基于偏振调制型全光纤电流互感器的研究

方浚丞，陆安山

(钦州学院物理与电子工程学院，广西 钦州535000)

1 引言

电流是电力系统测量的基本参数之一，电流的测量可以为电力系统提供用于计量和继电保护所必需的信息，电流测量结果的准确度将直接影响计量的精度。随着国民经济的快速发展，电力传输容量不断增加，输电电压等级也越来越高，传统的基于电磁感应原理的电流互感器由于存在诸多缺点已经难以满足测量要求，其中最突出的问题是绝缘问题，电压的提高给电流互感器的绝缘技术带来极大的挑战;另外，传统的电流互感器体积庞大、质量重，给生产、维护和运输带来诸多困难［1］。因此，开发一种新型的高压大电流的电流互感器成为必然趋势，并且有着极大的市场潜力。光纤传感技术作为一种以光纤为介质、光波为载体来感知和传输被测信号的新型传感技术［2］。这种以光纤作为敏感元件的传感器具有一系列独特的、其他介质难以相比的优点:光波不易受到电磁干扰且自身不对外界产生电磁干扰;光信号和电信号很容易实现互转;光纤传感器测量的动态范围大、工作频带宽、传输损耗低;光纤本身是绝缘体，重量轻、体积小、抗电磁辐射性能好，特别适合于高电压、空间小及强电磁干扰环境下使用［3］。另一方面，光纤能够感受的物理量较多，在实际的光传输过程中，光纤容易受如压力、温度、电场、磁场等环境因素的影响。这些环境因素的变化将引起光强、光频率、光相位、光偏振态等光参数的变化，构成了光波和外界环境交换的基础，人们如果能够检测出光参数的变化就可以知道引起这些参数变化的物理量(温度、电场、磁场等)的大小［3］。

2 光纤电流互感器结构设计

在本系统的设计方案中，光源发出的光经过起偏器变为线偏振光，然后进入传感光纤，传感光纤的输出进入检偏器检偏，得到随电流大小变化的光信号，再经过光电探测器转换成电信号，其光路结构设计如图1所示。起偏器和检偏器都使用带尾纤的，方便光路的连接。检偏器的核心器件是渥拉斯顿棱镜，封装在金属管中。由法拉第电磁效应可知:当电流大小为I，传感光纤匝数为N时有:

其中，α为法拉第旋角;ν为光纤的费尔德常数;N为光纤绕过载流导体的匝数。设起偏器与检偏器透光轴夹角为，由马吕斯定律可知，检偏器输出光强为:

图1 光纤电流互感器光路结构Fig.1 Fiber optical structure current transformer

式中，E0为起偏器入射光强。

为获得输出光强J的变化对法拉第旋转角α变化的最大灵敏度，令:

可以求得=±45°。它表明检偏器与起偏器通光轴夹角为±45°时，光探测器对α有最大灵敏度。所以式(2)变成:

当法拉第旋转角α较小时，sin(2α)≈2α，故此时线性度也较好。显然，测出光强大小就可以知道α大小，从而可以利用式(1)间接测量出电流大小。基于上述分析结果，在本设计中使检偏器的两个检偏轴与起偏器通光轴的夹角分别为45°和－45°，以获取最大检测灵敏度。

3 激光器驱动电路设计及光信号处理

在光纤电流互感器中光源是很重要的一部分，它为整个系统提供光信号。在本系统设计中激光器驱动电路中的驱动芯片选用烽火通信集团微电子部生产的激光管驱动芯片WGS51138。WGS51138是一种高集成、可编程的激光驱动芯片，最高工作速度为622 Mbps。使用差分PECL数据，WGS51138可为发射激光器提供偏置电流和调制电流。调制输出可直流耦合到激光二极管，使用交流耦合可有效地节约功耗。WGS51138包含自动功率控制(APC)部分，它能在使用温度范围和使用寿命内保持恒定的激光输出功率。驱动芯片连接图如图2所示。

图2 激光管驱动芯片连接图Fig.2 Laser tube driver chip connection diagram

激光光源经过起偏器起偏后变成了线偏振光，当线偏振光经过渥拉斯顿棱镜后分为两个输出端的光强信号分别表示为:

由上式可以看出输出光信号除了受α角变化影响外，还受光功率E0变化的影响。将J1分解为直流分量和交流分量，直流分量为E0/2，交流分量为(1/2)E0sin2α，将交流分量与直流分量相除可得:

石英玻璃光纤的费尔德常数为:ν=7.2×10－7rad/A，光纤绕传感头的匝数50匝及最大被测电流1000 A带入式(1)得，在量程范围内最大法拉第旋转角为:α=νNI=7.2×10－7×50×1000=3.6×10－2rad≈2.06°，因此法拉第旋转角很小，式(2)可近似为sin2α≈2α，即相除后的信号幅值大小与电流大小成线性关系［4］。信号检测电路的结构如图3所示。

图3 信号检测电路结构图Fig.3 Signal detecting circuit configuration diagram

4 光电转换电路设计

光纤电流互感器的传感头输出信号是光强信号，而直接对光强信号处理比较困难，需经光电转换将光信号转换为电信号，再经过前置放大以便后期处理。光探测器是光纤互感器的一个重要组成部分，它的性能指标将直接影响检测电路的性能。光纤电流互感器用的光探测器一般为光电二极管，其作用是将光信号转换为电信号。一般光纤电流互感器对光探测器要求如下:

