基于LTC1068光纖電流互感器的二次側(cè)信號處理

摘要 介紹了基于法拉第效應的光纖電流互感器的基本原理，并利用開關電容濾波器LTC1068進行光纖電流互感器二次側(cè)信號處理的設計方法。給出的測試結(jié)果表明，利用LTC1068進行二次側(cè)信號的處理方法實用有效，完全滿足測量要求。
關鍵詞 LTC1068；光纖電流互感器；法拉第效應；FilterCAD

電流互感器是電力系統(tǒng)不可缺少的部件，隨著輸電電壓和電流等級的不斷提高，對電力系統(tǒng)運行的可靠性和測量精確度要求越來越高，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器由于存在磁滯、磁飽和、絕緣性差、充油易爆炸、質(zhì)量重等缺點已難以滿足測量要求。光纖電流互感器(Fiber Opt ic Current Transducer，F(xiàn)OCT)因其不充油、絕緣性能好、精度高，將成為傳統(tǒng)電磁式互感器的替代產(chǎn)品，受到廣泛的重視。然而，光纖電流互感器具有光纖陀螺儀等光學傳感器所共同面臨的隨機噪聲問題，該問題成為限制光纖電流互感器在電能計量應用的主要要素之一。光纖電流互感器隨機噪聲來源于光源相干噪聲、光源強度噪聲、光電探測器散粒噪聲、電子器件熱噪聲、環(huán)境噪聲、器件老化等各種因素所導致的時變噪聲。因此，噪聲的抑制成為光纖電流互感器研究最大的問題。目前在光纖電流互感器中抑制噪聲的方法主要有：(1)在光路上用退火光纖繞制傳感頭來降低線性雙折射引起的噪聲，這種方法的缺點是退火光纖使用壽命較短，不適合長期工作。(2)光電轉(zhuǎn)換后使用傳統(tǒng)的運放、電阻及電容搭建高階濾波器，這種設計方法的缺陷是電路結(jié)構(gòu)復雜，且截止頻率的精度完全依賴運放外部的電容及電阻的精度。文中提出一種使用新型開關電容濾波器設計光纖電流互感器濾波電路，這種方法設計簡單，且截至頻率精度主要取決于外部時鐘，容易設計高精度濾波器。

1 法拉第效應的光纖電流互感器原理
基于法拉第效應的光纖電流互感器原理圖如圖1所示。

法拉第旋光效應的實質(zhì)是線性偏振光在介質(zhì)中傳播時，光的偏振面在外磁場作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度與磁場強度的大小和在介質(zhì)中光與磁場發(fā)生作用的長度及材料的性質(zhì)有關。
法拉第磁光效應可描述為

式中，θF為線偏振光的法拉第旋轉(zhuǎn)角；V是費爾德常數(shù)；H為電流在光路方向上產(chǎn)生的磁場強度；L為磁光材料中通光路徑；μ0為磁導率；N為繞載流導體的光纖圈數(shù)，當光路圍繞導體一周的閉合路徑時N=1。
圖1是單光路檢測法的原理圖。在這種光的檢測方案里，光源發(fā)出的單色光經(jīng)起偏器變成線偏振光后進入磁光介質(zhì)，再經(jīng)過檢偏器進入光電探測器。設檢偏器的透光軸與起偏器的透光軸夾角為φ，法拉第旋轉(zhuǎn)角為θF，則探測器接收到的光強J為

根據(jù)式(3)可以求得φ±45°。它表明檢偏器的方位角為45°時，探測器θF對有最大靈敏度。所以式(2)變成

當轉(zhuǎn)角θF較小時，sin2θF≈2θF。顯然，通過探測器測出J即可由式(4)求出旋轉(zhuǎn)角θF，進而得出被測電流的大小。