褚光

摘要：近年來(lái)，隨著電力工業(yè)的快速持續(xù)發(fā)展，電網(wǎng)的運(yùn)行電壓等級(jí)也在不斷地提高，高電壓、大電流的電力系統(tǒng)設(shè)備的不斷投運(yùn)，對(duì)一次和二次側(cè)的絕緣要求以及信號(hào)的可靠傳遞提出了更高的要求，也對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量方法產(chǎn)生了巨大的挑戰(zhàn)。電流互感器作為測(cè)量環(huán)節(jié)中的一個(gè)重要組成部分，在特高壓、大電流的系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器也暴露出了一系列的嚴(yán)重問(wèn)題，新型電流互感器已經(jīng)成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)，得到越來(lái)越多的企業(yè)和用戶(hù)的關(guān)注，需要重點(diǎn)加強(qiáng)研究?；诖吮疚姆治隽巳饫w電流互感器傳感機(jī)理建模。

關(guān)鍵詞：全光纖電流互感器;傳感機(jī)理;建模

中圖分類(lèi)號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1、全光纖電流互感器傳感機(jī)理

全光纖電流互感器（fiber-optical current transformer，F(xiàn)OCT）作為一種新型的測(cè)量裝置，具有體積小、重量輕、絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大、精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且無(wú)磁飽和及鐵磁諧振及二次開(kāi)路等問(wèn)題。在電力系統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)、電解工業(yè)等領(lǐng)域里有著廣闊的應(yīng)用前景。

1.1基于偏振檢測(cè)方法的全光纖電流互感器的工作原理

基于偏振檢測(cè)方法的全光纖電流互感器的工作原理如圖1所示。該FOCT基于法拉第磁光效應(yīng)，由光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器形成線偏振光，再經(jīng)過(guò)耦合透鏡及傳輸光纖到達(dá)高壓傳感頭，進(jìn)入傳感光纖。由于被測(cè)電流在周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)并根據(jù)法拉第效應(yīng)，線偏振光在與其傳播方向平行的外界磁場(chǎng)的作用下通過(guò)傳感光纖時(shí)，其光波偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)。最后光波經(jīng)過(guò)耦合透鏡、檢偏器到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行信號(hào)采集，并將轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)輸入到信號(hào)處理裝置。

1.2基于偏振檢測(cè)方法的全光纖電流互感器的工作原理

基于干涉檢查方法的全光纖電流互感器一般基于Sagnac效應(yīng)，典型的Sagnac結(jié)構(gòu)的光纖電流互感器如圖2-2所示。電流在導(dǎo)線傳輸時(shí)，會(huì)在導(dǎo)線周邊產(chǎn)生磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)的作用下，兩束具有相同偏振態(tài)的光從同一光源發(fā)出后，向相反的方向傳播后，產(chǎn)生相移，當(dāng)兩束光匯集在同一點(diǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生干涉。因此可以對(duì)干涉的光信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，然后反推折算得到輸電線路的電流大小。

對(duì)于基于干涉檢查方法的全光纖電流互感器，光纖傳感線圈是重要的電流測(cè)量部件。但是由于光纖傳感線圈一般都放置在室外電纜處，很容易受到外界環(huán)境因素如溫度等變化的影響，光波會(huì)在傳播過(guò)程中，極有可能產(chǎn)生附加的寄生干涉，因而產(chǎn)生測(cè)量誤差。因此，研究光纖電流互感器的環(huán)境適應(yīng)性有著重要意義。

2、光纖的溫度敏感性

溫漂問(wèn)題是阻礙FOCT大規(guī)模實(shí)用化進(jìn)程的主要難題之一，由此可以看出溫度對(duì)FOCT運(yùn)行性能的影響十分嚴(yán)重。溫漂問(wèn)題的主要原因是FOCT傳感光纖易受溫度影響。光纖的溫度敏感性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1光纖材料的熱膨脹特性

光纖材料的熱膨脹是指光纖材料因溫度改變而發(fā)生的膨脹現(xiàn)象，在溫度升高時(shí)其體積增大，溫度降低時(shí)體積縮小。光纖材料的熱膨脹特性主要表現(xiàn)為光纖長(zhǎng)度隨溫度的變化而變化，幾乎所有的光纖材料都存在熱膨脹特性。

2.2熱光效應(yīng)

熱光效應(yīng)是指光學(xué)介質(zhì)在溫度升高或者降低時(shí)，其分子排列發(fā)生變化，從而造成介質(zhì)的光學(xué)特性隨溫度的改變而發(fā)生變化的物理效應(yīng)。光纖材料的熱光效應(yīng)主要表現(xiàn)在溫度對(duì)光纖有效折射率的影響，溫度越高，有效折射率會(huì)增大。通常用熱光系數(shù)來(lái)表征光學(xué)材料的折射率隨溫度的變化率，又叫折射率的溫度系數(shù)。

