基于多场耦合的光纤式电流监测技术

1、510152025303540基于多场耦合的光纤式电流监测技术梅沁i,黄芬2,蒋it（1.电墉空i心 国欧庞前易五司无易214061 ；2. gl纠心 国明舞情船眺殷同 无易214061）1=1摘要：本文针对当前各类绝缘设备放电故障监测多基于电子式电流监测存在难供电、易受电 磁干扰等问题，提出了将电场、磁场以及力场进行有机多场耦合的基于fbg与悬臂梁的电 流测量系统，该系统通过加入软磁铁提高了 2.5倍系统响应,并可实现40hz到100hz频 率输入的100ma到700ma的电流的精确测量，系统经过多次实验测试，系统误差最大值 不超过2.4%。关键词:光纤；电流监测；多场耦合中图分类号：tn-

2、253optical fiber current monitoring technology based onmulti-field couplingmei qin1, huang fen2, jiang di2(1. power control center,state grid jiangsu electric power co., ltd. wuxi branch,wuxi,214061;2. transformer maintenance center,state grid jiangsu electric power co., ltd. wuxibranch,wuxi,214061)

3、abstract: in this paper, the main types of insulation equipment discharge fault monitoring are mostly based on the difficulties of electronic power supply and the susceptibility to electromagnetic interference. this paper proposes a current measurement system based on fbg and cantilever that organic

4、ally multi-field coupling. the system improves the response of the system by 2.5 times by adding a soft magnet, and realizes the accurate measurement of the current of 100ma to 700ma input at a frequency of 40hz to 100hz. the system has undergone many experimental tests and the system maxium error d

5、oes not exceed 2.4%.key words: fiber; current monitoring; multi-field coupling0引言国家电网公司提出建设服务范围广、配置能力强、安全可靠性高、绿色低碳的全球能源 互联网，在这样的能源互联网中，先进的电力技术和信息通信技术驱动着整个电网的运行。 通过先进传感器、智能设备、多样性网络构建的电力物联网，在电力生产、输送、消费、管 理各环节，对电网运行状态、智能变电站、配电线路、用户、发电厂等实时监测。随着电网 的规模不断增大，由各类设备绝缘体(如绝缘子串)污秽引起的放电现象常常发生，造成一 定程度的电网停电事件。当前，对放

6、电故障监测多是基于电子式的电流监测，存在难供电、 易受电磁干扰等问题。与电子式传感技术相比，基于光纤布拉格光栅(fiber bragg grating, fbg)技术的装置 不需要额外供电，并且具有质量轻、小尺寸、高敏感度和抗电磁干扰的特性1。此技术最作者简介：梅沁，1974年6月，男，正高，主要方向：电力信息化，信息通信，物联网传感.e.mail:初多用于温度或应力的感知，近些年陆续有其他方向的应用，例如对气压2和风向3的感 知。然而，目前基于fbg技术实现对电流的感知鲜有报道4。本文提出了一个将电场、磁场以及力场进行有机耦合的基于fbg与悬臂梁的电流测量 系统，该系统通过在线圈中轴线中加入

7、软磁铁实现同一电流条件下，系统响应提高了 2.5倍, 系统的测量范围为100-700ma,误差不超过2.4%o1原理与结构1.1电流与系统响应fbg的波长偏移量与温度和应力有关5,其关系如下式所示：=pat +(1)其+|a2是波长偏移的变化量，4。是在参考温度下的中心波长，p和"是单个fbg的 固定系数，q是由fbg的膨胀系数和热系数确定，v是由fbg的发射率系数决定。和 £分别是fbg温度和应力的变化量。当我们选用中心反射波长相近的fbg-1和fbg-2,并将他们置于悬臂梁对称两面于同 一温度环境时，4=(匕+叱2)丛£(2)其中，儿/为fbg-1和fbg-2

8、的波长偏移量之差，匚和可分别为fbg-1和fbg-2的固 定系数，人为fbg-1和fbg-2的中心波长。另一方面，在悬臂梁上的两fbg,存在以下关系:21其中以是悬臂梁自由端与fbg之间的距离，龙是悬臂梁的宽度，/是悬臂梁自由端的 位移，l是悬臂梁的长度。根据胡克定律，悬臂梁自由端的位移与施加在悬臂梁上的力成正 比，同时，施加在悬臂梁上的力与磁铁受到的磁场强度也成正比。同时，根据比奥-萨瓦特 定律，在线圈内通入的电流与线圈产生的磁场强度亦成正比。综上所述，线圈中通入的电流 与fbg-1和fbg-2波长偏移量呈正比关系。1.2传感器结构本文设计的将电场、磁场以及力场进行有机耦合的基于fbg与悬臂

