光纖電流互感器技術(shù)綜述

黃麗萍

摘 要：本文介紹了光纖電流傳感器的技術(shù)發(fā)展，光纖電流傳感器的分類、測(cè)量原理及優(yōu)缺點(diǎn)，以及相關(guān)專利申請(qǐng)分析。

關(guān)鍵詞：光纖電流傳感器；全光纖式；混合式；塊狀玻璃式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.149

1 引言

隨著電力行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)電流測(cè)量精度的要求越來越高，傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式電流互感器不斷顯露出它的局限性：精度不高、絕緣性不夠、易受電磁干擾、重量太大、體積驚人、價(jià)格昂貴、以及容易保護(hù)誤動(dòng)作等[1]。光纖電流互感器正是為了克服電磁感應(yīng)式電流互感器的缺點(diǎn)而研制的，光纖電流互感器具有以下的優(yōu)點(diǎn)：絕緣性能好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，測(cè)量準(zhǔn)確度高，體積小，重量輕，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大，頻帶寬，因此，光纖電流互感器具有極大的研究和應(yīng)用前景[2-3]。

2 光纖電流互感器的技術(shù)發(fā)展

國(guó)外方面，80年代初，美國(guó)采用日本、德國(guó)的相關(guān)研究資料，在超高壓電力系統(tǒng)領(lǐng)域進(jìn)行塊狀結(jié)構(gòu)的光纖電流互感器方案研究，并成功實(shí)現(xiàn)了161KV的繼電保護(hù)的掛網(wǎng)運(yùn)行。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所采用 YIG 晶體作為磁光材料進(jìn)行光纖電流傳感器研制，并于 90 年后期一些相關(guān)研制單位推出了掛網(wǎng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。1996 年，美國(guó) 3M 公司全新推出了全光纖電流傳感器模塊，使光纖電流傳感器進(jìn)一步得到發(fā)展。日本研究了500KV以及100OKV高壓電網(wǎng)測(cè)量用的光纖電流互感器，還進(jìn)行了600OV至500KV電壓等級(jí)的光學(xué)電流互感器的研究。

和國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)于光學(xué)電流互感器的研究起步較晚。80年代末，清華大學(xué)和沈陽(yáng)互感器廠合作研發(fā)了光纖電流互感器，并在四平成功掛網(wǎng)運(yùn)行，獲得了國(guó)內(nèi)首次成功掛網(wǎng)運(yùn)行的成績(jī)。燕山大學(xué)于2001年成功研制了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1208-1997規(guī)定的0.2級(jí)精度的混合式光纖電流互感器，通過試驗(yàn)并取得了良好的試驗(yàn)結(jié)果。中國(guó)電科院、南瑞繼保、南瑞航天電氣等單位不斷努力研制全光纖型電流互感器，并有少量產(chǎn)品應(yīng)用于實(shí)際工程當(dāng)中[4]。

3 光纖電流互感器的分類及測(cè)量原理

光纖電流互感器是以法拉第磁光效應(yīng)為基礎(chǔ)，以光纖為傳輸介質(zhì)的電流計(jì)量裝置，通過測(cè)量入射光強(qiáng)、光波在通過磁光材料時(shí)其偏振面在電磁場(chǎng)的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)后的出射光強(qiáng)來間接確定被測(cè)電流的大小，其分類也因標(biāo)準(zhǔn)不同而各異，現(xiàn)在常用的分類標(biāo)準(zhǔn)有：偏振面旋轉(zhuǎn)角度的檢測(cè)方法、傳感機(jī)理和所用的傳感材料[5]。

（1）根據(jù)偏振面旋轉(zhuǎn)角度分類。根據(jù)偏振面旋轉(zhuǎn)角度的不同，光纖電流互感器可以分為單光路光纖電流互感器和多光路光纖電流互感器。其中，單光路光纖電流互感器是以偏振片作為檢測(cè)器件，多光路光纖電流互感器則是以渥拉斯頓棱鏡作為檢測(cè)器件。單光路光纖電流互感器只有一路輸出光，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于耦合、器件結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、光路調(diào)試方便、價(jià)格較便宜等優(yōu)點(diǎn)。多光路光纖電流互感器具有多路輸出光，常用的是雙光路電流互感器，具有結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜以及耦合光損耗大等缺點(diǎn)，但由于光速分成兩路，能有效去除外界環(huán)境因素的干擾，提高系統(tǒng)測(cè)量的精確度度和可靠性。

