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文檔簡介
1、光學(xué)電流互感器的問題與解決對策摘要:介紹了 2種光學(xué)電流互感器影響其性能的主要 因素及解決對策,指出了光學(xué)電流互感器開展中需解決的共 性問題,并展望了光學(xué)電流互感器的開展前景。引言光學(xué)電流互感器(OCT)是電子式電流互感器 (electrical current transformer, ECT) 中的一大類, 可分為光學(xué)玻璃型,全光纖型、混合型(利用傳統(tǒng)CT二次 輸出線圈采樣或用Rogowski線圈取樣)、磁場傳感器型和其 他傳感機理型。從上世紀(jì)60年代起,就提出了將光學(xué)技術(shù) 用于電流傳感的想法;70年代,提出了光纖OCT的基本理論; 80年代,塊狀光學(xué)玻璃OCT技術(shù)已獲得日本及歐洲專利;有
2、 源型OCT的思想也于此時提出。自上世紀(jì)70年代至今,是 光學(xué)電流傳感技術(shù)得到積極研究與快速開展的重要時期。由 于光學(xué)電流傳感技術(shù)與傳統(tǒng)電流互感器技術(shù)相比具有明顯 的優(yōu)點,用OCT技術(shù)代替現(xiàn)有的油浸電磁電流互感器曾形成 廣泛的共識。因此,國際電工委員會經(jīng)過多年工作,于20* 年,發(fā)布了關(guān)于電子式電流互感器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):IEC 60044-8-20*o然而,應(yīng)當(dāng)看到的是:電子(光學(xué))電流互 感器技術(shù)至今仍處于向?qū)嵱没_展的進程之中。與傳統(tǒng)電流 互感器技術(shù)相比,電子(光學(xué))電流互感器技術(shù)仍有不完善 之處。從其在電力工業(yè)中得到實際應(yīng)用的角度講,無論是光 學(xué)OCT還是混合型OCT都還存在一些急需解決的、
3、阻礙其實 用化的技術(shù)問題。在解決這些問題之前,電子式(含光學(xué)) 電流互感器很難得到電力系統(tǒng)用戶或市場的認(rèn)同。因此,有 必要探討電子式電流互感器開展中遇到的技術(shù)問題、解決對 策,以促進電子(光學(xué))電流互感器技術(shù)的實用化進程。本 文將重點介紹前2種互感器的問題、對策及展望。1光學(xué)玻璃電流互感器1. 1傳感單元設(shè)計光學(xué)玻璃電流互感器(BGOCT)傳感單元由玻璃傳感頭 與偏振器件構(gòu)成。設(shè)計中,應(yīng)考慮的基本問題是靈敏度、抗 干擾能力與穩(wěn)定性。靈敏度大小取決于光學(xué)玻璃Verdet常 數(shù)大小與光路環(huán)繞母線的次數(shù),應(yīng)選用大Verdet常數(shù)的材 料或采用多環(huán)光路可提高靈敏度;抗干擾能力取決于光路閉 合程度及反射
4、相移及線性雙折射減小程度;穩(wěn)定性那么要靠減 小反射相移及線性雙折射或補償其不良影響來實現(xiàn)。1. 1. 1反射相移對BGOCT性能影響及對策反射相移對系統(tǒng)靈敏度、穩(wěn)定性及抗外電磁場干擾能力 影響的研究結(jié)果說明:假設(shè)將總反射相移控制在0.24rad (約 為14。)以內(nèi),那么傳感頭的靈敏度將不低于理想模型靈敏度 理論預(yù)期值的90%。反射相移還會影響傳感頭抗外場干擾能 力。因此,有必要采取措施抑制或設(shè)法減小反射相移,或是 采取必要的補償措施。利用估算傳感頭反射相移大小的方法 可對反射相移開展實驗研究。BGOCT光源的驅(qū)動電流與環(huán)境溫度改變,都會造成光源 峰值波長移動。由于反射相移具有色散特性,會使靈
5、敏度隨 光源波長的變化而改變。對反射相移色散特性及反射相移與 Verdet常數(shù)聯(lián)合色散特性對靈敏度影響的研究結(jié)果說明:反 射相移色散特性及Verdet常數(shù)色散特性均會對輸出曲線的 尺度因子產(chǎn)生明顯的影響。因此,有必要對光源采取恒溫與 恒驅(qū)動電流控制,或是采取其他必要的補償措施。解決反射相移問題的基本方法是使光束在傳感頭內(nèi)實 現(xiàn)雙正交反射、臨界角反射或保偏反射(可分別用多層保偏 反射膜與單層介質(zhì)保偏反射膜實現(xiàn))。1. 1. 2線性雙折射對BGOCT性能影響線性雙折射以抽樣函數(shù)的形式影響傳感頭的尺度因子, 同時,還會調(diào)制入射起偏角對輸出曲線截矩的作用因子;輸 出曲線的截距隨起偏角改變那么呈正弦樣變