(1)响应频带宽，响应速度快，动态特性好;

(2)线性度好，光强信号按比例转换为电信号;

(3)响应度高;

(4)性能稳定，噪声小;

(5)暗电流小。

一般光电探测器都有一定的波长选择性，本设计所选用的光源中心波长为1550 nm，因此选择的光探测器也应在1550 nm波长有较好的响应度。一般Si光电二极管的波长响应范围为200～1000 nm，InGaAs光电二极管的波长响应范围为800～1800 nm。因此应选用InGaAs光电二极管作为本设计的光探测器有较高的响应度。设计选用中国电子科技集团第四十四研究所生产的GD3560J型In-GaAs探测器。其光敏面直径为0.3 mm。在图4所示的测试条件下，该探测器的测试数据如表1所示，光谱响应曲线如图5所示。

图4 InGaAs探测器测试条件Fig.4 InGaAs detector test conditions

图5 光探测器光谱响应曲线图Fig.5 photodetector spectral response graph

该光探测器响应速度快，在1550 nm波长响应度高，输出线性好，很适合用在本系统中。光电转换及交流放大电路如图6所示。

图6 光电转换及交流放大电路Fig.6 Photoelectric conversion and AC amplifier circuit

将光信号转换为电信号，再经过前置放大以便后期处理［5］。本设计中使用InGaAs光电二极管将光信号转换成电流信号，由于法拉第旋转角很小，又由式(5)可知，在本设计中将交流分量和直流分量分别放大处理，因此在图6中交流放大前先进行了隔直处理［6］。光电探测器输出的电流信号经放大电路处理后转换成电压信号，设探测器输出的交流电流大小为I，则运放输出的电压V大小为:

本系统所测量对象是工频交流电，其频率为50 Hz，而光纤电流互感器的传感器件存在大量的噪声，主要来源于光源的噪声、振动引起的噪声，因此必须设计带通滤波器，以滤除这些噪声。本系统选用了美国BB公司生产的一款通用的有源集成滤波器UAF42，可广泛应用于低通、高通、带通、带阻滤波器设计，其内部包含两个积分器、一个反相放大器和一个独立的运放，积分器包含两个1000 pF精度高达0.5%的电容，这种结构解决了设计有源滤波器时难以获得高精度，低损耗的电容问题。该滤波器属于连续时间滤波器，可避免开关噪声和一些开关电容滤波器一些其他问题的影响。为了得到更平滑的波形，使用两片UAF42设计一个4阶带通滤波器，设计带通滤波器中心频率为50 Hz，3 dB带宽为10 Hz［7］。为了使电网频率在小范围波动时能够保持输出信号不衰减，要求滤波器的顶部较平，因此设计巴特沃斯类型的带通滤波器。带通滤波器的传输函数为:

如图7所示为带通滤波器电路图。

图7 带通滤波器电路图Fig.7 Bandpass filter circuit diagram

5 系统测试及结果分析

系统测试流程是:先用传统电流互感器和光纤电流互感器同时测一组数据，然后将光纤电流互感器输出的电压值作为自变量x，以传统电流互感器输出的电流值为因变量y，用最小二乘法进行线性拟合;按照电流表的读数选取若干个电流值按同样的方法测三组数据，对光纤电流互感器输出的电压值取平均值并代入拟合公式算出电流测量值，并以传统电流互感器的输出作为标准值进行误差估算［8］。测试方法如图8所示。

图8 光纤电流互感器准确度测试方法Fig.8 Fiber-optic current transfermer accuracy testing methods

用0.2 S级的传统电流互感器作为标准测量装置，其输出电流与实际电流比为1∶2000，测量结果如表1所示:

表1 0～1200 A时的测试结果(T=20℃)Tab.1 0～1200 A test results(T=20℃)

传统电流互感器输出电流及光纤电流互感器输出电压关系曲线如图9所示。

图9 电流表读数与电压表读数曲线Fig.9 Ammeter and voltmeter readings curve

将以上数据用最小二乘法进行线性拟合，可得公式:

式中，x为电压表的输出，将x代入式(6)所计算出来的值y为光纤电流互感器测量的电流值(1∶2000)。

对同一个电流值进行三次测量，测量所得的电压表读数取平均值代入式(6)与标准电流测量装置的输出结果进行误差评估。这里电流表的读数和通过光纤电流互感器输出计算出的电流值y都未乘互感器的倍率2000，并不影响准确度的评估。误差计算结果如表2所示。

表2中绝对误差最大值为1.031048，被测电流为最大值1200 A时电流表输出为600 mA，故非线性误差为:

由表2的误差计算数据可知，光纤电流互感器具有良好的线性，在量程范围内达到了IEC 0.2 S级精度。

6 总结

随着社会发展的步伐越来越快，工业、居民的用电量在不断的增加中。为了降低电能在传输过程中的损耗，必然将增大输电电压，但是传统的电磁式电流互感器由于体积大，绝缘性能差，充油易爆，存在磁滞、磁饱和等问题越来越难以满足社会的需求。因此新的电流检测方式将急需研制，而光纤电流互感器由于其具有优良的性能得到越来越多的人重视。本系统主要涉及偏振调制型全光纤电流互感器的基本原理、光路分析及设计、传感头设计、信号检测电路设计，以及对整个系统的测试。通过对测试系统的不断调整，最终测量精度达到IEC 0.2S级。

表2 0～1200 A误差计算结果(T=20℃)Tab.2 0～1200 A error calculation results(T=20℃)

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