光纖大電流傳感器研究

0 引 言
隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加，運(yùn)行電壓等級(jí)越來越高，不得不面對(duì)棘手的強(qiáng)大電流的測(cè)量問題。一次儀表和二次儀表之間的電絕緣和信息傳遞的可靠性要求可能使傳統(tǒng)的測(cè)量手段無用武之地。而在高電壓、大電流和強(qiáng)功率的電力系統(tǒng)中，測(cè)量電流的常規(guī)技術(shù)所采用的以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的電流傳感器(簡(jiǎn)稱為CT)，暴露出一系列嚴(yán)重的缺點(diǎn)：由爆炸引起的災(zāi)難性事故的潛在危險(xiǎn)；大故障電流導(dǎo)致鐵芯磁飽和；鐵芯共振效應(yīng)；滯后效應(yīng)；輸出端開路導(dǎo)致高壓；體積大、重量大、價(jià)格昂貴；精度無法做得很高；易受電磁干擾影響。傳統(tǒng)CT已難以滿足新一代電力系統(tǒng)在線檢測(cè)、高精度故障診斷、電力數(shù)字網(wǎng)等發(fā)展的需要將光纖傳感技術(shù)引入到電流檢測(cè)中的光纖電流傳感器(簡(jiǎn)稱OCS)成為解決上述難題的最好方法。
自從1973年，AJRogers首先提出光學(xué)電流傳感的想法以來，光纖傳感技術(shù)已發(fā)展了20多年。與普通電磁互感器相比，在高強(qiáng)電流測(cè)量應(yīng)用中光纖電流傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：光纖電流傳感器沒有磁飽和現(xiàn)象，也不像通常的電磁互感器的動(dòng)態(tài)工作范圍受磁飽和效應(yīng)的限制；光纖電流傳感器抵抗高電磁干擾，對(duì)環(huán)境的要求低；光纖電流傳感器可以在較寬的頻帶內(nèi)，產(chǎn)生高線性度響應(yīng)；光纖電流傳感器體積比較小，安裝使用比較方便等。
總之，光纖電流傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，尤其是它的絕緣性能好，體積小，成本低，并且頻帶寬，響應(yīng)時(shí)間短，可同時(shí)用于測(cè)量直流、交流及脈沖大電流，因此可望成為高壓下測(cè)量大電流的理想傳感器。

1 傳感器原理及光路設(shè)計(jì)
光纖電流傳感器利用磁光材料的法拉第效應(yīng)，在光學(xué)各向同性的透明介質(zhì)中，外加磁場(chǎng)H可以使在介質(zhì)中沿磁場(chǎng)方向傳播的平面偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度通過檢偏器可確定。其原理如圖1所示，B為兩偏振器夾角，θ為平面光通過磁光晶體后發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角。

其旋轉(zhuǎn)角θ與光傳播的磁光材料上的磁場(chǎng)中強(qiáng)度H和磁光材料的長(zhǎng)度L成正比：當(dāng)H一定時(shí)，旋轉(zhuǎn)的角度θ為：
θ=vHL (1)
式中：v為verdet常數(shù)；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；L為磁光玻璃長(zhǎng)度。通電長(zhǎng)直導(dǎo)線磁場(chǎng)公式：
H=I／2πr (2)
入射光強(qiáng)為P0，由馬呂定律得出射光強(qiáng)為：

由式(3)可得出：

再由式(4)可得：當(dāng)P=P0時(shí)，Imax=2πrB／vL，只要角B越大，所能測(cè)的最大電流值也越大，所以在實(shí)驗(yàn)中常用增大角B的辦法來增大其測(cè)量范圍。但在實(shí)際中，角B的增大到一定值后會(huì)使光路的調(diào)焦變得更困難，并使小信號(hào)更難測(cè)量，在以往實(shí)驗(yàn)中一般取B=45°或相差不大的值。在該實(shí)驗(yàn)中選用2 mw的激光器作調(diào)整光源，在第一次調(diào)焦時(shí)把磁光晶體的出射光投到1 m外的地方以便消除可能出現(xiàn)的雙折射，并用光學(xué)膠密封各接合面，使光路調(diào)整更容易操作，因此角B選擇了80°。上式中，夾角B在傳感器完工后是定值，因此只要測(cè)得P，P0值就可得到電流值。