消除振动敏感性与温度漂移的光纤电流互感器西光所_百度

1、 高电压技术 第 36卷 第 4期 2010年 4月 30日High Voltage Engineering , Vol. 36, No. 4, Apr. 30, 2010消除振动敏感性与温度漂移的光纤电流互感器穆 杰 1,2, 王 嘉 1, 赵 卫 1, 徐金涛 1(1. 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学国家重点实验室 , 西安 710119;2. 中国科学院研究生院 , 北京 100049摘 要 :振动敏感性和温度漂移是基于法拉第效应的光纤电流互感器的两大缺点 , 限制了其在恶劣环境下的工程 应用 。 为此设计并验证了一种消除振动敏感性与温度漂移的新型光纤电流互感器 。 采用双线绕

2、法绕制光纤线圈 ; 在线圈的传感光纤中点处耦合一个半波片 ; 将位于传感线圈输入端口的一个 1/490°。使用 琼斯矩阵方法分析了新互感器对振动敏感性和温度漂移的消除 明 , 新型的光纤电流互感器能够在外界振动频率 10400Hz 、 20g 的环境下稳定 测量 1001000A 的电流 , 系统线性度良好 , 相对偏差不超过 ±0. 250°C °C 度漂移 。 该互感器结构简单 、 精度高 、 , 。 关键词 :电流互感器 ; 振动敏感性 ; ; ; 双线绕法 ; 波片 中图分类号 :TM452. :A 100326520(2010 04209802

3、07基金资助项目 :国家自然科学基金 (60537060 。Project Supported by National Natural Science Foundation of China (60537060 .Insensitive Fiber 2optic Current T ransducerMU Jie 1,2, WAN G Jia 1, ZHAO Wei 1, XU Jin 2tao 1(1. State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics , Xi an Instit ute of Optics and Precisi

4、on Mechanics , Chinese Academy of Sciences , Xi an 710119, China ;2. Graduate U niversity of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049, China Abstract :The insensitivity to vibration and the temperature drift are two defects of the fiber 2optic current transducer based on the Faraday effect , whi

5、ch restrict its harsh environment engineering applications. Therefore , a new scheme of fiber 2optic current transducer insensible to vibration and temperature is designed and verified. Its sensing fiber coil is fabricated by the bifilar winding technique , which consists of one half 2wave plate emb

6、edded in the middle of the sensing optical fiber and one quarter 2wave plate rotated by 90degrees in its input port. Theoretical analysis with Jones matrix shows that the new transducer is insensitive to vibration and temperature. Experimental results using low 2frequency vibration test table and lo

7、w/high temperature chamber suggest that , this new transducer can steadily measure the current from 100to 1000A under strong mechanical vibration at accelerations up to 20g and f requen 2cies from 10to 400Hz , with good linearity and a relative deviation of no higher than ±0. 2%.Furthermore , i

8、ts temperature drift is eliminated in the temperature range of 250°C 50°C. This configuration , with simple structure , high accuracy and immunity to circumstance , is a new technique for fiber 2optic current transducers design. K ey w ords :current transducer ; vibration sensitivity ; Far

9、aday effect ; Sagnac effect ; Jones matrix ; bifilar winding ; wave plate0 引言随着电力工业的迅猛发展 , 电网电压等级不断 提高 、 容量不断增加 , 传统的电磁式电流互感器由于 存在磁饱和 、 动态范围小 、 易燃易爆 、 电磁干扰严重 、 重量重等一系列缺点 1, 已难以继续满足新一代电 力系统对电流测量器件的要求 。近年来 , 萨格奈克 干涉式光纤电流互感器 (sagnac interferometer fi 2ber 2optic current t rans 2ducer 因其在高电压和大 电流测量领域中的潜

