新型电流互感器对计量误差影响研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 新型电流互感器对计量误差影响研 究 摘 要： 为了研究新型光纤电流 互感器对计量可能造成的误差，分析了 新型光纤电流互感器误差产生的几个因 素，并针对这几个因素做了对新型光纤 电流互感器的误差分析。通过对14波 片以及 Verdet 常数温升实验，实验结果 表明新型光纤电流互感器精度非常高， 势必会成为新一代互感器的代替品。本 文先从光纤电流互感器的基本原理说起， 随后分析了影响光纤电流互感器性能参 数的几个误差因素，并针对其中的一些 误差因素提出了解决措施并做了实验加 以验证。 中国论文网 /8/view-12762698.htm -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 关键字： 光纤电流互感器； 法 拉第效应； 误差分析； 计量误差 中图分类号： TN710?34 文献标 识码： A 文章编号： 1004?373X（ 2014）09?0154?02 传统电流互感器是基于电磁感应 原理，其性能与新型光纤电流互感器相 比相去甚远，已经逐渐不能满足业内应 用要求。传统电流互感器制造工艺复杂， 有绝缘性不好、动态范围狭窄、产生输 出信号跟计算机及保护设备接口不匹配、 容易形成铁磁谐振等缺点。然而新型光 纤电流互感器却有着与上述缺点相反的 优点，其势必会被大面积应用。因此， 探讨新型光纤电流互感器技术是很有必 要的。 1 新型光纤电流互感器主要原理 光纤电流互感器基于法拉第效应 的原理，如图 1 所示。 图 1 光纤电流互感器原理图 法拉第磁光效应原理是指在外磁 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 场影响下，从光源发送的单色光在途经 偏振器后，光在偏振面上发生旋转，从 而产生出一个旋转角度，旋转的角度与 外界磁场强度的大小、光在介质中传播 时与磁场产生作用的长度以及材料本身 固有的性质等有关。 法拉第磁光效应原理可用下述公 式来进行描述： f=VBL=0VHdL=0VNI （1） 式中：f 为线偏振光的法拉第 旋转角度；0为磁导率；V是费尔德 常数；H为光传播方向上电流产生的 磁场强度；L为磁光介质的光传播路径； N为环绕载流体的光纤圈数，在环绕 导体一周的光闭合路径时N=1。 从光源产生出的单色光在传播方 向上途经光起偏器就会变成偏振光，然 后令其通过磁光介质，再到达光路检偏 器中，最后进入到光电探测仪器中。设 f为法拉第磁光效应旋转角，为起 偏器和检偏器透光轴之间夹角，通过光 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 探测器接收到的光强度为J则： J=E20cos2 （-f） （2） 式中E20为入射光强度。 f变化对 J产生的最大灵敏度 可通过公式（3）求得，令： ?J?ff=0=0 （3） 根据式（3）可以求得=45。 这表明探测器f 对应的最大灵敏度对 应检偏器的方位角为 45。所以式（ 2） 变成： J=12E201sin2f （4） sin2f2f 条件是转角f 较小 时，为求得被测电流的大小可通过探测 器测出J，根据式（4）计算出旋转角 f，进而算出被测电流。 2 光路误差分析 根据上述原理针对光纤电流互感 器光路产生的误差做了分析，其主要包 括如下：对轴角度误差、起偏器消光比、 线性双折射误差、集成光学相位调制器 误差、传感光纤 Verdet 常数、14波片 位相差以及光源噪声等因素。互感器系 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 统中最主要误差源是14 波片位相差误 差、线性双折射误差及传感光纤 Verdet 常数。 （1） 传感光纤 Verdet 常数误差 传感光纤 Verdet 常数是光波波长 和环境温度的函数，对磁致旋光效应起 着重要影响作用，其与互感器变比成正 比关系。通过稳定光源功率可以比较精 确地控制中心波长，那么磁光晶体 Verdet 常数对于普通二氧化硅光纤来说， 就同温度成正比例关系。Verdet 常数和 温度的正比例关系近似为： 1V? （ ?V） （?T）=0.710-4 （5） 式中：V 是传感光纤 Verdet 常 数，1 310 nm 波长下其值大约为 1.1010-6 rad/A；T是环境温度。 由式（5）可以看出，当环境温 度在-40 60 区间内波动时，传感光 纤 Verdet 常数会产生变化，这个变化会 导致互感器变比漂移 0.7%左右，必须 消除 Verdet 常数变化带来的影响。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 （2） 光纤传感线性双折射误差 从光源发出的光进入偏振器后会 因光的双折射而使光的偏振面发生旋转， 其会导致产生一个与法拉第磁效应偏角 无任何差异的误差信号，这会造成光纤 电流互感器测试性能大幅降低，影响其 实用化。消除双折射至关重要，而引发 光纤中双折射因素又分为自身固有因素 和外界因素，自身固有因素主要由生产 工艺中光纤纤芯非圆导致，外界因素则 是温度，形状和压力等引起。 上面分析了引发双折射的因素， 为了消除其带来的影响，可以通过改变 传感光纤自身固有因素，或者引入大量 圆双折射，而通过降低光纤的非圆率及 内应力则是减小固有双折射的有效方法。 （3） 14波片位相差误差 温度会影响14 波片，令其发生 变化，进而导致光的偏振态发生变化， 这会严重影响互感器的精度。下面采取 了补偿方法消除其影响，所谓的补偿方 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 法就是令波片温度产生的误差跟 Verdet 常数受温度影响而产生的误差相反，达 到其二者对互感器变比的影响相互抵消。 为了达到此目的，则必须先确定14波 片初始位相差。理论分析结果表明：互 感器全温变比误差在只有波片受温度影 响时约为 0.627%；互感器全温变比误 差在只有 Verdet 常数受温度影响时约为 0.63%；在经过波片和 Verdet 常数互相 补偿后，互感器变比相对误差约为 0.117%，这个效果还是非常令人满意的。 3 实验测试 通过上述方法基本上可以消除大 部分光路误差影响，下面是依据标准 （互感器标准 IEC 60044?8）做的实验。 （1） 温度上升实验。先把待测 互感器传感头部分放置在温度实验箱中， 然后把温度试验箱中温度调整为- 3070 范围内令其变化，在温度变化 区间内分别设置测试点-30 ，-15 ， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 0 ，15 ，30 ，50 ，在这些测 试点上分别保温 60 min。每次在结束保 温前 8 min 分别对互感器样机输入不同 采样点的直流电（采样点：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A 等） ， 测得响应输出。针对各个测试温度点分 别求得样机温度点变化比。实验结果如 图 2 所示。 图 2 -3050 互感器变化误差 （2） 精确度实验。室温条件下， 对样机做稳态测量误差实验。以月每 3 天为一个测试点，每次测试时，分别对 互感器样机输入如下采样点的直流电 （采样点：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A， 900 A 等） ，测得互感器样 机响应输出。互感器变比凭借对应输入 输出通过以最小二乘方法拟合求得。测 试结果如图 3 所示，互感器测量精确度 在常温条件下达到了 0.1%。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 图 3 互感器室温变化误差 4 结 语 首先对新型光纤互感器的基本原 理进行了介绍，然后分析了在光的传播 路径上产生的主要误差源，以及这些误 差源所产生的影响，进而提出了解决这 些误差源的抑制措施。根据行业标准 （电子式电