光路结构参数对光学电流互感器运行稳定性的影响

第 32 卷 第 20 期 电 网 技 术 Vol. 32 No.20 2008 年 10 月 Power System Technology Oct. 2008 文章编号： 1000-3673（ 2008） 20-0068-05 中图分类号： TM452 + .93 文献标志码： A 学科代码： 470·4017 光路结构参数对 光学电流互感器运行稳定性的影响 于文斌 1 ，杨以涵 1 ，郭志忠 2 ，周建新 3 （ 1．华北电力大学 电气与电子工程学院，北京市 昌平区 102206； 2．哈尔滨工业大学 电气工程学院，黑龙江省 哈尔滨市 150001； 3．国电南瑞科技股份有限公司，江苏省 南京市 210003） Influence of Optical Path Structure and Parameter on Operating Stability of Optical Current Transformer YU Wen-bin 1 ， YANG Yi-han 1 ， GUO Zhi-zhong 2 ， ZHOU Jian-xin 3 （ 1． School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University， Changping District， Beijing 102206， China； 2． School of Electrical Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， Heilongjiang Province， China； 3． NARI Technology Development Co., Ltd.， Nanjing 210003， Jiangsu Province， China） ABSTRACT: The poor operating stability is one of the primal problems of the optical current transformers (OCT) based on Faraday magnetic optic effect, which behave as the step-by-step breakdown of DC operating light intensity. The structural feature of the optical current sensing head with closed light path and that with straight through light path are analyzed; from the viewpoint of optical path coupling efficiency, the influence of coupling loss caused by optical path length of optical current sensing head on DC operating light intensity is researched, thus the straight through light path structure possesses better temperature stability is demonstrated theoretically. The application instances of the straight through light path structure are presented in this paper and it is proposed that the solenoid collecting magnetic field optical path structure based on the straight through light path possesses such advantages as high measuring sensitivity and strong ability of resisting external electromagnet interference as well as simple and stable structure, etc., therefore this kind of optical path structure possesses good prospect of practicality. KEY WORDS: optical current transformer； Faraday magnetic optic effect； operating stability； optical path length； coupling efficiency； solenoid collecting magnetic field optical path structure 摘要： 基于法拉第磁光效应原理的光学电流互感器存在运行 稳定性差的问题，其主要表现为直流工作光强的逐步衰竭。 