基于LTC1068光纖電流互感器的二次側(cè)信號(hào)處理

摘要 介紹了基于法拉第效應(yīng)的光纖電流互感器的基本原理，并利用開(kāi)關(guān)電容濾波器LTC1068進(jìn)行光纖電流互感器二次側(cè)信號(hào)處理的設(shè)計(jì)方法。給出的測(cè)試結(jié)果表明，利用LTC1068進(jìn)行二次側(cè)信號(hào)的處理方法實(shí)用有效，完全滿足測(cè)量要求。
關(guān)鍵詞 LTC1068；光纖電流互感器；法拉第效應(yīng)；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(jí)的不斷提高，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和測(cè)量精確度要求越來(lái)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(diǎn)已難以滿足測(cè)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(xué)傳感器所共同面臨的隨機(jī)噪聲問(wèn)題，該問(wèn)題成為限制光纖電流互感器在電能計(jì)量應(yīng)用的主要要素之一。光纖電流互感器隨機(jī)噪聲來(lái)源于光源相干噪聲、光源強(qiáng)度噪聲、光電探測(cè)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(dǎo)致的時(shí)變?cè)肼?。因此，噪聲的抑制成為光纖電流互感器研究最大的問(wèn)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(lái)降低線性雙折射引起的噪聲，這種方法的缺點(diǎn)是退火光纖使用壽命較短，不適合長(zhǎng)期工作。(2)光電轉(zhuǎn)換后使用傳統(tǒng)的運(yùn)放、電阻及電容搭建高階濾波器，這種設(shè)計(jì)方法的缺陷是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且截止頻率的精度完全依賴運(yùn)放外部的電容及電阻的精度。文中提出一種使用新型開(kāi)關(guān)電容濾波器設(shè)計(jì)光纖電流互感器濾波電路，這種方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且截至頻率精度主要取決于外部時(shí)鐘，容易設(shè)計(jì)高精度濾波器。

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

法拉第旋光效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是線性偏振光在介質(zhì)中傳播時(shí)，光的偏振面在外磁場(chǎng)作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小和在介質(zhì)中光與磁場(chǎng)發(fā)生作用的長(zhǎng)度及材料的性質(zhì)有關(guān)。
法拉第磁光效應(yīng)可描述為

式中，θF為線偏振光的法拉第旋轉(zhuǎn)角；V是費(fèi)爾德常數(shù)；H為電流在光路方向上產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度；L為磁光材料中通光路徑；μ0為磁導(dǎo)率；N為繞載流導(dǎo)體的光纖圈數(shù)，當(dāng)光路圍繞導(dǎo)體一周的閉合路徑時(shí)N=1。
圖1是單光路檢測(cè)法的原理圖。在這種光的檢測(cè)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(jìn)入磁光介質(zhì)，再經(jīng)過(guò)檢偏器進(jìn)入光電探測(cè)器。設(shè)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(cè)器接收到的光強(qiáng)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(shí)，探測(cè)器θF對(duì)有最大靈敏度。所以式(2)變成

當(dāng)轉(zhuǎn)角θF較小時(shí)，sin2θF≈2θF。顯然，通過(guò)探測(cè)器測(cè)出J即可由式(4)求出旋轉(zhuǎn)角θF，進(jìn)而得出被測(cè)電流的大小。