光纖電流傳感器概述及應(yīng)用
光纖電流傳感器是一種新型的電流傳感器,與電磁式電流互感器相比,基于光學(xué)、微電子、微機(jī)技術(shù)的光纖式電流傳感器(OFCT),具有無鐵心、絕緣結(jié)構(gòu)簡單可靠,體積小、重量輕、線性度好、動(dòng)態(tài)范圍大、無飽和現(xiàn)象,輸出信號可直接與微機(jī)化計(jì)量及保護(hù)設(shè)備接口等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)既滿足、推動(dòng)了電力系統(tǒng)的發(fā)展,而且應(yīng)用前景十分廣闊。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/161973.htm當(dāng)線偏振光(見光的偏振)在介質(zhì)中傳播時(shí),若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場,則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長度l的乘積成正比,即ψ=VBl,比例系數(shù)V稱為費(fèi)爾德常數(shù),與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。1845年由M.法拉第發(fā)現(xiàn)。
由于光在光纖中,一邊反射,一邊行進(jìn),偏振波相應(yīng)于曲線的形狀會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。針對此現(xiàn)象,在光纖的一端設(shè)置一塊鏡面導(dǎo)致光纖中光線的往返,借助光的來回往返,成功補(bǔ)償和解決了偏振波的旋轉(zhuǎn)問題。將鉛玻璃光纖用于傳感器元件,并結(jié)合利用鏡面的方法,只需把光纖卷繞在載流導(dǎo)體上,用于電流計(jì)測的反射型傳感器就基本完成。其次,開發(fā)了調(diào)制程度的平均處理與信號處理方式,這有利于特性的穩(wěn)定及噪音的抑制。此外,對光源、受光元件、信號傳輸光纖等種類與傳感器特性的關(guān)系進(jìn)行了研究,而且,慎重選擇了旨在降低成本和實(shí)現(xiàn)小型化的傳感器制作技術(shù)。目前,光纖傳感器技術(shù)正朝實(shí)用化的方向進(jìn)展,以適應(yīng)電力系統(tǒng)的廣泛需求。
光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)
光纖電流傳感器主要由傳感頭、輸送與接收光纖、電子回路等三部分組成,如圖1所示。傳感頭包含載流導(dǎo)體,繞于載流導(dǎo)體上的傳感光纖,以及起偏鏡、檢偏鏡等光學(xué)部件。電子回路則有光源、受光元件、信號處理電路等。從傳感頭有無電源的角度,可分為無源式和有源式兩類。
圖一光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖光纖電流傳感器工作原理
光纖電流傳感器是以法拉第磁光效應(yīng)為基礎(chǔ),以光纖為介質(zhì)的新興電力計(jì)量裝置,它通過測量光波在通過磁光材料時(shí)其偏振面由于電流產(chǎn)生的磁場的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的角度來確定被測電流的大小。傳感頭是光纖電流傳感器最為重要和關(guān)鍵的部件。分析了全光纖型和混合型光纖電流傳感器傳感頭的結(jié)構(gòu)和工作原理,對改進(jìn)光纖電流傳感器的設(shè)計(jì),提高光纖電流傳感器的性能具有重要的指導(dǎo)作用。
光纖回轉(zhuǎn)儀是MOCT(光纖電流互感器)的核心部件,它由光源,探測器,調(diào)節(jié)器,以及纏繞電流導(dǎo)線的光電探頭組成。其中調(diào)節(jié)器是光纖電流傳感器的核心部件,通過這套系統(tǒng)可以對電流進(jìn)行精確測量,此項(xiàng)技術(shù)受20多項(xiàng)國際專利保護(hù)。光纖回轉(zhuǎn)儀最早由波音公司和霍尼韋爾公司共同研制。
光纖電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)
與傳統(tǒng)的電磁式CT 比較,光纖電流傳感器除具有前述的優(yōu)點(diǎn)以外還具備:
(1)容易安裝,不用斷開導(dǎo)線,僅將細(xì)長、柔軟的絕緣光纖卷繞在導(dǎo)體上就可檢測電流,能實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感裝置的小利輕量化;
(2)無電磁噪音的干擾。近年的計(jì)測控制系統(tǒng)中,一般將傳感器的輸出連接于半導(dǎo)體的電子回路,傳感裝置本身全部由光學(xué)器件構(gòu)成,故具有抗電磁干擾(EMI)特性;
(3)計(jì)測范圍廣,沒有鐵心磁飽和的制約,同時(shí),法拉第效應(yīng)的響應(yīng)速度快,具有從低頻到高頻、到大電流的廣闊測量范闈;
(4)因?yàn)樾盘柾ㄟ^光纖傳輸。波形畸變小。傳輸損耗小,故可實(shí)現(xiàn)長距離的信號傳輸。
光纖電流傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
國外在六十年代就已開始對光纖電流傳感器進(jìn)行研究。美國、日本及西歐的一些國家的研究機(jī)構(gòu)和一些電氣儀器公司都在此領(lǐng)域作了大量的工作,如美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所、貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本的中央研究所、NEC公司及東芝、松下等公司、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院等,到八十年代初期,光纖電流傳感器開始進(jìn)入工業(yè)試用階段。
1986 年美國的田納西州流域電力管理局(TVA)在其所屬的Chkamauga水壩電力編組站安裝了第一臺單相高電壓光學(xué)計(jì)量用的電流互感器,可靠地運(yùn)行兩年多后拆除。電站的常規(guī)電壓互感器為OCT 提供電壓。在一年的千瓦小時(shí)的計(jì)量中,與參照系統(tǒng)比僅變化0.08%。按照各種預(yù)定的條件如負(fù)載、溫度、濕度以及電磁干攏等條件下完成了其應(yīng)負(fù)的任務(wù)。在變電站的環(huán)境中,展現(xiàn)出穩(wěn)定、準(zhǔn)確的性能。
國內(nèi)應(yīng)用法拉第效應(yīng)的光學(xué)電流傳感器處于探索階段,在“六五”期間,以1982 年9月在上海召開的“激光工業(yè)應(yīng)用座談會(huì)”為起步,先后有多家單位進(jìn)行這方面的研究,中電八所、上海硅酸鹽所、上海冶金所、華北電力局、北京化工學(xué)院、清華大學(xué)、華中理工大學(xué)等都取得一定成果。
據(jù)第15 屆國際光纖傳感器會(huì)議統(tǒng)計(jì)在FOS市場份額中,“應(yīng)力”占23%,“溫度”占17.2%,“氣壓聲學(xué)”占15.2%,“電流電壓”占12.2%,“化學(xué)汽體”占11.3%。就傳感器類型來說,“光纖光柵”占44.2%,“分光計(jì)”占11.1%,“散鐘反射”占10%,“Fraday旋光效應(yīng)”占6.9%,“熒為黑體”占6.6%。
光纖電流傳感器不僅能用于電力系統(tǒng)中電流的測量,而且與電機(jī)制造廠、測量儀器儀表廠結(jié)合,還可研制開發(fā)線路事故點(diǎn)的標(biāo)定裝置及事故區(qū)間的判定裝置等一系列電力系統(tǒng)的測量、診斷裝置。如下圖所示。
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