6、化,當(dāng)入射起偏角 為0 , 45 , 90時,曲線截距為零。盡管使用交流計量 設(shè)備時,該截距對輸出無實質(zhì)性影響,但其對尺度因子的影 響卻會破壞系統(tǒng)輸出的溫度與振動穩(wěn)定性。此外,線性雙折 射色散對BG0CT傳感頭性能也會產(chǎn)生影響,因此,有必要采 取措施減小傳感頭中的線性雙折射,或是采取必要的補償措 施。減小傳感頭內(nèi)線性雙折射的措施包括對傳感頭退火,注 意傳感頭包裝支撐構(gòu)造對傳感頭施力的均勻性等。為便于對線性雙折射的實驗研究,王政平等人報告了用 入/4波片測量BG0CT傳感頭線性雙折射的方法,并提出了測 量入/4波片實際相位延遲角的方法,以提高對線性雙折射的 測量精度。傳感頭環(huán)境溫度變化在傳感頭內(nèi)
7、形成的折射率梯度會 產(chǎn)生雙折射梯度,進而改變輸出信號的尺度因子。由于該雙 折射梯度與傳熱過程有關(guān),使其對尺度因子的影響不具有可 重復(fù)性而嚴(yán)重地破壞傳感頭的可靠性。解決該問題的可能的 措施之一為設(shè)計適當(dāng)?shù)臒峋彌_構(gòu)造延緩傳熱過程,使傳感頭 內(nèi)溫度變化接近準(zhǔn)靜態(tài)過程,以防止形成溫度梯度,還應(yīng)采 用均熱構(gòu)造使傳感頭內(nèi)溫度場均勻分布。1. 1. 3偏振器件對BGOCT性能影響起偏器消光比和預(yù)偏角誤差均可在BGOCT的輸出中引入 直流分量,并使尺度因子發(fā)生一定的改變。當(dāng)最終輸出信號 用交流電表度量時,輸出信號中引入的直流分量可被交流電 表中的自帶的隔直電容濾除,尺度因子的改變可用后續(xù)信號 處理電路中的放大
8、單元矯正。用于輸出光束檢偏的偏振分束 器消光比隨溫度變化產(chǎn)生較大測量誤差的問題可用改良的 差除和信號處理方案補償。1. 2工作環(huán)境對BGOCT系統(tǒng)的影響及補償措施BGOCT系統(tǒng)的工作環(huán)境的溫度、壓力、振動等因素通過 構(gòu)成系統(tǒng)的各個器件及單元的性能改變對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影 響。提高系統(tǒng)對環(huán)境改變的耐受性能的思路:一是改善各器 件性能;二是通過信號處理予以適當(dāng)補償。環(huán)境溫度改變導(dǎo)致的光源發(fā)光中心波長發(fā)生漂移時,可 通過傳感頭各光學(xué)參量的色散特性對系統(tǒng)靈敏度產(chǎn)生影響, 最終,破壞系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性。傳感頭各光學(xué)參量色散對系 統(tǒng)綜合影響并不是各自影響的簡單相加,其中存在聯(lián)合效應(yīng)。 因此,需考慮采取整體補償措
9、施。環(huán)境溫度變化可改變傳感頭內(nèi)線性雙折射、反射相移及 Verdet常數(shù)大小的改變。采用2種磁光材料Verdet常數(shù)溫 度曲線之商對Verdet常數(shù)溫度特性對系統(tǒng)的影響有明顯的 補償效果;根據(jù)事先測得Verdet常數(shù)或系統(tǒng)輸出的溫度特 性對系統(tǒng)輸出予以補償也是一種可行的方法,但其前提是已 對傳感頭采取必要的傳熱緩沖與均勻化構(gòu)造,否那么,很難獲 得可重復(fù)的輸出一溫度曲線或數(shù)據(jù)表。周期性振動引起的傳感頭內(nèi)因彈光效應(yīng)導(dǎo)致線性雙折 射的周期性改變、母線在原來固定位置附近振動及對上行傳 導(dǎo)光纖(自光源至起偏器的一段)的作用使進入起偏器的光 強發(fā)生波動均會破壞系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性。故需對傳感頭采取 適當(dāng)?shù)姆勒翊?/p>
