CN109212458A - 一种基于非互易相移器材的Sagnac干涉型大电流光纤电流互感器测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于非互易相移器材的Sagnac干涉型大电流光纤电流互感器的设计方法，属于电气测量技术领域。技术方案是：（1）搭建非互易相移器，采用保圆偏振光纤制作电流传感头，在Sagnac延迟线圈一端上固定设置相位调制器，引入非互易位差偏置；（2）进行相位检测，用鉴相的方式解调电路，最终实现与光强无关的相位解调方式；（3）利用法拉第电流传感实验，获得电流的输出波形图与精度；（4）通过在电光晶体上施加不同频率的电压来控制温度和光源强度变化等缓变量造成的相位干扰，提高相位精度。本发明减少因为长的延迟线圈造成的线性双折射，更好的保持系统偏振，提高系统精度；减少一套相位偏置器所需的调制电路及算法；提高传感器的反应时间。

Description

一种基于非互易相移器材的Sagnac干涉型大电流光纤电流互 感器测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于非互易相移器材的Sagnac干涉型大电流光纤电流互感器测量方法，属于电气测量技术领域。

背景技术

在人们加快步入现代社会的今天，电力传输容量加大，传输电压越来越大，我们需要面对对大电流准确测量的问题，仪表之间的电绝缘性和信号传递的可信性要求可能使传统的测量手段无能为力。对于电压大、电流强和功率大的电力能源系统中，用电磁感应为基础的电流强度测量技术暴露出一系列缺点，绝缘性差、成本大、重量重、体积大以及有磁饱和、动态范围小、频带较窄和遇油易燃等缺点，己难以满足新型电力系统对高精度快速故障诊断、在线检测等的要求。因此，寻找新型实用的电流互感器己势在必行。得益于现代数字技术、传输技术、通信技术的高速发展， 全光纤电流互感器（FOCT）已成为相关科研机构的一大研究方向。相对于电磁式电流互感器，全光纤电流互感器的优势更加明显，所以可以想像在未来全光纤电流互感器会在各种各样的电压测量中被大量使用。此外，光纤电流互感器还可以用于一些其他场合，如便携电流互感器、高频电流量测量等场合。

电力行业在经济建设中有重要地位，是国家的基础工业。传统的以电磁互感原理为基础的电流传感器的缺点越来越突出。近来，FOCT全面取代传统的CT是大势所趋。

早在在二十世纪70年代，全光纤型电流传感器的概念就出现了。1997年英国的A.J.Rogers等学者对全光纤电流互感器的原理进行了分析，并对研制的实验装置测试成功，并于1979年在发电站挂网运行。而后德国A.Papp等人对全光纤电流互感器的各个方面的技术内容都进行了系统研究。1996年，J.Blake等人对反射型光纤电流互感器进行了研究；另外，1998年，Shayne X.Short等人针对反射式Sagnac干涉型和Loop结构Sagnac干涉型两种光纤电流互感器中不完美的光纤λ/4波片，提出了相应的补偿方案，但该补偿方案侧重在光纤电流互感器系统中的检测电路方面进行改进。

光纤电流传感器结构简单且成本低，但受制于能长期保持圆偏振态的光纤难以获得，以光纤作为传感头的光纤电流传感器的用为商品运营比较困难。在上世纪90年代ABB公司推出的有源光电电流互感器，其测量电压的等级为72.5kV到765kV，额定电流为0.6到6A；3M公司同样在上世纪90年代宣布开发出用于138kV电压等级的全光纤电流测量模块，据报道称其也能应用在500kV等级上。目前，ABB公司研制的光纤电流传感器在直流工作下精度及测量范围分别达到0.1%和500kA，已商用。Nxt Phase公司的光纤电流互感器，测量范围可以从1A到4kA，其精度超过IEEEF规范中0.3级的标准，并已有产品投入市场。

发明内容

本发明目的是提供一种基于非互易相移器材的Sagnac干涉型大电流光纤电流互感器测量方法，主要采用非互易的Sagnac干涉与Faraday磁光效应融合的传感机理，结合两种不同适用范围的非互易相移器结构，设计带有相位补偿的闭环反馈系统，做到对大电流的精确测量，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。

本发明的技术方案是：一种基于非互易相移器材的Sagnac干涉型大电流光纤电流互感器测量方法，包含以下步骤：（1）搭建非互易相移器，采用保圆偏振光纤制作电流传感头，光纤环匝数为环状Sagnac电流互感器磁致旋转角度与被测电流的最低检测范围的关系公式计算所得，在Sagnac延迟线圈一端上固定设置相位调制器，引入非互易位差偏置；（2）进行相位检测，电光晶体采用数据采集卡+LabVIEW的形式进行光强信号的采集和数据分析，用鉴相的方式解调电路，最终实现与光强无关的相位解调方式；（3）利用法拉第电流传感实验，当已知法拉第相位偏转角度和传感线圈匝数、通电导线根数与Verdet常数后，通过公式计算得到所要求的电流读数，获得电流的输出波形图与精度；（4）排除外界因素对系统的干扰，通过在电光晶体上施加不同频率的电压来控制温度和光源强度变化等缓变量造成的相位干扰，提高相位精度。