文章分析了闭合光路与直通 光路光学电流传感头的结构特 点， 从光路耦合效率的角度讨论了光学电流传感头光程长度 引起的光路耦合损耗对直流工作光强的影响，从理论上论证 了直通光路结构具有更好的温度稳定性。文章最后介绍了直 流光路结构的应用，提出采用直通光路的螺线管聚磁光路结 构具有测量灵敏度高、抗外界电磁干扰能力强、结构简单稳 定等优点，具有很好的实用化前景。 关键词： 光学电流互感器；法拉第磁光效应；运行稳定性； 光程长度；耦合效率；螺线管聚磁光路结构 0 引言 随着有关电子式电流互感器的国际、国内标准 相继颁布 [1-2] ，相关应用研究正逐步展开 [3-5] 。电子 式电流互感器主要有 2 种：基于法拉第电磁感应原 理的罗氏线圈电流互感器和基于法拉第磁旋光效 应原理的光学电流互感器 [6] 。与罗氏线圈电流互感 器相比，光学电流互感器具有优良的动态电流测量 品质，但存在 2 个技术难点： 1）线性双折射引起 的测量精度温漂问题； 2）光路光强逐步衰竭的长 期运行稳定性问题。这 2 个问题的存在严重阻碍了 光学电流互感器实用化的进程 [7-8] 。 光学电流互感器运行稳定性降低表现为：运行 较长时间后，互感器直流工作光强明显减弱，并最 终导致其失去测量功能 [9] 。目前对光学电流互感器 的研究主要集中在输出特性和性能影响因素等方 面 [10-11] ，对其运行稳定性的研究较少。光学电流互 第 32 卷 第 20 期 电 网 技 术 69 感器直流工作光强的特性主要取决于光路衰减系 数，光路衰减系数又取决于光学电流传感头的结构 和参数。本文将结合实验数据分析闭合光路与直通 光路光学电流传感头的特点，基于光路耦合损耗理 论重点讨论光程长度对互感器运行稳定性的影响。 1 光路结构的运行稳定性 1.1 概述 目前，基于法拉第磁光效应的光学电流互感器 一般采用闭合光路结构的光学电流传感头 [12] ，它以 块状玻璃或多块条状玻璃作为传感元件形成闭合 光路。以单块条状玻璃作为传感元件的直通光路是 早期高压电流测量常用的结构，由于测量灵敏度和 抗外界电磁干扰能力等方面的原因，现在很多研究 者已基本放弃这种结构。 为考察光学电流传感头的特点，采用相同的磁 光玻璃材料分别制作了多组闭合光路结构和直通 光路结构的光学电流传感头，在实验室进行温度试 验，考察两者的温度稳定性。下面结合试验数据， 分别对这 2 种传感头的特点进行讨论。 1.2 闭合光路结构的光学电流传感头 1.2.1 闭合光路结构 由安培环路定律可知，对闭合回路磁场强度 H 的积分只与积分路径 l 所包围的电流 i 有关，即 d l Hli⋅= ∫ GG (1) 对于单圈光路的闭合式光路结构传感头，其法 拉第旋转角可以描述为 Viϕ =⋅ (2) 式中 V 为磁光玻璃材料的菲尔德常数。 为了将被测电流包围在闭合光路之内，闭合光 路结构传感头采用反射结构形成闭合光路。为消除 光在反射过程中引入的 2 个正交分量之间的相移， 人们提出了多种保偏反射方案 [12-13] ，如双正交反射 保偏、反射面镀膜保偏和临界角反射保偏等。这些 保偏方法都对入射光角度或反射面加工精度等提 出了很高的要求。 图 1 为双层闭合光路结构的光学电流传感头分 解图。如果采用粘结加工，则整个光路包括 4 块同 型条状光学玻璃和 6 块 90°直角棱镜。 90°直角棱镜 的 45°斜面为传感头的整个反射面，而 2 个条状玻 璃的端面分别为入射面和出射面。 1.2.2 试验与分析 图 2 给出了闭合光路结构光学电流传感头的实 光电转换 光源 起偏器 检偏器 准直器 磁光玻璃 准直器 反射棱镜 图 1 闭合光路结构的光学电流传感头结构 Fig. 1 Structure of optical current sensing head with closed light path structure T / ℃ 0 500 1 000 1 500 −50 0 50 100 0.0 0.4 0.8 1.2 观测时间 /min 0 500 1 000 1 500 J dc 观测时间 /min ∧ (a) 试验温度 (b) 直流工作光强 图 2 闭合光路结构光学电流传感头的实验曲线 Fig. 2 Experiment curves of closed optical current sensing head 验结果。其中 dc ˆ J 是以 A/D 转换器满偏正输入电压 对应的光学电流互感器输出光强为基准的相对值。 可以看出，直流工作光强呈现周期衰减，经过几个 周期的温度试验后，直流工作光强已经很弱，此时 光学电流传感头已失去正常工作的能力。 1.2.3 闭合光路的结构特点 利用反射结构形成闭合光路，使得光学电流互 感器具有抗外界电磁干扰的能力。由于磁光材料不 可避免地存在线性双折射，这种闭合光路并不具有 完全抗外界电磁干扰的能力，文献 [8]利用分布参数 模型对此进行了理论分析。 闭合光路通光路径较长，即光程长度较长，测 量灵敏度相对较大，同时造成其运行稳定性较差。 闭合光路不可避免地存在反射面，增加了结构 的复杂性，环境温度等外界因素的变化会使反射面 性能发生改变，这最终将影响传感系统的稳定性。 1.3 直通光路结构的光学电流传感头 1.3.1 直通光路结构 将图 1 去掉 3 块条状光学玻璃和 6 块 90°直角棱 镜，即为直通光路结构的光学电流传感头，见图 3， 它只有 1 块特定长度的条状光学玻璃，无反射面。 