jù)測量原理的不同，對OCS進行了分類，并對每種類型OCS的測量原理進行了簡要介紹，著重對這幾種類型的OCS在現(xiàn)階段研究過程中所存在的關(guān)鍵問題和相應(yīng)的解決方法進行了闡述。最后，對這幾種類型OCS下一步的研究重點分別進行了說明。

光學(xué)電流傳感器；測量原理；分類；研究現(xiàn)狀

0 引 言

在電力系統(tǒng)中，電流等參數(shù)的測量在系統(tǒng)維護、故障診斷等方面起著非常重要的作用。隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)電流互感器(current transformer,CT)已逐步被有著體積小、抗電磁干擾、無磁飽和、測量范圍大以及非接觸式測量等優(yōu)點的光學(xué)電流傳感器(optical current sensor,OCS)所取代，其更適于高壓大電流的測量，也更能夠適應(yīng)電力系統(tǒng)智能化的發(fā)展趨勢。

本文根據(jù)測量原理的不同，將光學(xué)電流傳感器分為了光電混合型電流傳感器、法拉第效應(yīng)電流傳感器、Sagnac干涉儀電流傳感器和光纖光柵電流傳感器等4種類型，并從測量原理、研究過程中所遇到的問題和解決方法等方面對這4種光學(xué)電流傳感器分別進行了介紹。

1 光電混合型電流傳感器

光電混合型電流傳感器是將傳統(tǒng)CT與光纖技術(shù)相結(jié)合，把原來的導(dǎo)線傳輸用光纖傳輸來代替，較好地解決了傳統(tǒng)CT高壓絕緣難度大、危險系數(shù)高等問題。目前，此類電流傳感器的的研究重點多集中于解決高壓側(cè)信號處理電路的電源供給問題上。對此，人們提出利用太陽能電池供能、小CT供能以及激光供能等多種方法，目前主要采用的還是小CT供能和激光供能的方法。

小CT供能是直接從被測導(dǎo)線上應(yīng)用小的CT來獲取電能[1]。唐旭暉等人進一步提出了將小CT與鋰離子電池相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了供能上的互補，解決了單獨使用小CT供能時存在供能死區(qū)的問題，經(jīng)測試，當(dāng)導(dǎo)線電流很小或無電流時，仍能為高壓側(cè)提供不小于540 mW的電能[2]。徐墾等人則是在電源設(shè)計中加入了基于反相電壓補償和非線性反饋技術(shù)的補償電路，使高壓側(cè)電源在母線電流在10～3 500 A范圍變化時，仍能夠穩(wěn)定供能[3]。

激光供能主要是通過光電轉(zhuǎn)換器件(photovoltaic power converter，PPC)將光能轉(zhuǎn)換為電能，結(jié)構(gòu)主要包括：激光驅(qū)動電路、激光二極管、PPC等[4～7]。如De Nazaré F V B等人所選用的PPC轉(zhuǎn)換效率為40 %，能夠提供不小于300mW的電能[5]，完全能夠滿足電路的需要。

總的來說，光電混合型電流傳感器雖然相比于傳統(tǒng)CT而言解決了高壓絕緣困難、危險系數(shù)高等問題，但仍留有傳統(tǒng)CT的一些特點，因此，光電混合型電流傳感器可以作為由傳統(tǒng)CT向全光學(xué)型電流傳感器的良好過渡。目前，人們更多的是用Rogowski線圈來代替?zhèn)鹘y(tǒng)感應(yīng)線圈[4,7-8]，使傳感器在測量范圍、抗磁飽和能力等方面有了較大的提高。

2 法拉第效應(yīng)電流傳感器

法拉第效應(yīng)電流傳感器根據(jù)所用磁光材料的不同，可分為全光纖型和磁光晶體型兩類。全光纖型是直接將光纖環(huán)繞于被測導(dǎo)線上作為敏感元件[9]；磁光晶體型則是利用光線在磁光晶體中發(fā)生法拉第效應(yīng)進行測量，又可分為集磁器型[10，11]和全光玻璃型[12]。

光纖和磁光晶體中的線性雙折射是由其自身幾何結(jié)構(gòu)的非對稱性、溫度變化以及彎曲應(yīng)力等引起的，通過Zhou Sheng等人和王政平等人分別就線性雙折射對全光纖型和磁光晶體型電流傳感器影響的分析[13，14]可以看到，線性雙折射對測量精度會產(chǎn)生較大的影響，這也一直是研究人員比較關(guān)注的問題。