所述相位调制器为非互易无源相位调制器，在正向与反向偏转45°的法拉第旋光器之间放置波片。

所述相位调制器为非互易有源相位调制器，在正向与反向偏转45°的法拉第旋光器之间依次放置光电晶体和波片。

本发明的有益效果是：减少因为长的延迟线圈造成的线性双折射，从而更好的保持系统偏振，提高系统精度；减少一套相位偏置器所需的调制电路及算法，提高工作效率；减小系统及光路的延迟时间，提高传感器的反应时间；减少成本。

附图说明

图1 是电流互感器的结构示意图；

图2是非互易无源相位调制器原理图；

图3是非互易有源相位调制器原理图；

图中：正向法拉第旋光器1、反向法拉第旋光器2、波片3、光电晶体4、慢轴5、快轴6、线偏振光7、正向传输方向8、反向传输方向9、入射光10、定向耦合器11、传输光纤12、起偏器13、通电导线14、保圆偏振光纤环15、1/4波片16、相移器17、驱动电路18、D/A转换器19、前置放大器110、A/D转换器一111、A/D转换器二112、信号处理器113、D/A转换及滤波器114。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于非互易相移器材的Sagnac干涉型大电流光纤电流互感器测量方法，包含以下步骤：（1）搭建非互易相移器，采用保圆偏振光纤制作电流传感头，光纤环匝数为环状Sagnac电流互感器磁致旋转角度与被测电流的最低检测范围的关系公式计算所得，在Sagnac延迟线圈一端上固定设置相位调制器，引入非互易位差偏置；（2）进行相位检测，电光晶体采用数据采集卡+LabVIEW的形式进行光强信号的采集和数据分析，用鉴相的方式解调电路，最终实现与光强无关的相位解调方式；（3）利用法拉第电流传感实验，当已知法拉第相位偏转角度和传感线圈匝数、通电导线根数与Verdet常数后，通过公式计算得到所要求的电流读数，获得电流的输出波形图与精度；（4）排除外界因素对系统的干扰，通过在电光晶体上施加不同频率的电压来控制温度和光源强度变化等缓变量造成的相位干扰，提高相位精度。

所述相位调制器为非互易无源相位调制器，在正向与反向偏转45°的法拉第旋光器之间放置波片。

所述相位调制器为非互易有源相位调制器，在正向与反向偏转45°的法拉第旋光器之间依次放置光电晶体和波片。

高压变电站中用于电力系统电流测量的全光纤电流传感器由于具有传统电流互感器无法比拟的小型化、人员安全等方面的优点，具有广阔的应用前景。

本发明主要采用非互易的Sagnac干涉与Faraday磁光效应融合的传感机理，结合两种不同适用范围的非互易相移器结构，设计带有相位补偿的闭环反馈系统，做到对大电流的精确测量。

本发明创新点主要是对用于Sagnac干涉的非互易相移器的设计，在做到对相位的精确控制的同时完成反馈系统，并对现有相位偏置方案提出了新的思路，弥补了长延时线圈造成的响应缺陷。同时为满足国家特殊用途电流互感器0.5S级及0.2S级标准，设计了带有温度自补偿的相位调节结构，以达到规定误差限值。

一、 电流传感头设计

光纤电流互感器是基于法拉第磁光效应进行电流测量的，法拉第磁光效应是指一束线偏振光沿磁场方向通过旋光介质时，其偏振面会发生旋转，旋转角度θ与磁场强度H之间的关系表达式为：

（3-1）

式中： L为光路长度，V代表介质特性，称Verdet常数（1310nm时），（i为电流大小）。

这样： （3-2）

这样可以理论计算出被测电流i的最小检测范围，若取为检测最小范围，环状Sagnac电流互感器磁致旋转角度是单向传输光的2倍，光纤环匝数100圈（所需光纤长度25米），所得i最低检测范围为：

（3-3）

为保证传感光纤中偏振光的稳定性同时减小光纤环中线性双折射对系统偏振状态的影响，传感头在设计时采用保圆偏振光纤（Lo-Bi光纤）。根据以上计算的光纤环匝数作为互感头设计如图1所示。

二、相移器设计

Sagnac干涉仪中两相向运行的光束以相同的相位返回到光纤输入口，它们的干涉是相长的，在输入口的强度最大，其干涉光强为：

（3-4）

为获得最大的灵敏度，必须在两反向传播的光束间引入一个高度稳定的相移，这其中静态相位偏置即通过固定在Sagnac延迟线圈一端上的相位调制器来引入非互易位差偏置，使它工作在最大斜率点上。

相移器作为光纤电流互感器的关键器件承担着调制静态工作点以及提供偏置相位形成闭环反馈的作用。

1.非互易无源相位调制器设计

无源相移器是利用在正向与反向偏转45°的法拉第旋光器之间放置波片，其光轴与入射前的线偏振光垂直，如图2所示，在不改变正反方向传输的线偏振光偏振状态的情况下使两束光通过折射率不同的快慢轴，引入固定相位偏置，从而使Sagnac干涉光强分布为正弦函数。