起偏器 检偏器 磁光玻璃 准直器 光源 光电转换 图 3 直通光路结构的光学电流传感头结构 Fig. 3 Structure of optical current sensing head with straight through light path structure 70 于文斌等： 光路结构参数对光学电流互感器运行稳定性的影响 Vol. 32 No.20 1.3.2 试验与分析 用同型光学玻璃材料制作直通光路结构的光 学电流传感头，在相同的环境和条件下进行温度试 验，结果见图 4。可以看出，直流工作光强的起始 大小明显比闭合光路结构高，且波动较小，经过几 个周期的试验后，直流工作光强很稳定，没有下降 趋势。这说明直通光路结构光学电流传感头温度稳 定性能很好。用多组传感头进行试验，均得到类似 的结果。 T / ℃ 0 1 000 2 000 −50 0 50 100 0.0 0.4 0.8 1.2 观测时间 /min 0 1 000 2 000 J dc 观测时间 /min ∧ (a) 试验温度 (b) 直流工作光强 图 4 直通光路结构光学电流传感头的实验曲线 Fig. 4 Experiment curves of straight through optical current sensing head 1.3.3 直通光路的结构特点 直通光路不具有抗外界电磁干扰的能力，并且 通光路径较短，即光程长度较短，测量灵敏度较小。 但是直通光路光学元件较少，没有反射面，结构最 简化，可靠性较高。 2 光程长度对光路耦合损耗的影响 2.1 光纤准直器之间的耦合效率 光路的耦合效率决定了信噪比水平，提高整个光 路的耦合效率是光学电流互感器设计必须考虑的重 要问题。基于法拉第磁光效应的光学电流互感器的损 耗主要由光学电流传感头的耦合损耗引起。 光学电流互感器的传感头属于块型结构的微 光器件，由 2 个光纤准直器之间嵌入起偏器、磁光 玻璃和检偏器等光学器件组成。光纤准直器是由光 纤和 1/4 节距的自聚焦透镜组成，其耦合原理与自 聚焦透镜的耦合原理 [14] 相似。 2 个多模光纤准直器 耦合时，准直器的失配会使多模光纤间产生附加损 耗。 2 个光纤准直器之间的失配主要有图 5 所示的 3 种情况，图中 d 为偏轴距离， β为轴倾斜角， l 为 轴向间距。 透镜 光纤 d l β (a) 情形一 (b) 情形二 (c) 情形三 图 5 光纤准直器之间的失配 Fig. 5 Mismatch between optical collimators 3 种情况下 2 光纤准直器之间的耦合效率 [14] 分 别为 0 A [1 0.85 ] d d fN ηη=− (3) 0 [1 0.85 ] f a β ηη β=− (4) 0 2 A [1 0.5 ] l la f N ηη=− (5) 式中： N A 为光纤的数值孔径，若使用多模光纤，其 端面可看成均匀发光面； a 为光纤半径； f 为透镜焦 距，可按 0 1/ )f nA= ( 计算，其中 n 0 为轴上的折射 率， A 为聚焦常数。 2.2 光学电流传感头的耦合损耗 光学电流传感头的耦合损耗 α s 为 s p lens g α αα α= ++ (6) 式中： α p 为起偏器和检偏器互成 45°角造成的 1/4 光强透过率引起的损耗； α lens 为 2 个 1/4 节距的自 聚焦透镜之间的耦合损耗； α g 为磁光玻璃的光吸收 引起的损耗。 光学电流传感头的光程长度为起偏器和检偏 器之间的通光路径，如果忽略起偏器和检偏器的厚 度，则 2 光纤准直器之间的轴向间距为光程长度 l。 损耗 α g 引起的传感头透射率 η g 近似为 0 g e lα η − = (7) 式中： l 为磁光玻璃中的传光距离，即光程长度； α 0 为白光通过每米磁光玻璃被吸收的光通量与起始光 通量的百分比，磁光玻璃的 α 0 最大值一般为 1%。 若以 η p 、 η lens 和 η g 分别表示 α p 、 α lens 和 α g 引起 的耦合效率，则光学电流传感头的耦合效率描述为 splensg η ηη η= (8) 根据上面的分析，与光程长度 l 有关的耦合效 率经验公式可写为 0 2 A A tan e[10.85 ][10.5 ] l l lla fN f N α β η − =− − (9) 假设自聚焦透镜的 0 1.5569n = ， 0.243A = mm −1 ， 多模光纤数值孔径 A 0.28N = ，芯径 2 62.5a = µm， 磁光玻璃的 0 0.6%α = 。 根据式 (9) 可得与光程长度 有关的耦合效率关系曲线， 如图 6 所示。 可以看出， 光程长度 l 和轴倾斜角 β对光学电流传感头耦合效 率均存在影响，而且光程长度 l 的影响特别显著。 3 光路耦合损耗的温度稳定性分析 在外界条件不变的情况下，光学电流传感头的 光路耦合损耗是确定的。耦合损耗的大小仅会对后 续处理电路的信噪比水平产生影响，并不会带来互 第 32 卷 第 20 期 电 网 技 术 71 0 50 100 0.1 0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 l=20 mm l/mm β/(°) β=0° l=60 mm l=100 mm 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 1.0 0.8 β=0.2° β=0.4° η l η l (a) β固定时 η l 与 l 的关系 (b) l固定时 η l 与 β的关系 图 6 光学电流传感头耦合效率关系曲线 Fig. 6 Coupling efficiency curves of optical current sensing head 感器的运行稳定性问题。