光学电流互感器的问题与解决对策

摘 要：介绍了2种光学电流互感器影响其性能的主要因素及解决对策，指出了光学电流互感器发展中需解决的共性问题，并展望了光学电流互感器的发展前景。 关键词：电网技术；光学电流互感器；光学玻璃电流互感器；全光纤电流互感器；法拉第效应 0 引 言 光学电流互感器（OCT）是电子式电流互感器（electrical current transformer，ECT）中的一大类，可分为光学玻璃型，全光纤型、混合型（利用传统CT二次输出线圈采样或用Rogowski线圈取样）、磁场传感器型和其他传感机理型。从上世纪60年代起，就提出了将光学技术用于电流传感的想法；70年代，提出了光纤OCT的基本理论；80年代，块状光学玻璃OCT技术已获得日本及欧洲专利；有源型OCT的思想也于此时提出。自上世纪70年代至今，是光学电流传感技术得到积极研究与快速发展的重要时期。由于光学电流传感技术与传统电流互感器技术相比具有明显的优点，用OCT技术代替现有的油浸电磁电流互感器曾形成广泛的共识。因此，国际电工委员会经过多年工作，于2002年，发布了关于电子式电流互感器的技术标准：IEC 60044-8-2002。然而，应当看到的是：电子（光学）电流互感器技术至今仍处于向实用化发展的进程之中。与传统电流互感器技术相比，电子（光学）电流互感器技术仍有不完善之处。从其在电力工业中得到实际应用的角度讲，无论是光学OCT还是混合型OCT都还存在一些急需解决的、阻碍其实用化的技术问题。在解决这些问题之前，电子式（含光学）电流互感器很难得到电力系统用户或市场的认同。因此，有必要探讨电子式电流互感器发展中遇到的技术问题、解决对策，以促进电子（光学）电流互感器技术的实用化进程。本文将重点介绍前2种互感器的问题、对策及展望。 1 光学玻璃电流互感器 1.1 传感单元设计 光学玻璃电流互感器（BGOCT）传感单元由玻璃传感头与偏振器件构成。设计中，应考虑的基本问题是灵敏度、抗干扰能力与稳定性。灵敏度大小取决于光学玻璃Verdet常数大小与光路环绕母线的次数，故选用大Verdet常数的材料或采用多环光路可提高灵敏度；抗干扰能力取决于光路闭合程度及反射相移及线性双折射减小程度；稳定性则要靠减小反射相移及线性双折射或补偿其不良影响来实现。 1.1.1 反射相移对BGOCT性能影响及对策 反射相移对系统灵敏度、稳定性及抗外电磁场干扰能力影响的研究结果表明：若将总反射相移控制在0.24rad（约为14°）以内，则传感头的灵敏度将不低于理想模型灵敏度理论预期值的90％。反射相移还会影响传感头抗外场干扰能力。因此，有必要采取措施抑制或设法减小反射相移，或是采取必要的补偿措施。利用估算传感头反射相移大小的方法可对反射相移进行实验研究。 BGOCT光源的驱动电流与环境温度改变，都会造成光源峰值波长移动。由于反射相移具有色散特性，会使灵敏度随光源波长的变化而改变。对反射相移色散特性及反射相移与Verdet常数联合色散特性对灵敏度影响的研究结果表明：反射相移色散特性及Verdet常数色散特性均会对输出曲线的尺度因子产生明显的影响。因此，有必要对光源采取恒温与恒驱动电流控制，或是采取其他必要的补偿措施。 解决反射相移问题的基本方法是使光束在传感头内实现双正交反射、临界角反射或保偏反射（可分别用多层保偏反射膜与单层介质保偏反射膜实现）。 1.1.2 线性双折射对BGOCT性能影响 线性双折射以抽样函数的形式影响传感头的尺度因子，同时，还会调制入射起偏角对输出曲线截矩的作用因子；输出曲线的截距随起偏角改变则呈正弦样变化，当入射起偏角为0°，45°，90°时，曲线截距为零。尽管使用交流计量设备时，该截距对输出无实质性影响，但其对尺度因子的影响却会破坏系统输出的温度与振动稳定性。此外，线性双折射色散对BGOCT传感头性能也会产生影响，因此，有必要采取措施减小传感头中的线性双折射，或是采取必要的补偿措施。减小传感头内线性双折射的措施包括对传感头退火，注意传感头包装支撑结构对传感头施力的均匀性等。 为便于对线性双折射的实验研究，王政平等人报告了用λ/4波片测量BGOCT传感头线性双折射的方法，并提出了测量λ/4波片实际相位延迟角的方法，以提高对线性双折射的测量精度。 传感头环境温度变化在传感头内形成的折射率梯度会产生双折射梯度，进而改变输出信号的尺度因子。由于该双折射梯度与传热过程有关，使其对尺度因子的影响不具有可重复性而严重地破坏传感头的可靠性。解决该问题的可能的措施之一为设计适当的热缓冲结构延缓传热过程，使传感头内温度变化接近准静态过程，以避免形成温度梯度，还应采用均热结构使传感头内温度场均匀分布。 1.1.3 偏振器件对BGOCT性能影响 起偏器消光比和预偏角误差均可在BGOCT的输出中引入直流分量，并使尺度因子发生一定的改变。当最终输出信号用交流电表度量时，输出信号中引入的直流分量可被交流电表中的自带的隔直电容滤除，尺度因子的改变可用后续信号处理电路中的放大单元矫正。