| 标题 | 新型电流互感器对计量误差影响研究 |
| 范文 | 张英 刘晓辉 张建民 蔚晓明 摘 要： 为了研究新型光纤电流互感器对计量可能造成的误差，分析了新型光纤电流互感器误差产生的几个因素，并针对这几个因素做了对新型光纤电流互感器的误差分析。通过对[14]波片以及Verdet常数温升实验，实验结果表明新型光纤电流互感器精度非常高，势必会成为新一代互感器的代替品。本文先从光纤电流互感器的基本原理说起，随后分析了影响光纤电流互感器性能参数的几个误差因素，并针对其中的一些误差因素提出了解决措施并做了实验加以验证。 关键字： 光纤电流互感器； 法拉第效应； 误差分析； 计量误差 中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0154?02 传统电流互感器是基于电磁感应原理，其性能与新型光纤电流互感器相比相去甚远，已经逐渐不能满足业内应用要求。传统电流互感器制造工艺复杂，有绝缘性不好、动态范围狭窄、产生输出信号跟计算机及保护设备接口不匹配、容易形成铁磁谐振等缺点。然而新型光纤电流互感器却有着与上述缺点相反的优点，其势必会被大面积应用。因此，探讨新型光纤电流互感器技术是很有必要的。 1 新型光纤电流互感器主要原理 光纤电流互感器基于法拉第效应的原理，如图1所示。 图1 光纤电流互感器原理图 法拉第磁光效应原理是指在外磁场影响下，从光源发送的单色光在途经偏振器后，光在偏振面上发生旋转，从而产生出一个旋转角度，旋转的角度与外界磁场强度的大小、光在介质中传播时与磁场产生作用的长度以及材料本身固有的性质等有关。 法拉第磁光效应原理可用下述公式来进行描述： [θf=VBL=μ0VHdL=μ0VNI] （1） 式中：[θf]为线偏振光的法拉第旋转角度；[μ0]为磁导率；[V]是费尔德常数；[H]为光传播方向上电流产生的磁场强度；[L]为磁光介质的光传播路径；[N]为环绕载流体的光纤圈数，在环绕导体一周的光闭合路径时[N=1。] 从光源产生出的单色光在传播方向上途经光起偏器就会变成偏振光，然后令其通过磁光介质，再到达光路检偏器中，最后进入到光电探测仪器中。设[θf]为法拉第磁光效应旋转角，[φ]为起偏器和检偏器透光轴之间夹角，通过光探测器接收到的光强度为[J]则： [J=E20cos2（φ-θf）] （2） 式中[E20]为入射光强度。 [θf]变化对[J]产生的最大灵敏度可通过公式（3）求得，令： [?J?θfθf=0=0] （3） 根据式（3）可以求得[φ=]±45°。这表明探测器[θf]对应的最大灵敏度对应检偏器的方位角为45°。所以式（2）变成： [J=12E201±sin2θf] （4） [sin2θf≈2θf]条件是转角[θf]较小时，为求得被测电流的大小可通过探测器测出[J，]根据式（4）计算出旋转角[θf，]进而算出被测电流。 2 光路误差分析 根据上述原理针对光纤电流互感器光路产生的误差做了分析，其主要包括如下：对轴角度误差、起偏器消光比、线性双折射误差、集成光学相位调制器误差、传感光纤Verdet常数、[14]波片位相差以及光源噪声等因素。互感器系统中最主要误差源是[14]波片位相差误差、线性双折射误差及传感光纤Verdet常数。 （1） 传感光纤Verdet常数误差 传感光纤Verdet常数是光波波长和环境温度的函数，对磁致旋光效应起着重要影响作用，其与互感器变比成正比关系。通过稳定光源功率可以比较精确地控制中心波长，那么磁光晶体Verdet常数对于普通二氧化硅光纤来说，就同温度成正比例关系。Verdet常数和温度的正比例关系近似为： [1V?（?V）（?T）=0.7×10-4] （5） 式中：[V]是传感光纤Verdet常数，1 310 nm波长下其值大约为1.10×10-6 rad/A；[T]是环境温度。 由式（5）可以看出，当环境温度在-40～60 ℃区间内波动时，传感光纤Verdet常数会产生变化，这个变化会导致互感器变比漂移0.7%左右，必须消除Verdet常数变化带来的影响。 （2） 光纤传感线性双折射误差 从光源发出的光进入偏振器后会因光的双折射而使光的偏振面发生旋转，其会导致产生一个与法拉第磁效应偏角无任何差异的误差信号，这会造成光纤电流互感器测试性能大幅降低，影响其实用化。消除双折射至关重要，而引发光纤中双折射因素又分为自身固有因素和外界因素，自身固有因素主要由生产工艺中光纤纤芯非圆导致，外界因素则是温度，形状和压力等引起。 