10、力 , 得到了研究者的广泛关注 2。 它是以法拉第磁光效应为原理 , 当偏振光沿 电流产生的磁场方向通过介质时 , 磁场将改变偏振 光的偏振态 , 进而影响干涉光强 。通过干涉法或其 它方法可间接测量出磁场的值 , 从而实现对电流的 间接测量 3。 与传统的电磁式电流互感器相比 , 光 纤电流互感器具备诸多优势 :不含铁心 , 故无磁饱和 现象 ; 采用光纤作为传感介质 , 电绝缘性高 , 抗电磁 干扰能力强 , 不存在开路危险 ; 体积小 , 质量小 , 因此 拥有广阔的市场应用前景 。然而 , 目前萨格奈克干涉式光纤电流互感器并 未得到广泛的工程应用 , 其重要原因之一是这种互 感器对环境

11、振动的敏感性以及环境中温度扰动产生 的温度漂移 。 由于采用了类似萨格奈克干涉仪的光89 路结构 , 当光通过光纤环形腔发生干涉时 , 环境的振 动或晃动将使环形腔具有瞬时角速度 , 该角速度将 引起萨格奈克干涉效应 4, 萨格奈克干涉产生的相 位差与法拉第效应产生的相位差耦合在一起无法分 离 , 从而造成电流测量中的误差 527。 环境振动越剧 烈 , 产生的误差越大 ; 另一方面 , 光纤线圈中的温度 扰动将引起附加相移 , 进而产生电流互感器的偏置 误差 8, 除非采用良好的绝热结构或设计 , 否则该误 差无法消除 。 为了解决该问题 , 国内外学者和研究 人员先后提出和验证了许多针对萨

12、格奈克干涉式光 纤电流互感器的改进方案 , 如采用退火二氧化硅光 纤线圈 9、 扭转光纤 10、 椭圆双折射光纤 11、 镜反射 式光纤 电 流 互 感 器 12, 13、 对 称 型 光 纤 流 器 14等 。造价昂贵 。构进行改进 :采用双线同向绕法绕制光纤线圈 ; 在线 圈的传感光纤中点处耦合一个半波片 ; 将位于传感 线圈输入端口的一个 1/4波片的耦合角度旋转 90°。 基于琼斯矩阵的理论推导和实验结果表明 , 与传统 的光纤电流互感器相比 , 新的萨格奈克干涉式光纤 电流互感器消除了对环境振动的敏感性以及环境中 温度扰动产生的温度漂移 。 在较强外界振动下 (400 Hz

13、 ,20g , g 为重力加速度 能够对 1001000A 范围 的电流进行稳定测量 , 电流测量精度达到 0. 2级 ; 在 -50°C 50°C 温度变化范围内基本消除了温度漂 移 。 由于仅改变传感光纤线圈结构 , 新方案保持了 相对简单的结构 , 降低了工艺难度 , 有效地减少了互 感器的制造成本 。 根据国际电工标准 IEC 6004428, 该系统的电流测量精度达到 0. 2级 , 为高性能的干 涉式光纤电流互感器的设计和制造提供了新的思路 和方向 。1 传统结构及其工作原理原始的萨格奈克式光纤电流互感器结构如图 1所示 。 它的光纤组件包括一个光纤耦合器 、

14、一个 Y 型波导 、 传感光纤线圈以及在线圈输入端口的两个 1/4波片 。通过导线的电流产生与传感光纤线圈旋向相同 的磁场 。 SLD 光源发出的光经过耦合器和 Y 型波 导的起偏部分变为两束线偏振光 , 随后分别被位于 传感光纤线圈输入端口的两个 1/4波片转换成圆偏 振光 (两束光的旋向相同 沿相反方向进入传感光纤 线圈 , 由于法拉第磁光效应的存在 , 电流产生的磁场 使两束圆偏振光的偏振面发生旋转 , 离开传感光纤图 11 interferometer iber 21/4波片重新转换成线偏振光 , 最 后返回 Y 型波导的起偏部分发生干涉 。使用 PIN 探测器测量干涉光强的变化 ,