2.3光纖對(duì)振動(dòng)的敏感性

振動(dòng)對(duì)光纖的影響主要表現(xiàn)為：由于光彈效應(yīng)，使得周期性振動(dòng)在FOCT傳感單元內(nèi)引起的線性雙折射發(fā)生周期性改變，影響系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性;傳輸光纖的振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致光波在傳輸過(guò)程中的偏振態(tài)變化，影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。此外載流導(dǎo)線的舞動(dòng)也會(huì)對(duì)輸出結(jié)果產(chǎn)生影響。

3、全光纖電流互感器傳感機(jī)理建模

全光纖電流互感器常用于高電壓大電流系統(tǒng)中，在絕緣性、可靠性及抗電磁干擾方面都有很大的優(yōu)勢(shì)，也可用于測(cè)量直流電流，輸出為數(shù)字信號(hào)，在智能變電站中有較廣泛的應(yīng)用。但是FOCT高壓傳感頭一般工作在戶(hù)外現(xiàn)場(chǎng)，受環(huán)境中溫度、振動(dòng)以及外界磁場(chǎng)干擾等因素影響較大，因此環(huán)境因素對(duì)FOCT運(yùn)行性能的影響逐漸成為國(guó)內(nèi)外同行業(yè)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。

整個(gè)FOCT傳感單元仿真模型是由一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線（被測(cè)電流）和一個(gè)光纖微元（微米級(jí)）構(gòu)成，從傳感光纖一端（y=0處）入射一束線偏振光，觀察光波在傳輸過(guò)程中偏振態(tài)的演化。

3.1幾何建模

FOCT傳感單元主要包括載流導(dǎo)線，傳感光纖線圈，空氣區(qū)域，其中核心部分為傳感光纖線圈。為了簡(jiǎn)化分析，在COMSOL中，選擇三維模型，建立圓柱體1作為載流長(zhǎng)直導(dǎo)線模型，產(chǎn)生被測(cè)電流;采用基于偏振檢測(cè)方法的全光纖電流互感器中，一般將傳感光纖纏繞在載流導(dǎo)體上，因此傳感光纖可簡(jiǎn)化為螺線管模型。

3.2物理場(chǎng)及邊界條件、初始條件選擇

磁場(chǎng)和光場(chǎng)都是基于麥克斯韋方程組，分別為不同頻段的電磁波。在COMSOL中，分別選擇MagneticFields模塊和WaveOptics模塊。在磁場(chǎng)模塊中，設(shè)置初始條件：磁矢勢(shì)A=（0，0，0）;選擇外電流密度，通過(guò)改變外電流密度Je值可模擬被測(cè)電流大小。

3.3有限元網(wǎng)格劃分

完成幾何模型的建立、材料選擇以及物理場(chǎng)、初始條件、邊界條件的設(shè)置后，需要對(duì)所建立的模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。對(duì)于光波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，要求最大網(wǎng)格單元尺寸hmax必須是波長(zhǎng)的幾分之一，最常見(jiàn)的情況是hmax=λ/6。對(duì)于光纖微元區(qū)域，選擇物理場(chǎng)控制網(wǎng)格，最大單元格尺寸為λ/6。

3.4求解器設(shè)置與后處理

對(duì)模型進(jìn)行求解設(shè)置，本章建立的模型涉及光場(chǎng)和磁場(chǎng)兩個(gè)物理場(chǎng)，首先選用穩(wěn)態(tài)求解器計(jì)算磁場(chǎng)的分布，其次選用頻域求解器求解光纖微元區(qū)域光波在磁場(chǎng)中的傳播特性。經(jīng)過(guò)求解器計(jì)算后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)后處理以及圖形可視化處理，可得到所需要的數(shù)據(jù)，如旋轉(zhuǎn)角度、光場(chǎng)磁場(chǎng)的分布線圖，此外也可得到磁場(chǎng)、光場(chǎng)的三維分布圖形，可以十分直觀清晰地分析光場(chǎng)和磁場(chǎng)的傳輸特性。

總之，全光纖電流互感器常用于高電壓大電流系統(tǒng)中，在絕緣性、可靠性及抗電磁干擾方面都有很大的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其的研究非常有必要。

參考文獻(xiàn)

[1]關(guān)遠(yuǎn)鵬.全光纖電流互感器關(guān)鍵特性研究[D].華南理工大學(xué)，2017.