上面分析了引发双折射的因素，为了消除其带来的影响，可以通过改变传感光纤自身固有因素，或者引入大量圆双折射，而通过降低光纤的非圆率及内应力则是减小固有双折射的有效方法。 （3） [14]波片位相差误差 温度会影响[14]波片，令其发生变化，进而导致光的偏振态发生变化，这会严重影响互感器的精度。下面采取了补偿方法消除其影响，所谓的补偿方法就是令波片温度产生的误差跟Verdet常数受温度影响而产生的误差相反，达到其二者对互感器变比的影响相互抵消。为了达到此目的，则必须先确定[14]波片初始位相差。理论分析结果表明：互感器全温变比误差在只有波片受温度影响时约为0.627%；互感器全温变比误差在只有Verdet常数受温度影响时约为0.63%；在经过波片和Verdet常数互相补偿后，互感器变比相对误差约为0.117%，这个效果还是非常令人满意的。 3 实验测试 通过上述方法基本上可以消除大部分光路误差影响，下面是依据标准（互感器标准IEC 60044?8）做的实验。 （1） 温度上升实验。先把待测互感器传感头部分放置在温度实验箱中，然后把温度试验箱中温度调整为-30～70 ℃范围内令其变化，在温度变化区间内分别设置测试点-30 ℃，-15 ℃，0 ℃，15 ℃，30 ℃，50 ℃，在这些测试点上分别保温60 min。每次在结束保温前8 min分别对互感器样机输入不同采样点的直流电（采样点：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），测得响应输出。针对各个测试温度点分别求得样机温度点变化比。实验结果如图2所示。 图2 -30～50 ℃互感器变化误差 （2） 精确度实验。室温条件下，对样机做稳态测量误差实验。以月每3天为一个测试点，每次测试时，分别对互感器样机输入如下采样点的直流电（采样点：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），测得互感器样机响应输出。互感器变比凭借对应输入输出通过以最小二乘方法拟合求得。测试结果如图3所示，互感器测量精确度在常温条件下达到了0.1%。 图3 互感器室温变化误差 4 结 语 首先对新型光纤互感器的基本原理进行了介绍，然后分析了在光的传播路径上产生的主要误差源，以及这些误差源所产生的影响，进而提出了解决这些误差源的抑制措施。根据行业标准（电子式电流互感器IEC 60044?8）进行了样机的准确度实验。实验结论表明：在正常室温条件下，样机测量变比准确度达到了0.1%，在-30～50 ℃范围内样机测量变比误差优于0.2%；由此可见，新型光纤电流互感器的优点是不言而喻的，其电气绝缘性好，造价低，占地少，动态范围大，不发生饱和现象等优点，势必会使其应用成为必然趋势。 参考文献 [1] 娄凤伟，郑绳楦，赵鑫泰.光纤电压互感器的现状及发展[J].传感器技术，2002，21（5）：5?7. [2] 王政平，康崇，张雪原，等.光学电流互感器的问题与解决对策[J].传感器技术，2005，24（5）：5?7. [3] 廖延彪.偏振光学[M].北京：科学出版社，2003. [4] 张晞.光纤陀螺闭环检测与控制[D].北京：北京航空航天大学，2001. [5] 王政平，李庆波，齐异，等.Verdet常数色散对光学电流传感器灵敏度影响的理论研究[J].哈尔滨工程大学学报，2004，25（2）：188?191. [6] 牛利涛，彭金宁，兀鹏越，等.电流互感器铁心饱和对继电保护的影响和处理方法[J].现代电子技术，2012，35（24）：191?194. 3 实验测试 通过上述方法基本上可以消除大部分光路误差影响，下面是依据标准（互感器标准IEC 60044?8）做的实验。 （1） 温度上升实验。先把待测互感器传感头部分放置在温度实验箱中，然后把温度试验箱中温度调整为-30～70 ℃范围内令其变化，在温度变化区间内分别设置测试点-30 ℃，-15 ℃，0 ℃，15 ℃，30 ℃，50 ℃，在这些测试点上分别保温60 min。每次在结束保温前8 min分别对互感器样机输入不同采样点的直流电（采样点：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），测得响应输出。针对各个测试温度点分别求得样机温度点变化比。实验结果如图2所示。 图2 -30～50 ℃互感器变化误差 （2） 精确度实验。室温条件下，对样机做稳态测量误差实验。