9、梁的电流传感器结4550556065构如图1所示，待测电流通过两根电线流入线线圈将电流转化为磁场，悬臂梁垂直固定于磁场方向，悬臂梁自由端固定了两块磁铁并将磁铁置于线圈中轴线上。fbg-1和fbg-2分别固定在悬臂梁的两面。磁场的变化使得悬臂梁上磁铁受力大小发生变化，从而导致悬臂 梁发生振动。此时，固定在悬臂梁上的fbg受到拉伸或者压缩，从而导致fbg发射光的中70心波长发生偏移。当正弦电流流过线时，fbg.1的反射光的波长和fbg-2的反射光的波长也以正弦形式改变，并且正弦电流幅值与两fbg波长差之间存在线性关系。图1传感器结构fig. 1 main structure of the sens

10、or磁铁磁铁752实验与结果为证明软磁体可大幅度增大系统的响应，我们将50hz电流分别通入线圈，并比较线圈中有无软磁体的系统响应。图2为上述情况下两fbg波长偏移量之差与50hz电流幅值之 间的关系。从图中可知，加入软磁体的线圈较未加入软磁体的线圈，两fbg波长偏移量之差提高了 2.5倍。0987 6 5432101oooooooooo(uiu)渊n斓羹矣2未加入软磁铁 加入软磁铁一一1<=0.503/2=0.9987 k=l.2653,r2=0.99986 v o50hz电流幅度(a)80图2软磁体有无的系统响应fig. 2 system response with or withou

11、t the soft magnet其次，我们探究传感器在不同频率电流输入情况下电流传感器的特性。我们分别将不同85幅度的40hz、50hz、60hz、70hz、80hz、90hz、100hz电流通入到线圈中，得到电流幅 值与两fbg波长偏移量之差之间的关系，结果如图3所示。从图3可知，电流传感器在不 同频率电流输入情况下，电流值均与波长偏移量之差呈线性关系。o 50505050 33221100 (uiu 痫*s业装邛dm端10£ 40hz,r2=0.9998 5ohz,r2=o.9998 60hz,r2=0.9996 70hz,r?=0.9999 8ohz,r2=o.9997v 9

12、0hz,r2=0.9996 i00hz,r2=0.9970电流幅度(a)不同频率电流与系统响应之间的关系fig. 3 relationship between system response and current90我们根据图4得到的不同频率电流下波长与电流的关系，对40hz、50hz、60hz、70hz、80hz、90hz的100ma到700ma之间输入电流进行了多次校准实验，图4表示了多次不同 电流频率输入实验下误差的最大值与频率之间的关系。从图中可知，在电流频率为40hz至ij90hz范围内，电流传感器的误差最大值不超过2.4%o次皿2-k棚,耐1 -套405060708090电流频率

13、(hz)95图4不同频率电流与多次系统测量误差最大值之间的关系fig. 4 relationship between system deviation and current3结论本文给出了将电场、磁场以及力场进行有机耦合的基于fbg与悬臂梁的电流传感器结 构。通过实验得知，通过在线圈中心中加入软磁体，可以将fbg波长偏移量振幅在相同电 流输入的情况下提升了 2.5倍。该传感器可以准确的测量40-loohz不同频率输入电流幅值 为100ma到700ma的电流，经过多次实验，传感器系统测量误差最大值不超过2.4%o由 于fbg传感技术具有响应范围宽，对温度不敏感的特点，本文提出的传感器在长距离电

14、流 测量和功率监控等新领域具有良好的应用前景。致谢感谢国网江苏省电力有限公司科技项目(基于多场耦合效应的光纤无源式放电监测物联 网传感关键技术研究)的资助。参考文献(references)1 s. ciqszczyk, p. kisala. inverse problem of determining periodic surface profile oscillation defects of steel materials with a fiber bragg grating sensorj. applied optics, 2016, 55:1412-1420.2 z. zhang, c

15、. shen, l. li. temperature-independent fiber-bragggrating- based atmospheric pressure sensorj. optics communications, 2018, 411:108-113.3 x. li, z. zhang, l. li. wind direction sensing system based on fiber bragg grating sensor j. applied optics, 2017, 56:9862.4 w. zhang, y. bragg grating high-current sensor based on magnetic couplingj. photonic mic