15、即可间接得到待测电 流值 。 以下使用琼斯矩阵方法详细分析光纤电流互 感器的工作原理 15, 及其对环境振动的敏感性和温 度漂移的来源 。当一束圆偏振光通过存在径向磁场的介质时 , 法拉第效应将产生一个相位差 3F =V H d z 。 (1 式中 , 为与光的偏振态有关的系数 , 对左旋圆偏振 光 =-1, 对右旋圆偏振光 =1; V 为介质的 Ver 2 det 常数 ; H 为磁场强度 ; z 为沿着光传播方向的坐 标变量 。对于传感光纤线圈 , 有 d z =N d l 。 N 为线圈 匝数 ; 为与光的传播方向有关的系数 , 当光的传播 方向与磁场方向一致时 =1, 否则 =-1;

16、l 为沿线 圈径向的坐标变量 。 应用安培定律 H d l =I e 并将 d z 的表达式一起代入式 (1 , 得 16F =V N I e 。 (2 式中 , I e 为待测电流值 。选取 Y 型波导起偏部分的起偏方向作为坐标 系的 x 轴 , 光的初始传播方向为坐标系的 z 轴 。光 源出射的光的琼斯矢量为E 0= E xE。 (3 式中 , E x 和 E y 分别为琼斯矢量的 x 轴分量和 y 轴 分量 。由 于 SLD 输 出 低 偏 振 度 的 光 , 可 以 认 为 E x E y , I 0 2E x 2, 其中 , I 0为 SLD 光源 出射光的光强 . 分别对各主要光路

17、器件建立琼斯矩 阵 17219如下 :1 耦合器的琼斯矩阵189高压测试 、 故障诊断及状态检修 穆 杰 , 王 嘉 , 赵 卫 , 等 . 消除振动敏感性与温度漂移的光纤电流互感器 L R = 10。 (4 2 Y 型波导起偏部分的琼斯矩阵L P = 1。 (5式中 , 系数 源于起偏器的消光比 无法降低到零 , 即 0<<1。3 Y 型波导相位调制部分的琼斯矩阵L 1(t =e i (t 0, L 2(t =e -i (t 0 0 。 (6式中 , (t 为 Y 型波导在 t 时刻的调制相位 ; L 1(t 和 L 2(t 分别为 Y和下调制臂的琼斯矩阵 。4 1/4(xL /

18、4=T (/4 e -i /400e i /4T (-/4 =1-i-i 1。 (7 式中 ,i 为虚数单位 。转动变换矩阵 T ( = cos -sin sin co s 。5 传感光纤线圈的琼斯矩阵L C =cos F sin F-sin F co s。 (8由于L /4L P E 0=1-i-i 11000E x E =21-,因此两束光通过 1/4波片后均变为左旋圆偏振光 , 此时 =1, 如图 1所示 。光束 1的传播方向与电流 产生的磁场方向相同 , =1; 而光束 2的传播方向与 其相反 , =-1。因此式 (8 可表示为 :L C1=cos V N I e sin V N I

19、e-sin V N I e cos V N I; (9L C2= cos V N I e -sin V N I esin V N I e co s V N I e。 (10式中 , L C1和 L C2分别为光纤线圈对应于光束 1和光 束 2的琼斯矩阵 。6 经过传感光纤线圈后光束的传播方向与未经 过时相反 , 故需要考虑方向因子L O = -10。 (11则理想条件下 , 两束光到达探测器的光矢量分别为 : E 1=L R L P L 2(t + L /4L O L C1L /4L 1(t L P L R E 0= 4-e -i (V N I e +(t+ -(t e i V N I e;

20、(12 E 2=L R L P L 1(t + L /4L O L C2L /4L 2(t L P L R E 0= 4-e i (V N I e +(t+ -(t e -i V N I e。 (13 式中 , 为两束光通过传感线圈后的时间延迟 。两 束光发生干涉后 , 探测器的响应为I =(E 1+2 (E 31+E 322(1+V I2t 。 (14 , “ 3” 表示物理量的共轭 。通过测量干涉 光强 I , 即可得到待测电流 I e 。2 环境振动引起的误差由于原始的光纤电流互感器采用了类似萨格奈 克干涉仪的光路结构 , 当光通过传感光纤线圈并发 生干涉时 , 环境的振动或晃动将使线圈