以月每3天为一个测试点，每次测试时，分别对互感器样机输入如下采样点的直流电（采样点：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），测得互感器样机响应输出。互感器变比凭借对应输入输出通过以最小二乘方法拟合求得。测试结果如图3所示，互感器测量精确度在常温条件下达到了0.1%。 图3 互感器室温变化误差 4 结 语 首先对新型光纤互感器的基本原理进行了介绍，然后分析了在光的传播路径上产生的主要误差源，以及这些误差源所产生的影响，进而提出了解决这些误差源的抑制措施。根据行业标准（电子式电流互感器IEC 60044?8）进行了样机的准确度实验。实验结论表明：在正常室温条件下，样机测量变比准确度达到了0.1%，在-30～50 ℃范围内样机测量变比误差优于0.2%；由此可见，新型光纤电流互感器的优点是不言而喻的，其电气绝缘性好，造价低，占地少，动态范围大，不发生饱和现象等优点，势必会使其应用成为必然趋势。 参考文献 [1] 娄凤伟，郑绳楦，赵鑫泰.光纤电压互感器的现状及发展[J].传感器技术，2002，21（5）：5?7. [2] 王政平，康崇，张雪原，等.光学电流互感器的问题与解决对策[J].传感器技术，2005，24（5）：5?7. [3] 廖延彪.偏振光学[M].北京：科学出版社，2003. [4] 张晞.光纤陀螺闭环检测与控制[D].北京：北京航空航天大学，2001. [5] 王政平，李庆波，齐异，等.Verdet常数色散对光学电流传感器灵敏度影响的理论研究[J].哈尔滨工程大学学报，2004，25（2）：188?191. [6] 牛利涛，彭金宁，兀鹏越，等.电流互感器铁心饱和对继电保护的影响和处理方法[J].现代电子技术，2012，35（24）：191?194. 3 实验测试 通过上述方法基本上可以消除大部分光路误差影响，下面是依据标准（互感器标准IEC 60044?8）做的实验。 （1） 温度上升实验。先把待测互感器传感头部分放置在温度实验箱中，然后把温度试验箱中温度调整为-30～70 ℃范围内令其变化，在温度变化区间内分别设置测试点-30 ℃，-15 ℃，0 ℃，15 ℃，30 ℃，50 ℃，在这些测试点上分别保温60 min。每次在结束保温前8 min分别对互感器样机输入不同采样点的直流电（采样点：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），测得响应输出。针对各个测试温度点分别求得样机温度点变化比。实验结果如图2所示。 图2 -30～50 ℃互感器变化误差 （2） 精确度实验。室温条件下，对样机做稳态测量误差实验。以月每3天为一个测试点，每次测试时，分别对互感器样机输入如下采样点的直流电（采样点：150 A，300 A，450 A，600 A，750 A，900 A等），测得互感器样机响应输出。互感器变比凭借对应输入输出通过以最小二乘方法拟合求得。测试结果如图3所示，互感器测量精确度在常温条件下达到了0.1%。 图3 互感器室温变化误差 4 结 语 首先对新型光纤互感器的基本原理进行了介绍，然后分析了在光的传播路径上产生的主要误差源，以及这些误差源所产生的影响，进而提出了解决这些误差源的抑制措施。根据行业标准（电子式电流互感器IEC 60044?8）进行了样机的准确度实验。实验结论表明：在正常室温条件下，样机测量变比准确度达到了0.1%，在-30～50 ℃范围内样机测量变比误差优于0.2%；由此可见，新型光纤电流互感器的优点是不言而喻的，其电气绝缘性好，造价低，占地少，动态范围大，不发生饱和现象等优点，势必会使其应用成为必然趋势。 参考文献 [1] 娄凤伟，郑绳楦，赵鑫泰.光纤电压互感器的现状及发展[J].传感器技术，2002，21（5）：5?7. [2] 王政平，康崇，张雪原，等.光学电流互感器的问题与解决对策[J].传感器技术，2005，24（5）：5?7. [3] 廖延彪.偏振光学[M].北京：科学出版社，2003. [4] 张晞.光纤陀螺闭环检测与控制[D].北京：北京航空航天大学，2001. [5] 王政平，李庆波，齐异，等.Verdet常数色散对光学电流传感器灵敏度影响的理论研究[J].哈尔滨工程大学学报，2004，25（2）：188?191. [6] 牛利涛，彭金宁，兀鹏越，等.电流互感器铁心饱和对继电保护的影响和处理方法[J].现代电子技术，2012，35（24）：191?194. |
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