（2）根據(jù)傳感原理和傳感頭所用材料分類。根據(jù)傳感原理和傳感頭所用材料的不同，光纖電流互感器主要可以分為三類：全光纖式、混合式、塊狀玻璃式。1）全光纖電流互感器。全光纖電流互感器（MOCT）是將傳感光纖圍繞在被測(cè)導(dǎo)線周圍，根據(jù)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ň哂衅裉匦缘臋C(jī)理，通過測(cè)量磁光效應(yīng)在光纖中引起的Faraday旋轉(zhuǎn)角，從而測(cè)量出通電導(dǎo)體中的電流大小。由于其不僅利用光纖作為信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，還將光纖形成閉合回路環(huán)繞通電導(dǎo)體作為傳感頭，因此，稱為全光纖電流互感器。全光纖電流互感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、重量輕便、測(cè)量靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)；2）混合式光纖電流互感器?；旌鲜焦饫w電流互感器（HOCT）與全光纖電流互感器不同點(diǎn)在于，它僅以光纖作為信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，傳感部分仍然是采用傳統(tǒng)的互感器結(jié)構(gòu)，它是一種采用傳統(tǒng)的電流傳感機(jī)理、采用有源器件調(diào)制技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)的混合式電流互感器。混合式光纖電流互感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、絕緣性好、長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好、精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；3）塊狀玻璃式光纖電流互感器。塊狀玻璃式光纖電流互感器與其他類型光纖電流互感器的最大區(qū)別在于，它是采用光學(xué)玻璃作為傳感頭。測(cè)量原理是，采用法拉第效應(yīng)，導(dǎo)引線偏光在光學(xué)玻璃中進(jìn)行多次全反射，并形成了圍繞通電導(dǎo)體的閉合回路，通過測(cè)量出線偏振光的Faraday旋轉(zhuǎn)角，并根據(jù)法拉第定理計(jì)算出電流大小。塊狀玻璃式光纖電流互感器與全光纖電流互感器相比，光學(xué)材料的選擇范圍比光纖寬，穩(wěn)定性較好，精度較高，但加工困難、傳感頭易碎、加工成本昂貴等。

4 光纖電流互感器專利申請(qǐng)分析

光纖電流互感器自20世紀(jì)80年代開始，國(guó)內(nèi)外都紛紛開始對(duì)光纖電流互感器進(jìn)行研究，在21世紀(jì)世界范圍內(nèi)有關(guān)光纖電流互感器的的專利申請(qǐng)量呈逐步增長(zhǎng)趨勢(shì)。在光纖電流互感器領(lǐng)域日本專利局的申請(qǐng)量最多，達(dá)536件，大多也是日本本國(guó)的單位申請(qǐng)的，主要申請(qǐng)人有松下，東芝和佳能。美國(guó)專利局的申請(qǐng)量占第二，中國(guó)專利局和美國(guó)專利局申請(qǐng)量差不多， 分別為359件和335件。

國(guó)內(nèi)有關(guān)光纖電流互感器的專利申請(qǐng)中，申請(qǐng)人大部分為高校和科研院所，企業(yè)的申請(qǐng)量較少。中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所位居第一，相關(guān)申請(qǐng)量為19件，上海市電力公司和西安交通大學(xué)的相關(guān)申請(qǐng)量分別為18件和13件。

國(guó)外主要申請(qǐng)人有：瑞士ABB，日本松下、東芝以及德國(guó)西門子，相關(guān)申請(qǐng)量分別為32件、48件、45件以及25件。這幾個(gè)公司在光纖電流互感器領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。其中，ABB研究有限公司在光纖電流互感器領(lǐng)域的研究一直處于世界前列，其申請(qǐng)的專利中主要研究的技術(shù)有：傳感器頭的靈敏度穩(wěn)定問題（申請(qǐng)?zhí)朇N200580015090.0）、傳感器頭的溫度穩(wěn)定問題（申請(qǐng)?zhí)朇N200410068660.X）、溫度補(bǔ)償（申請(qǐng)?zhí)朇N201010508343.0、 CN201010506484.9）、測(cè)量精度的提高（申請(qǐng)?zhí)朇N200680054375.X）等。

5 結(jié)論

光纖電流傳感器不僅在電力行業(yè)中起到重要作用，在軍事、工業(yè)領(lǐng)域上也起著非常大的重要，因此，對(duì)光纖電流傳感器的研究具有重要的實(shí)用價(jià)值和科研意義。隨著自動(dòng)化技術(shù)、光電技術(shù)以及其他相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，光纖電流傳感器的應(yīng)用前景將日益廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]方志，邱毓昌，李雙.光纖電流互感器的發(fā)展[J].電力建設(shè)，2002，23（12）：42-44.

[2]李莉，張心天.光纖電流傳感器及其研究現(xiàn)狀[J].飛通光電子技術(shù)，2002，2（02）：81-85.

[3]王政平，康崇等.全光纖光學(xué)電流互感器研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2005，42（03）：36-40.

[4]嚴(yán)穎維.全光纖電流互感器的研究[D].北京郵電大學(xué)，2012.

[5]龐碧波.光纖電流傳感器的研制[D].電子科技大學(xué)，2009.