21、具有一个瞬 时角速度 , 该角速度将引起萨格奈克干涉效应 4, 产 生的附加相位差R =2c 2。 (15 式中 , 为光波的圆频率 ; r 为光纤线圈半径 ; c 为光 速 ; 为线圈角速度的大小 。 不失一般性 , 假设角速 度方向与磁场方向相反 。 此时传感光纤线圈的琼斯 矩阵变为 :L C1=e -i2cos V N I e sin V N I e-sin V N I e cos V N I; (16 L C2=e i2cos V N I e -sin V N I esin V N I e co s V N I e。 (17 因此 , 考虑振动干扰后 , 两束光到达探测器的光 矢量变为

22、 :E 1=L R L P L 2(t + L /4L O L C1L /4L 1(t L P L R E 0= 4e -i2-e -i (V N I e +(t+ -(t e i V N I e; (18 E 2=L R L P L 1(t + L /4L O L C2L /4L 2(t L P L R E 0= 4e i2-e i (V N I e +(t+ -(t e -i V N I e。 (19 与此对应 , 探测器的响应为I =(E 1+E 2 (E 31+E 32 =216(1+cos (2V N I e -R +2(t -2(t + 。 (20 可见 , 萨格奈克效应产生的相位

23、差和法拉第效289高电压技术 2010,36(4 应产生的相位差耦合在一起难以消除 。 萨格奈克式 光纤电流互感器无法分辨其输出变化是由于高压导 线中电流本身的变化还是由于外界环境的振动 , 严 重影响了其测量精度 , 限制了其实际应用 。3 温度扰动引起的误差由于光纤线圈中不可避免的存在温度的瞬态变 化 , 当光通过传感光纤线圈进行干涉时 , 线圈中的温 度扰动将改变光纤折射率 , 从而产生附加相移 8E =c nL +c L0z , d z 。 (21式中 , L 为传播长度 ;5为光纤材料 (一般为石英 的 折射率温度系数 ; z , 为 t z 考虑 针 和 逆 时 针 (CCW 的光

24、纤线圈 。不失一般 性 , 沿逆时针方向计算坐标 z 。 在时刻 t 进入光纤线 圈输入端口的逆时针光经过坐标 z 的时刻为 t =t +c。 因此该逆时针光波经过光路 L 后的相位延 迟为CCW (t =c nL +c L0(z , t +c/nd z 。 (22 同理 , 顺时针光波的相位延迟为CW (t =c nL +c L0(z , t +c/nd z 。 (23在积分号内作坐标变换 L -z z , 得CW (t =c nL +c L0(L -z , t +c/n d z 。 (24 两者之差即为温度扰动引起的附加相位差E =CCW (t -CW (t =c L0(z , t +c/

25、n -(L -z , t +c/nd z 。(25此时传感光纤线圈的琼斯矩阵变为 :L C1=ei (CCW (t -2 cos V N I e sin V N I e -sin V N I e co s V N I ; (26L C2=ei (CW (t +2co s V N I e -sin V N I esin V N I ecos V N I e。 (27两束光到达探测器的光矢量变为 :E 1=L R L P L 2(t + L /4L O L C1L /4L 1(t L P L R E 0=4ei (CCW (t -2-e-i (V N I e + (t+ -(t e i V N I

26、 e; (28E 2=L R L P L 1(t + L /4L O L C2L /4L 2(t L P L R E 0=4ei (CW (t +2-ei (V N I e +(t+ -(t e-i V N I e。 (29图 2 2 of iber 2I =(E 1+E 2 (E 31+E 32 =216(1+co s (2V N I e -R +E +2(t -2(t +。 (29 可见 , 温度扰动引起的相位差也与包含有效信 号的相位差耦合在一起 , 称为温度漂移 。温度漂移 在电流互感器中产生大的偏置误差并限制其应用 。4 新的改进结构对振动敏感性及温度漂移的消除 考虑到萨格奈克效应仅