10、施,并設(shè)法將傳感頭與母線固定在一起可減小 或消除前2種不利影響:利用長多模光纖的消偏和消相干性 能,并選用低相干光源可有效地抑制光纖中的振動噪聲;僅 使斜向光束耦合進多模光纖的技術(shù)也可有效抑制振動噪聲。 反射相移對BGOCT振動穩(wěn)定性也有影響,故應(yīng)設(shè)法減小反射 相移。BGOCT信號處理單元的基本功能是檢測出法拉第旋轉(zhuǎn)角 的大小,補償光源光強漲落對輸出信號的影響,帶通濾波以 提高系統(tǒng)輸出信噪比,相位調(diào)整以減小輸出信號的角差及將 輸出信號放大到規(guī)定的幅值。此外,溫度補償,振動補償?shù)?也都是信號處理單元應(yīng)具備的重要功能。對經(jīng)典的單探頭方 案、差除和方案及改良的差除和3種基本檢測方案的分析結(jié) 果說明:
11、改良的差除和方案噪聲最小。小電流測量信號會被噪聲嚴(yán)重干擾甚至淹沒。由于 BGOCT內(nèi)部的噪聲基本上與被測電流信號所在的頻段相重疊, 因此,無法用傳統(tǒng)的濾波器方法將其濾除。實踐證明:采用 自適應(yīng)信噪別離技術(shù)可實現(xiàn)電流信號與固有噪聲的別離,從 而提高BGOCT測量小電流的準(zhǔn)確度。2全光纖電流互感器全光纖電流互感器(FOCT)的工作原理主要為Faraday 效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)。Faraday效應(yīng)FOCT常采用偏振檢測方 法,或利用Faraday效應(yīng)的非互易性采用Sagnac干預(yù)儀實 現(xiàn)檢測。Sagnac干預(yù)儀型FOCT又可分為環(huán)形(loop)和串 聯(lián)式(in-line) 2種。光纖內(nèi)存在的線性雙折射
12、對于溫度與 振動等環(huán)境因素變化十分敏感,是阻礙FOCT實用化的關(guān)鍵 問題。盡管針對偏振檢測方案先后提出了高圓雙折射光纖、 旋制光纖,扭轉(zhuǎn)光纖、退火光纖、幾何構(gòu)造別離線性雙折射、 相向傳輸,扭轉(zhuǎn)加退火等多種解決方案,但多難以實用。隨 著基于Sagnac干預(yù)儀的光纖陀螺技術(shù)的實用化,許多研究 者已將興趣轉(zhuǎn)向Sagnac F0CTo2. 1 FOCT傳感頭的改良對FOCT的性能改良工作主要是圍繞解決線性雙折射影 響開展。其中,重要的方法是在傳感光纖環(huán)路中設(shè)法引入或 增大圓雙折射。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對線性雙折射影響開展補償 的方法那么是一種新的思路。對于入/4波片不完備性引起的尺 度因子誤差可將2個波片的
13、光軸預(yù)置成45。角予以解決。采 用外Sagnac FOCT方案那么可提高系統(tǒng)靈敏度。一種獨特的傳 感頭精細(xì)設(shè)計對解決線性雙折射問題證明是有效的,該設(shè)計 將傳感光纖退火,并置于線圈形熔硅制成的毛細(xì)管中,再將 該毛細(xì)管埋藏于充有硅酮的環(huán)形室中,以此來實現(xiàn)一種對溫 度與振動均不敏感的、對Faraday效應(yīng)具有內(nèi)在溫度補償功 能的Sagnac FOCT。其研究結(jié)果說明:光纖雙折射的溫度依 賴性可用來平衡Faraday效應(yīng)的溫度依賴性;在-3585C 的范圍內(nèi),其溫度不敏感度在0.2%以內(nèi);在10go加速度 500H2頻率振動條件下,輸出信號中仍未見振動干擾。對FOCT 中由耦合器所引起的附加偏振問題可通過提高光源波長的 穩(wěn)定性或者提高耦合器的帶寬并采用特殊的數(shù)據(jù)處理方法 消除其影響。2. 2 Verdet常數(shù)波動的補償方案Verdet常數(shù)的大小會隨溫度變化而改變,并且,是波長 的函數(shù):因此,對Verdet常數(shù)溫度特性開展補償,并采取 措施穩(wěn)定工作波長
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