用于输出光束检偏的偏振分束器消光比随温度变化产生较大测量误差的问题可用改进的差除和信号处理方案补偿。 1.2 工作环境对BGOCT系统的影响及补偿措施 BGOCT系统的工作环境的温度、压力、振动等因素通过构成系统的各个器件及单元的性能改变对系统产生不利影响。提高系统对环境改变的耐受性能的思路：一是改善各器件性能；二是通过信号处理予以适当补偿。 环境温度改变导致的光源发光中心波长发生漂移时，可通过传感头各光学参量的色散特性对系统灵敏度产生影响，最终，破坏系统的温度稳定性。传感头各光学参量色散对系统综合影响并不是各自影响的简单相加，其中存在联合效应。因此，需考虑采取整体补偿措施。 环境温度变化可改变传感头内线性双折射、反射相移及Verdet常数大小的改变。采用2种磁光材料Verdet常数温度曲线之商对Verdet常数温度特性对系统的影响有明显的补偿效果；根据事先测得Verdet常数或系统输出的温度特性对系统输出予以补偿也是一种可行的办法，但其前提是已对传感头采取必要的传热缓冲与均匀化结构，否则，很难获得可重复的输出—温度曲线或数据表。 周期性振动引起的传感头内因弹光效应导致线性双折射的周期性改变、母线在原来固定位置附近振动及对上行传导光纤（自光源至起偏器的一段）的作用使进入起偏器的光强发生波动均会破坏系统输出的稳定性。故需对传感头采取适当的防振措施，并设法将传感头与母线固定在一起可减小或消除前2种不利影响：利用长多模光纤的消偏和消相干性能，并选用低相干光源可有效地抑制光纤中的振动噪声；仅使斜向光束耦合进多模光纤的技术也可有效抑制振动噪声。反射相移对BGOCT振动稳定性也有影响，故应设法减小反射相移。 BGOCT信号处理单元的基本功能是检测出法拉第旋转角的大小，补偿光源光强涨落对输出信号的影响，带通滤波以提高系统输出信噪比，相位调整以减小输出信号的角差及将输出信号放大到规定的幅值。此外，温度补偿，振动补偿等也都是信号处理单元应具备的重要功能。对经典的单探头方案、差除和方案及改进的差除和3种基本检测方案的分析结果表明：改进的差除和方案噪声最小。 小电流测量信号会被噪声严重干扰甚至淹没。由于BGOCT内部的噪声基本上与被测电流信号所在的频段相重叠，因此，无法用传统的滤波器方法将其滤除。实践证明：采用自适应信噪分离技术可实现电流信号与固有噪声的分离，从而提高BGOCT测量小电流的准确度。 2 全光纤电流互感器 全光纤电流互感器（FOCT）的工作原理主要为Faraday效应和磁致伸缩效应。Faraday效应FOCT常采用偏振检测方法，或利用Faraday效应的非互易性采用Sagnac干涉仪实现检测。Sagnac干涉仪型FOCT又可分为环形（loop）和串联式（in-line）2种。光纤内存在的线性双折射对于温度与振动等环境因素变化十分敏感，是阻碍FOCT实用化的关键问题。尽管针对偏振检测方案先后提出了高圆双折射光纤、旋制光纤，扭转光纤、退火光纤、几何结构分离线性双折射、相向传输，扭转加退火等多种解决方案，但多难以实用。随着基于Sagnac干涉仪的光纤陀螺技术的实用化，许多研究者已将兴趣转向Sagnac FOCT。 2.1 FOCT传感头的改进 对FOCT的性能改进工作主要是围绕解决线性双折射影响进行。其中，重要的方法是在传感光纤环路中设法引入或增大圆双折射。用神经网络方法对线性双折射影响进行补偿的方法则是一种新的思路。对于λ/4波片不完备性引起的尺度因子误差可将2个波片的光轴预置成45°角予以解决。采用外Sagnac FOCT方案则可提高系统灵敏度。一种独特的传感头精细设计对解决线性双折射问题证明是有效的，该设计将传感光纤退火，并置于线圈形熔硅制成的毛细管中，再将该毛细管埋藏于充有硅酮的环形室中，以此来实现一种对温度与振动均不敏感的、对Faraday效应具有内在温度补偿功能的Sagnac FOCT。其研究结果表明：光纤双折射的温度依赖性可用来平衡Faraday效应的温度依赖性；在-35～85℃的范围内，其温度不敏感度在0.2％以内；在10g。加速度500H2频率振动条件下，输出信号中仍未见振动干扰。对FOCT中由耦合器所引起的附加偏振问题可通过提高光源波长的稳定性或者提高耦合器的带宽并采用特殊的数据处理方法消除其影响。 2.2 Verdet常数波动的补偿方案 Verdet常数的大小会随温度变化而改变，并且，是波长的函数：因此，对Verdet常数温度特性进行补偿，并采取措施稳定工作波长是解决Verdet常数随环境因素波动问题的基本思路。Rose等人对636～1320nm范围内退火光纤的Verdet值进行了测量，为了解Verdet常数的波长依赖性提供了实验依据。采用闭环反馈技术的设计或平衡测试技术的设计对Verdet常数变化引起的FOCT性能漂移的补偿是有效的。 2.3 信号处理技术 信号处理单元的重要功能是补偿（如，光强涨落、相位漂移、信噪比降低等）影响FOCT性能的各种有害效应，提高系统稳定<