27、与光波的传播方向及角速度方向有关 , 与光的偏振态无关 ; 而法拉第效应与 光波的传播方向和光的偏振态均相关 。 本文设计了 针对原始萨格奈克式光纤电流互感器的改进结构如 图 2所示 。 在传感光纤中部耦合一个半波片 ; 在两 个 1/4波片中 , 将其中一个波片的耦合角度转过 90° 将传感光纤双线同向绕制在线圈骨架上 ; 保留 原始结构的其余部分不变 。为了便于对比 , 原始方案和改进方案的光纤线 圈结构如图 3所示 。转过 90°的 1/4波片的琼斯矩阵变为L /4=T ( 4e -i /400ei /4T (4=1i i。(30半波片的琼斯矩阵为L /2=e -i

28、/200e i/2=-i 0。 (31 该半波片将传感光纤线圈分为两个部分 , 每个部分对于光束 1和光束 2的琼斯矩阵均不同 , 如图 4所示 , 为简洁起见 , 只画出传感光纤的一周 。计算温度扰动引起的附加相位差时 , 以光束 1389高压测试 、 故障诊断及状态检修 穆 杰 , 王 嘉 , 赵 卫 , 等 . 消除振动敏感性与温度漂移的光纤电流互感器 图 3 原始方案和改进方案的光纤线圈结构Fig. 3 Original and improved structureof f iber coil绕法 , 部分和第 2。对于光束 1, 传感光纤线圈的琼斯矩阵变为 :L C1=ei (CCW

29、 (t -2co s2sin 2-sin2cos2; (32L C2=ei (CW (t+2 +2co s 2- sin2sin2co s2。 (33对于光束 2, 传感光纤线圈的琼斯矩阵变为 :L D1=ei (CCW (t +2cos 2-sin2sin2cos2; (34L D2=ei (CW (t+2 -2co s 2sin 2-sin2cos2。 (35 两束光到达探测器的光矢量变为 :E 1=L R L P L 2(t + L /4L O L C2L /2L C1L /4L 1(t L P L R E 0=4ei (CCW (t +CW (t+2-ie -i( V N I e +(

30、t+ -(t e i V N I e;(36E 2=L R L P L 1(t + L /4L O L D2L /2LD1L /4L 2(t L P L R E 0=4ei (CCW (t +CW (t+2 -ie i(V N I e+(t+ -(t e -i V N I e。 (37此时探测器的响应变为I =(E 1+E 2 (E 31+E 32 =216(1+cos (2V N I e +2(t -2 (t + =I 。 (38与不考虑振动与温度扰动时的原始萨格奈克式 光纤电流传感器的响应一致 。 可见改进后的光路结 构对振动和温度扰动不敏感 , 达到了消除振动敏感 性与温度漂移的目的 。

31、图 4 Fig. iber coil图 5 低频振动实验结果Fig. 5 Experimental results in low 2frequencyvibration test5 实验及结果在低频振动实验台上 , 将改进前的原始萨格奈克式光纤电流互感器和改进后的互感器进行对比实 验 。 振动实验台的频率为 1400Hz , 加速度为 020g (g 为重力加速度 :g =9. 8N/kg , 振动方向 与传感线圈的敏感轴平行 。实验结果如图 5所示 , 图中 , f 为振动频率 ; a 为振动加速度 ; I RMS 为电流测 量值的均方差 ; 1=a/g 。实验结果表明 , 与原始结构的互感

