磁光电流互感器设计原理与应用

尹士玉 张瑞琦 陈默 孙国栋 邱松 邓雅琦 陈昌鑫 北方工业大学机械与材料工程学院

随着中国经济的发展，电力系统扮演着越来越重要的角色。高电压、大功率、强电流的电力系统越来越多，对该系统的常规测量技术为利用电磁感应原理制作的电流传感器。该电流传感器存在体积大、质量重、制作成本高、安全性差、测量误差大等缺点。随着基于法拉第电磁感应效应为原理的光纤电流传感器的问世，传统电流传感器存在的问题将被逐一解决。光纤电流传感器具有无铁芯、体积小、重量轻、绝缘结构简单可靠、线性度好等优点。本文将对光纤电流传感器中的磁光光纤电流传感器的原理与制作进行讨论，并对光纤电流传感器的应用进行介绍。

1 磁光电流互感器工作原理与设计图

光电式电流传感器分为无源型和有源型两大类，分别以法拉第磁光效应和电磁感应为原理。以下是两种电流传感器的设计制作介绍。

1.1 无源型磁光电流互感器

无源型磁光电流互感器是以法拉第磁光效应为原理工作的，电流通过磁光电流传感器，电流的大小使电流互感器的线偏振光的旋转角度随之改变，偏转角度作为一个信号经过变送器的处理，可以在二次输出端输出二次电流信号，此信号与一次电流成正比。（参考图1）

无源型传感器是指传感头是不需要供电电源的电子式电流传感器。光的振动方向和光波的前进方向固定于某一方向时，叫做线偏振光。线偏振光在穿过介质的过程中，受到外磁场的作用，光的振动面会转过一定角度，可以通过一定公式计算出偏转角，由此得出导体的电流强度，从而得到电流的信息。

图1

所以无源型MOCT由磁光材料敏感器件连接光学转换器件，然后连接变送器，最后由变送器输出的二次电流显示在屏幕上。无源型电流互感器为纯光结构，一次传感器为磁光玻璃，光弹系数小，均匀性好，在光源的光谱范围内具有良好的透明性，具有很高的Verdet常数，受温度影响小，具有各向同性。磁光玻璃的应用使其安装、运行和检修更加方便。MOCT通过光纤传输信号，使得数据传输抗电磁干扰性好，传输更加安全、准确和迅速。

1.2 磁光玻璃光纤电流传感器

图2

设计如图2，光源发出的光经过起偏器，产生偏振光，经保偏光纤耦合到磁光玻璃光纤，经过通电电流产生的磁场的作用后输出，经过渥拉斯顿棱镜，经过计算可以得到通过导线的电流。

此类功能型光纤传感器利用光纤本身对外界被测对象具有的敏感能力和检测功能，光纤在传导过程中对被测对象的偏振态等光学特性进行调剂，使得调剂后的信号携带了被测的信息。（见图3）

图3

并且此传感器采用法拉第旋光玻璃拉成的光纤作为传感器探头，经过退火处理，很好的解决了线性双折射问题，避免了因线性双折射导致的偏振态退化。用保偏光纤传导，能够测量大电流，测试的灵敏度较高，而且绝缘性好，体积小，重量轻，可以更好的满足各个电力系统的需要。此传感器可以在无磁场时通过零点定标校正光纤耦合带来的光强损失和偏振态的变化。而系统的灵敏度，也在磁光玻璃的使用下，通过其本身Verdet常数较大的特性以及增加光在磁场中传输的有效长度的方式，有效的得到了提高和改善。

2 光纤电流传感器的应用

光纤电流传感器可用于电力系统中电流的测量，而且与电机制造厂、测量仪器仪表厂结合，还可研制开发线路事故点的标定装置及事故区间的判定装置等一系列电力系统的测量、检测装置。

2.1 在电力系统中，对测量大电流的应用

光纤电流传感器可用于对电力系统中，高电压、大电流的测量。利用光纤电流传感器进行测量，可解决传统电流传感器含油，可能发生爆炸的情况；光纤电流传感器可以与高压线路完全隔离，满足绝缘要求，做到安全可靠；可解决传统电流传感器不能测量直流的问题，不含交流线圈，不存在输出线圈开路的危险。但光纤电流传感器也存在线性双折射效应，该现象影响了光纤电流传感器的实际应用。通过改善光纤材料本身的双折射特性、设计传感头的结构、利用光学玻璃制作传感头可有效减轻光纤电流传感器的双折射效应。

2.2 在煤矿井下电流测量的应用。

煤矿井下，供电线路长、电磁环境干扰强、负载工作情况较复杂，测量电流的技术要求高。采用磁光电流传感器进行测量，以光纤作为信号传输介质。其不受电磁辐射的影响，适用于各种电磁噪声环境。磁光电流传感器系统采用以MCS-51单片机为核心的智能化传感器，多台传感器可以与上位IBM-PC机组成一个控制系统。每台传感器的软件部分由自检程序、初始化程序、采样及A/D转换程序、动态排序比较程序、复合数字滤波程序、函数拟合算法程序等组成。传感器系统存在光探头误差、放大器误差、A/D转换器误差和函数拟合误差，通过各种措施，可将每个误差控制在可接受范围内。

2.3 在变电站中的应用

全光纤电流互感器具有测量精度高、动态范围宽、抗环境电磁干扰能力强、敏感环安装方式简单灵活等特点。在工作过程中，光源发出的光被分成两束沿光缆传播，经反射镜的反射，并发生互换，最终回到光电探测器出并发生相干叠加，通上电流后，在通电导体周围的磁场作用下，两束光波出现相位差，探测器处的光强发生变化，通过测量光强的大小，来得出对应电流的大小。全光纤电流互感器的闭环控制技术扩大了准确度下的动态范围，共光路和差动信号解调方式提高了抗干扰能力，全光纤结构提高了系统的可靠性。与传统电流互感器相比，具有很大的优势。

随着科技的发展，光电电流传感器的应用前景更加广泛。利用光纤电流互感器可实现与光纤通信技术的结合，使传感系统阵列话和网络化。还可将光纤传感技术与现代数据处理技术相结合，以实现光纤电流传感器的智能化。除现在应用最为广泛的利用光纤电流传感器测量电流外，还可根据其特性研究其对其它物理参量的测量，实现光纤电流传感器应用的多功能化。

3 结束语

光纤电流传感器与传统电流传感器相比，优势明显，安全性能更加可靠，在未来可全面替代传统电流传感器。但光纤电流传感器还存在一些问题，如双折射效应、灵敏度随温度和偏振方位的变化而变化等。这些问题会限制光纤电流传感器的大面积普及，因此，解决上述问题，将其控制在一定的范围内，是仍需进一步研究的地方。

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