2.非互易有源相位调制器设计

有源相移器的设计目的是为了减小系统对光源的依赖程度，做到对外界干扰的补偿，同时形成闭环反馈结构。其原理是通过光电晶体引入一个相移施加到系统中，控制相移与法拉第相移大小相等且方向相反，抵消掉法拉第相移，使系统工作在90°附近，形成闭环反馈，其原理图如图3所示。实行闭环反馈后探测器的输出表达式变为：

（3-5）

其中：为1/4波片引入的非互易90°相移，为反馈相移，K为常数。

在该闭环反馈系统中，系统检测电路不断地根据法拉第相移产生一个等大反向相移，两者相抵的结果是产生一个相移差，根据一定的控制方法和相移差来确定闭环系统的输入并加入到系统中，如此循环，控制的结果是要等于，两者相抵的相移差为0达到闭环稳定。

三、电光晶体与相位调制方案设计

电光晶体在主轴y方向加电场，，由于横向电光效应，晶体会由单轴变为双轴，此时电光晶体在加电场后折射率椭球的方程为：

（3-5）

式中：、为电光晶体的电光系数。当通光方向为z轴时，在z=0处，其椭球的截面方程将满足：

（3-6）

此时椭圆的长短轴仍在x、y方向, 即加电场后的感生光轴x’、y’和x、y轴重合。其感生光轴折射率、、晶体相位延迟分别为：

（3-7）

（3-8）

式中：l=光传播方向上的晶体长度,d=电场方向上的晶体厚度。利用式（3-8）在最大限度的缩小半波电压E的同时可以理论计算出铌酸锂的设计尺寸，同时利用相位调制的思想，给定电光晶体一电压调制信号，其输出光强变化式将满足式（3-9），通过求解载波的相位对其参考相位的偏离值即可得到受电流变化导致的法拉第相移。

（3-9）

式中：为1/4波片引入的π/2相移；为载波信号；为定向耦合器带来的π的相位延迟。

本发明的创新性：

（1）用于Sagnac干涉的非互易相移器结构

传统的用于Sagnac干涉的相位调制器是互易性的，两束光受到完全相同的相位调制，但由于光纤线圈的时延，两束光在不同时间经过调制器，于是就产生一个偏置相位差：

（3-10）

=光波两次经过相移器的时间差。

由于光电晶体带宽有限，所以就需要长的延迟线圈来增加的时间，以便更加准确的由电路控制相位变化。因此，相较于有源相位偏置器，非互易相位偏置器有以下优点：

1.减少因为长的延迟线圈造成的线性双折射，从而更好的保持系统偏振，提高系统精度；

2.减少一套相位偏置器所需的调制电路及算法，提高工作效率；

3.减小系统及光路的延迟时间，提高传感器的反应时间；

4.减少成本。

（2）满足国家标准的温度自补偿的相位调制技术

相移器所采用结构的一个优势在于对温度的敏感程度由线性变化变为对1/4波片快慢轴上自然双折射的投影，很大程度上减小了由于法拉第旋光晶体带来的温度误差，同时天然石英所制成的1/4波片随温度升高后其相位延迟呈现降低趋势，这样结合受温度影响大的法拉第旋光晶体甚至可以做到相移器内部的自补偿。

经计算：胶合零级波片在配合0.02 deg/℃旋光晶体的情况下不需要进行波片相位的调整即可满足国家0.5S级电流互感器满载要求，而且容有一定的安装误差；

胶合零级波片配合0.09 deg/℃旋光晶体的情况下在更改波片相位与人为做角度偏差的情况下可满足国家0.2S级电流互感器满载要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种基于非互易相移器材的Sagnac干涉型大电流光纤电流互感器测量方法，其特征在于包含以下步骤：（1）搭建非互易相移器，采用保圆偏振光纤制作电流传感头，光纤环匝数为环状Sagnac电流互感器磁致旋转角度与被测电流的最低检测范围的关系公式计算所得，在Sagnac延迟线圈一端上固定设置相位调制器，引入非互易位差偏置；（2）进行相位检测，电光晶体采用数据采集卡+LabVIEW的形式进行光强信号的采集和数据分析，用鉴相的方式解调电路，最终实现与光强无关的相位解调方式；（3）利用法拉第电流传感实验，当已知法拉第相位偏转角度和传感线圈匝数、通电导线根数与Verdet常数后，通过公式计算得到所要求的电流读数，获得电流的输出波形图与精度；（4）排除外界因素对系统的干扰，通过在电光晶体上施加不同频率的电压来控制温度和光源强度变化等缓变量造成的相位干扰，提高相位精度。

2.根据权利要求1所述的一种基于非互易相移器材的Sagnac干涉型大电流光纤电流互感器测量方法，其特征在于：所述相位调制器为非互易无源相位调制器，在正向与反向偏转45°的法拉第旋光器之间放置波片。

3.根据权利要求1所述的一种基于非互易相移器材的Sagnac干涉型大电流光纤电流互感器测量方法，其特征在于：所述相位调制器为非互易有源相位调制器，在正向与反向偏转45°的法拉第旋光器之间依次放置光电晶体和波片。