32、器相比 , 改进489高电压技术 2010,36(4高压测试 、 故障诊断及状态检修 穆 ,王 ,赵 ,等 . 消除振动敏感性与温度漂移的光纤电流互感器 杰 嘉 卫 985 表1 每个精度级的允许误差限度 Tab. 1 Error limits of each accuracy class 精度级/ 级 0. 1 0. 2 0. 5 1. 0 er / % =5% 2 0. 4 0. 75 1. 5 3. 0 = 20 % = 100 % = 120 % 2 2 2 0. 2 0. 35 0. 75 1. 5 0. 1 0. 2 0. 5 1. 0 0. 1 0. 2 0. 5 1. 0 结构

33、的萨格奈克式光纤电流互感器消除了对环境振 动的敏感性 。在加速度为 10 g , 频率在 0 400 Hz 范围内 ,原始结构的测量误差在 150 Hz 附近较大 ; 在频率为 150 Hz ,加速度从 0 增加到 20 g 时 , 原始 结构的测量误差迅速增加 ; 改进结构的测量误差 ( 以 均方根衡量 则控制在 01 5 A 范围内 。 为确定新方案对电流的测量精度 , 在较强外界 振动下 ( 400 Hz ,20 g 使用改进的光纤电流互感器 Iin 对 1001000 A 的电流进行测量 , 实验结果如图 6 所示 ,图中 , Iin 为输入电流值 ; It 为电流测量值 ; er 为

34、 It - Iin 相对偏差 , er = × %。 100 实验结果表明 , 改进结构的萨格奈克式光纤电 图6 电流测量的线性度曲线与相对偏差 Fig. 6 Linearity curve and relative deviation of data in the current measurement test 流互感器在振动环境下进行电流测量的线性度良好 , 相对偏差在 ± 1 2 %以内 。根据电流互感器的国际电 0 工标准 IEC 6004428 20 ,该电流互感器的电流测量精 度达到 0. 2 级 ,见表 1 ,表中 = , 2 Iin 1200 ×

35、 %。 100 在爱斯佩克 SE T2Z2021U P 型高低温箱内 , 使 用改进前的原始萨格奈克式光纤电流互感器和改进 后的互感器进行对比实验 。输入电流 100 A ; 温度 范围 - 50 ° 50 ° , 在各温度点保温 30 min 后测 C C 量电流值 。实验结果见图 7 ,图中 为环境温度 。 , 1 实验结果表明 ,与原始结构的互感器相比 ,改进 结构的萨格奈克式光纤电流互感器的均方根误差控 制在 0. 2 A 范围内 ,基本消除了传感光纤线圈中温 度扰动引起的温度漂移 。 图7 温度实验结果 Fig. 7 Temperature experiment

36、results 6 结语 提出并验证了一种消除振动敏感性的萨格奈克 式光纤电流互感器的设计方案 , 基于原始的光纤电 流互感器进行改进 , 改进后的光纤电流互感器消除 了对环境振动的敏感性以及温度漂移 , 实现了对待 测电流的稳定测量 。利用琼斯矩阵对改进后的光路 结构进行了偏振态分析 , 使用低频振动实验台和高 低温箱对比测试了原始的和改进的光纤电流互感 器 。理论和实验结果均表明 , 改进后的互感器的输 出与外部环境的振动无关 , 在较强振动下的电流测 量精度达到 01 2 级 ; 并且在 - 50 ° 50 ° 温度范围 C C 内较好地消除了温度漂移 。由于仅改变传

37、感光纤线 大电流测量领域的高性能电流互感器的设计和制造 提供了新的思路和方向 。 圈结构 ,新方案保持了相对简单的结构 ,降低了工艺 难度 ,减少了互感器的制造成本 , 为应用于高电压 、 986 高电压技术 2010 ,36 (4 参 考 文 献 15 王 , 侯宏录 , 徐金涛 . 一种新型 Sagnac 式光纤电流传感器 嘉 J . 光子学报 , 2010 , 39 (1 : 57261. 16 (7 : 121221219. 493. MU Jie WAN G Jia ZHAO Wei WAN G Jia , HOU Hong2lu , XU Jin2tao . Sagnac fibe

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