對由光纖內(nèi)部剩余應(yīng)力和幾何結(jié)構(gòu)非對稱性所致線性雙折射的消減，人們多是采用將熔融狀態(tài)的單模光纖進行扭轉(zhuǎn)，再將這類光纖應(yīng)用于傳感器中的方法來實現(xiàn)的，Ulrich R和Payne D等人對這一方法都進行了深入研究[1～16]。而經(jīng)過退火處理的光纖對由彎曲應(yīng)力所致線性雙折射則有較好的消減作用，Tang D等人對此進行了研究說明[17]，Lenner M等人則通過對ABB公司應(yīng)用了退火光纖的某型號產(chǎn)品的介紹[18]，表明了其對線性雙折射較好的消減效果。另外，Li Zhizhong等人研究了用基于偏振檢測和波長掃描的方法來測量光纖中的線性雙折射[19]，為將光纖中Farady效應(yīng)與線性雙折射分離檢測提供了思路。

相對而言，線性雙折射對磁光晶體的影響比光纖小了很多，但仍然存在。一種通過對全光玻璃型電流傳感器結(jié)構(gòu)改進的方法，對光學(xué)玻璃中由溫度和結(jié)構(gòu)變化引起的線性雙折射有較好的抑制作用，通過實驗，達到了相對誤差只有0.3 %的精確度[20]。康崇等人采用橢偏檢測與差除和檢測相結(jié)合的方案，實現(xiàn)了對此類電流傳感器中溫致線性雙折射和待測電流的分離檢測[21]。

此外，Verdet常數(shù)對溫度的高敏感性所引起的誤差和全光玻璃型中全反射引起的相位差也需要進行補償。陳金玲等人利用基于比較測量法的溫度補償方法[22]，使傳感器具有了較高的溫度穩(wěn)定性，實現(xiàn)了對由Verdet常數(shù)變化引起誤差的補償；由全反射引起相位差的補償，主要是通過基于雙正交反射法、臨界角反射法等對傳感頭結(jié)構(gòu)的改進來實現(xiàn)的[23，24]。

如何減小甚至消除線性雙折射等因素的影響，依然會是人們研究的重點。如果這些問題能夠得到徹底的解決，對法拉第效應(yīng)電流傳感器的實用進程將會有很大的推動作用。

3 Sagnac干涉儀電流傳感器

Sagnac干涉儀電流傳感器是在Sagnac光纖陀螺儀的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，如圖1所示。其讀數(shù)是通過讀取環(huán)形光纖中2束反向傳播的光線在電流產(chǎn)生磁場作用下發(fā)生法拉第效應(yīng)，然后再次通過λ/4波片后相干涉所引起的相位差而得到的。

圖1 Sagnac干涉儀電流傳感器Fig 1 Sagnac interferometer current sensor

也正由于Sagnac干涉儀電流傳感器是基于Sagnac光纖陀螺儀的技術(shù)基礎(chǔ)而實現(xiàn)的，使其對振動和溫度波動等有較高的敏感性，這也成為了影響Sagnac干涉儀電流傳感器實用化的主要原因。因此，對振動、溫度波動等影響的消除是Sagnac干涉儀電流傳感器必須解決的關(guān)鍵問題。

一種改進的光路結(jié)構(gòu)被Blake J等人首次提出，即同軸Sagnac干涉儀電流傳感器(in-line Sagnac interferometer current sensor)[25]，如圖2所示。它最大的優(yōu)點是減小了傳感器對振動和溫度波動等的敏感性，并且其靈敏度是Sagnac干涉儀電流傳感器的2倍。

圖2 同軸Sagnac干涉儀電流傳感器Fig 2 In-line Sagnac interferometer current sensor

Blake J等人還對同軸Sagnac干涉儀電流傳感器的誤差源，如環(huán)境微擾、偏振調(diào)制、散粒噪聲、λ/4波片的不完備性和線性雙折射等分別進行了分析，指出λ/4波片的不完備性、線性雙折射及時變的環(huán)境微擾是主要的誤差源，并提出了相應(yīng)的解決方法。對由λ/4波片的不完備性、線性雙折射引起誤差的補償和消除,Short S X和Blake J等人還進行了后續(xù)研究，給出了進一步的解決思路[26，27]。

近年來，一些新的傳感器結(jié)構(gòu)和誤差補償方法也被提出。如,Cao Hui等人報道了一種改進的雙光纖同軸Sagnac干涉儀電流傳感器，在簡化調(diào)制過程的同時，減小了交叉耦合誤差[28]。對Sagnac干涉儀電流傳感器振動引起誤差的補償，李緒友等人在原光路中加入了與傳感光纖環(huán)在纏繞方式上完全相反的補償光纖環(huán)，通過理論分析和相關(guān)實驗都得到了較好的補償效果[29]。

