全光纤电流互感器传感机理建模分析

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摘要：摘要：近年来，随着电力工业的快速持续发展，电网的运行电压等级也在不断地提高，高电压、大电流的电力系统设备的不断投运，对一次和二次侧的绝缘要求以及信号的可靠传递提出了更高的要求，也对传统的测量方法产生了巨大的挑战。电流互感器作为测量环节中的

　　摘要：近年来，随着电力工业的快速持续发展，电网的运行电压等级也在不断地提高，高电压、大电流的电力系统设备的不断投运，对一次和二次侧的绝缘要求以及信号的可靠传递提出了更高的要求，也对传统的测量方法产生了巨大的挑战。电流互感器作为测量环节中的一个重要组成部分，在特高压、大电流的系统中，传统的电磁式电流互感器也暴露出了一系列的严重问题，新型电流互感器已经成为当前的一个研究热点，得到越来越多的企业和用户的关注，需要重点加强研究。基于此本文分析了全光纤电流互感器传感机理建模。

　　关键词：全光纤电流互感器;传感机理;建模

　　1、全光纤电流互感器传感机理

　　全光纤电流互感器(fiber-optical current transformer，FOCT)作为一种新型的测量装置，具有体积小、重量轻、绝缘结构简单、测量动态范围大、精度高、抗电磁干扰能力强等优点，而且无磁饱和及铁磁谐振及二次开路等问题。在电力系统、铁路系统、电解工业等领域里有着广阔的应用前景。

　　1.1基于偏振检测方法的全光纤电流互感器的工作原理

　　基于偏振检测方法的全光纤电流互感器的工作原理如图1所示。该FOCT基于法拉第磁光效应，由光源发出的光经起偏器形成线偏振光，再经过耦合透镜及传输光纤到达高压传感头，进入传感光纤。由于被测电流在周围产生磁场并根据法拉第效应，线偏振光在与其传播方向平行的外界磁场的作用下通过传感光纤时，其光波偏振面将发生旋转。最后光波经过耦合透镜、检偏器到达光电转换器，进行信号采集，并将转化后的电信号输入到信号处理装置。

　　1.2基于偏振检测方法的全光纤电流互感器的工作原理

　　基于干涉检查方法的全光纤电流互感器一般基于Sagnac效应，典型的Sagnac结构的光纤电流互感器如图2-2所示。电流在导线传输时，会在导线周边产生磁场，在磁场的作用下，两束具有相同偏振态的光从同一光源发出后，向相反的方向传播后，产生相移，当两束光汇集在同一点时就会发生干涉。因此可以对干涉的光信号进行信号处理，然后反推折算得到输电线路的电流大小。

　　对于基于干涉检查方法的全光纤电流互感器，光纤传感线圈是重要的电流测量部件。但是由于光纤传感线圈一般都放置在室外电缆处，很容易受到外界环境因素如温度等变化的影响，光波会在传播过程中，极有可能产生附加的寄生干涉，因而产生测量误差。因此，研究光纤电流互感器的环境适应性有着重要意义。

　　2、光纤的温度敏感性

　　温漂问题是阻碍FOCT大规模实用化进程的主要难题之一，由此可以看出温度对FOCT运行性能的影响十分严重。温漂问题的主要原因是FOCT传感光纤易受温度影响。光纤的温度敏感性主要表现在以下几个方面：

　　2.1光纤材料的热膨胀特性

　　光纤材料的热膨胀是指光纤材料因温度改变而发生的膨胀现象，在温度升高时其体积增大，温度降低时体积缩小。光纤材料的热膨胀特性主要表现为光纤长度随温度的变化而变化，几乎所有的光纤材料都存在热膨胀特性。

　　2.2热光效应

　　热光效应是指光学介质在温度升高或者降低时，其分子排列发生变化，从而造成介质的光学特性随温度的改变而发生变化的物理效应。光纤材料的热光效应主要表现在温度对光纤有效折射率的影响，温度越高，有效折射率会增大。通常用热光系数来表征光学材料的折射率随温度的变化率，又叫折射率的温度系数。

　　2.3光纤对振动的敏感性

　　振动对光纤的影响主要表现为：由于光弹效应，使得周期性振动在FOCT传感单元内引起的线性双折射发生周期性改变，影响系统输出的稳定性;传输光纤的振动也会导致光波在传输过程中的偏振态变化，影响测量的准确度。此外载流导线的舞动也会对输出结果产生影响。

　　3、全光纤电流互感器传感机理建模

　　全光纤电流互感器常用于高电压大电流系统中，在绝缘性、可靠性及抗电磁干扰方面都有很大的优势，也可用于测量直流电流，输出为数字信号，在智能变电站中有较广泛的应用。但是FOCT高压传感头一般工作在户外现场，受环境中温度、振动以及外界磁场干扰等因素影响较大，因此环境因素对FOCT运行性能的影响逐渐成为国内外同行业研究的重点和热点问题。

　　整个FOCT传感单元仿真模型是由一个无限长直导线(被测电流)和一个光纤微元(微米级)构成，从传感光纤一端(y=0处)入射一束线偏振光，观察光波在传输过程中偏振态的演化。

　　3.1几何建模

　　FOCT传感单元主要包括载流导线，传感光纤线圈，空气区域，其中核心部分为传感光纤线圈。为了简化分析，在COMSOL中，選择三维模型，建立圆柱体1作为载流长直导线模型，产生被测电流;采用基于偏振检测方法的全光纤电流互感器中，一般将传感光纤缠绕在载流导体上，因此传感光纤可简化为螺线管模型。

　　3.2物理场及边界条件、初始条件选择

　　磁场和光场都是基于麦克斯韦方程组，分别为不同频段的电磁波。在COMSOL中，分别选择MagneticFields模块和WaveOptics模块。在磁场模块中，设置初始条件：磁矢势A=(0，0，0);选择外电流密度，通过改变外电流密度Je值可模拟被测电流大小。

　　3.3有限元网格划分

　　完成几何模型的建立、材料选择以及物理场、初始条件、边界条件的设置后，需要对所建立的模型进行有限元网格划分。对于光波导来说，要求最大网格单元尺寸hmax必须是波长的几分之一，最常见的情况是hmax=λ/6。对于光纤微元区域，选择物理场控制网格，最大单元格尺寸为λ/6。

　　3.4求解器设置与后处理

　　对模型进行求解设置，本章建立的模型涉及光场和磁场两个物理场，首先选用稳态求解器计算磁场的分布，其次选用频域求解器求解光纤微元区域光波在磁场中的传播特性。经过求解器计算后，对结果进行相应的数据后处理以及图形可视化处理，可得到所需要的数据，如旋转角度、光场磁场的分布线图，此外也可得到磁场、光场的三维分布图形，可以十分直观清晰地分析光场和磁场的传输特性。

　　总之，全光纤电流互感器常用于高电压大电流系统中，在绝缘性、可靠性及抗电磁干扰方面都有很大的优势，进一步加强对其的研究非常有必要。

　　参考文献

　　[1]关远鹏.全光纤电流互感器关键特性研究[D].华南理工大学，2017.

　　《全光纤电流互感器传感机理建模分析》来源：电力与能源系统学报·上旬刊 2019年2期

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