但实际上外界条件 (如环境 温度 )的改变必然会引起光学电流传感头结构和参数 的变化，从而导致传感头耦合效率的改变。设进入 光学电流传感头输入光纤的光功率为 P i ，通过光学 电流传感头后进入光探测器的光功率为 P o ， 与光程 长度有关的耦合效率为 η l ，其他损耗引起的耦合效 率用 η C 表示，则它们之间的关系可以描述为 oCil PPη η= (10) 式 (10)对 β求偏导数，可得 Ci ol P P η η β β ∂∂ = (11) 由 β变化引起的输出光功率的相对变化为 oCi oo ll l PP PP ηη η β β βηβ ∆∂∂ =∆=∆ ∂∂ (12) 将式 (9)代入式 (12)，并考虑 β较小时有 tanβ=β， 可得 o oA 0.85 0.85 P l PfN l β β ∆ =∆ − (13) 假定由轴倾斜角 β引起的光学电流传感头相对 光功率损耗最大不能超过 50%，对于不同的光程长 度，利用式 (13)可得 β的允许变化范围曲线， 见图 7。 可以看出，随着光程长度 l 的增加， β的允许变化 ∆ β /(°) β=0° 0 20 40 60 80 100 120 140 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 β=0.2° β=0.4° l/mm 图 7 光学电流传感头的轴倾斜角 β的允许变化范围 Fig. 7 Variation range of axis inclination angle β of optical current sensing head 范围在减小。环境温度等的影响将使 β增大，当其 达到某一值后，光学电流传感头将会失效，光学电 流互感器也就失去了正常工作能力。 由上述分析可知：在保证光学电流互感器测量 灵敏度的前提下，光学电流传感头的设计在原则上 应尽量缩短光程长度。光程越短，光路的耦合效率 越高；光程越长，不仅对光学工艺提出更高的要求， 而且其温度稳定性也越差。 4 直通光路结构的应用 环境温度是影响光学电流互感器运行稳定性的 最主要因素之一，因此采用直通光路结构的光学电 流互感器将具有更好的运行稳定性。目前，采用直 通光路结构的光学电流互感器主要有 2 种类型： 1）旁路型。这是早期的光学电流互感器类型， 通过测量通流导体周围的磁场来测量电流，具有结 构简单、稳定的特点。但是其测量灵敏度较低，而 且极易受外界电磁干扰的影响。 2）集磁环型。通过安装于集磁环气隙间的块 状玻璃材料来测量气隙间的磁场而间接测量电流。 其优点是易于改型，方便灵活，光程短而简单，仅 需要少量的光学玻璃材料。其主要缺点是易受周围 杂散磁场的影响，测量结果跟传感材料的位置有 关。由于铁心存在磁饱和现象及铁心材料的非线性 和温度效应，难以实现高精度测量，通常用于小电 流测量或故障诊断和故障定位，很少用于精度要求 较高和大电流的测量场合。日本研制和应用的集磁 环式光学电流互感器最多 [15-18] 。 上述 2 种类型的光学电流互感器都存在各自的 缺陷。作者所在课题组基于光学电流互感器测量灵 敏度高、抗外界电磁干扰的能力强、结构稳定性好 3 方面的设计要求，提出采用直通光路的螺线管聚 磁光路结构 [19] 。该结构采用“电绕光”的传感原理： 将被测电流导体绕制成螺线管的形式，光学电流传 感头采用直通光路，位于螺线管的轴线上，偏振光 通过测量螺线管轴线磁场来测量电流。螺线管聚磁 光路结构采用最简化的直通光路，取消了反射面， 从而增加了系统的稳定性。可以证明，采用螺线管 聚磁光路结构的光学传感系统也具有抗相间和相 邻线路间电磁干扰的能力，能够满足电力系统的实 际需要 [7] 。在采用螺线管聚磁光路结构时，可以通 过改变螺线管的形状或增加单位长度的匝数来提 高测量灵敏度，而且这些措施并不影响直通光路式 72 于文斌等： 光路结构参数对光学电流互感器运行稳定性的影响 Vol. 32 No.20 的光学电流传感头的结构。 采用螺线管聚磁光路结构 [19] 的光学电流传感 头具备了闭合光路结构光学电流传感头所能完成 的功能，并且运行稳定性更好，加工工艺要求更低， 是一种实用化前景较好的光学电流传感头结构。 5 结论 本文从光路耦合损耗的角度讨论了光程长度 对光学电流互感器运行稳定性的影响，证明直通光 路结构具有更好的温度稳定性。更进一步的工作需 要考虑反射面、起检偏器等参数对光学电流互感器 运行稳定性的影响，构建更完整的稳定性影响因素 分析模型，以改进光学电流传感头的产品工艺。 参考文献 [1] IEC 60044-8， Instrument transformer–part 8： Electrical current transformers[S]． 2002． [2] GB/T 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