相比而言，由于同軸Sagnac干涉儀電流傳感器靈敏度的提高和對振動、溫度波動等影響的有效消減，使其得到了更為廣泛的關(guān)注。目前，如ABB，NxtPhase等公司已生產(chǎn)出了此類電流傳感器，其中,NxtPHase公司的一類型產(chǎn)品已經(jīng)達到了IEC規(guī)定的0.2S級標(biāo)準(zhǔn)和0.5P保護級標(biāo)準(zhǔn)[24]。但是，應(yīng)該看到在將來研究工作中還必須對振動、溫度波動等因素的影響提出進一步的解決方案。

4 光纖光柵電流傳感器

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)電流傳感器是基于應(yīng)變變化會引起FBG反射光波波長λ(稱為該FBG的Bragg波長)改變的原理，將超磁致伸縮材料(giant magnetostrictive material,GMM)、壓電片等與FBG配合使用來實現(xiàn)對電流的測量。

Philip Orr等人將Rogowski線圈與FBG及壓電片相結(jié)合進行測量[30]。被測電流首先通過Rogowski線圈感應(yīng)出電壓，此電壓再作用于粘貼在FBG上的壓電片，使壓電片受力發(fā)生改變，λ隨之改變，最后經(jīng)過解調(diào)制得到測量結(jié)果。Philip Orr等人在解調(diào)制環(huán)節(jié)應(yīng)用了不平衡馬赫增德爾干涉儀(UMZI)，同時采用3×3耦合器進行3路輸出檢測，使系統(tǒng)具有較高的測量精度。

長周期光纖光柵(long period grating,LPG)在電流測量中也得到了應(yīng)用，因其與應(yīng)用FBG的測量原理相似，因此有一定的借鑒價值。Wang Li等人設(shè)計的一種LPG與GMM相結(jié)合的電流傳感器，在解調(diào)制環(huán)節(jié)應(yīng)用了光纖環(huán)腔衰蕩技術(shù)，通過對衰蕩時間τ的檢測得到了被測電流值，理論計算表明:當(dāng)預(yù)應(yīng)力為5 MPa時，其靈敏度約為540 ps/A，分辨率可達到0.1 A，具有較高的測量精度，而相應(yīng)的測量范圍為2～4 kA[31]。湯大卿等人利用光纖環(huán)腔衰蕩技術(shù)對FBG應(yīng)變傳感特性進行了實驗研究，測量了不同拉應(yīng)變情況下衰蕩時間的變化，結(jié)果表明：傳感光柵所受拉應(yīng)變與受拉前后衰蕩時間的倒數(shù)之差呈線性關(guān)系[32]，這說明光纖環(huán)腔衰蕩技術(shù)也可應(yīng)用于FBG電流傳感器中。

而在實際應(yīng)用中，應(yīng)變和溫度變化都會使λ發(fā)生改變[33]，因此，在進行電流測量時還必須對溫度引起的變化進行補償。劉杰等人將2個分別結(jié)合有GMM和Monel合金，且中心波長相同的FBG串接在光路上，由于Monel合金與GMM具有幾乎相同的熱膨脹系數(shù)，并且Monel合金不受磁場的影響，因此,在測量結(jié)果中減去Monel合金FBG的輸出即可得到經(jīng)過補償?shù)臏y量值[34]。Tong Weiguo等人應(yīng)用了1只FBG電流傳感器和2只溫度傳感器來測量電流、溫度擾動等變量，然后在基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中對所采集的數(shù)據(jù)進行分析和補償，通過仿真實驗，也得到了較好的補償效果[35]。

目前，對于FBG電流傳感器人們將更多地研究重點放在了溫度誤差的補償和GMM、壓電片等材料磁滯現(xiàn)象的消除上面，這些問題的解決將會對FBG電流傳感器的進一步研究和實用化產(chǎn)生十分重要的推動作用。

5 結(jié)束語

光學(xué)電流傳感器與傳統(tǒng)CT相比，有著更為先進的傳感機理以及在測量精度、測量范圍、抗干擾、數(shù)字化等多方面的優(yōu)勢，然而仍然存在著線性雙折射的影響、振動與溫度變化引起誤差等問題，雖然研究人員對此做了大量的工作，但如線性雙折射的影響等其中一些關(guān)鍵問題還沒有徹底的得到解決，還需要做出進一步的研究。

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Optical current sensor and its research status

SHI Guang-tian, YANG Long

(School of Mechatronic Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Due to specific advantages of optical current sensor(OCS) compared with conventional current transformer(CT),after long time development,OCS have been considered as the substitutes of CT and have broad prospect of application.According to different measuring principle,OCS are classified and principle of each type are summarized,and existing key problems during present research and corresponding solutions are introduced in detail.Finally,research emphases of each type are stated,respectively.

optical current sensor(OCS); measuring principle; classification; research status

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0001—04

2014—02—12

TP 212

A

1000—9787(2014)10—0001—04

石廣田(1962-)，男，甘肅天水人，博士，教授，主要研究方向為機械電子工程、CAD/CAM等。