光学玻璃电流互感器研究进展

1光学玻璃电流互感器研究进展王政平，康崇，张雪原，郑志胜，林火养（哈尔滨工程大学理学院，哈尔滨市南岗区一曼街2号，邮编：150001）曾皞阳，杨会民（中国东北电网有限公司哈尔滨超高压局）王启胜（中国联通哈尔滨分公司）摘要：介绍了电子式电流互感器分类，块状光学玻璃电流互感器(BGOCT)的基本工作原理，回顾了BGOCT系统自身参数如反射相移、线性双折射等对BGOCT性能影响、工作环境对BGOCT系统的影响及信号处理技术方面的研究结果，并评估了可能的努力方向。关键词：光学玻璃电流互感器；Faraday效应；反射相移；线性双折射中图分类号：TM452文献标识码：A0.引言随着电网电压提高到超高压、甚高压，传统的电流互感器（CurrentTransformer:CT）已暴露出铁心易饱和，绝缘越来越困难，绝缘费用昂贵，充油易爆等内在的缺点。与其CT相比，电子式电流互感器（ElectronicCurrentTransformer:ECT）具有优良的绝缘性能，无磁饱和问题，动态测量范围大，测量精度高，抗电磁干扰能力强，频率相应宽等截然相反的优点。因而得到了各国电力行业相关部门单位的极大关注，在近年来得到不断发展。电子电流互感器是指利用备有电子器件的光学器件、或空心线圈（带有或没有内嵌积分器）、或是带有集成负载的铁芯线圈的、独立的或配有电子器件的电流—电压转换器。其中利用光学器件对电流传感的或传输信号的ECT称为光学电流互感器(OpticalCurrentTransformer:OCT)。对OCT可有不同的分类方法。按照高压区工作单元是否需要供电，OCT通常可分为有源型和无源型两大类；按照传感机理和传感头的具体结构，OCT又可分全光纤型、光学玻璃型、混合型、磁场传感器型和其它传感机理型[1]。1.块状光学玻璃型OCT工作原理光学玻璃电流互感器（BulkGlassOpticalCurrentTransformer:BGOCT）的基本工作原理2是Faraday效应，即加在光学介质上的外部磁场会使通过光学介质的偏振光发生偏振面的旋转的效应。其旋转角度由公式（1）决定。lVdlH（1）式中V是光学介质的Verdet常数；l是光在介质中的传播的距离；H是磁场强度。当磁场H是由图1所示穿过光学玻璃传感头的导体中的电流I产生，且光路围绕载流导体闭合时，利用安培环路定律上式可改写为IVNL（2）式中LN是围绕载流导体闭合光路圈数。由公式（2）可知，只要测出偏振光旋转的角度，即可计算出待测电流的大小。公式（2）通常被认为是BGOCT工作原理的数学表达式[1]。公式（2）还表明，利用适当的光路设计增加围绕载流导体的光路圈数可提高传感头灵敏度。图1光学玻璃电流传感头原理光路图Fig1.Schematicdigramofthebulkglasscurrentsensinghead2．BGOCT基本结构及其改进方案与全光纤型OCT相比，BGOCT的光学材料选择范围宽，稳定性较好，精度较高，受线性双折射影响较小，但存在加工难度大，传感头易碎，成本高等缺点，而且光在反射过程中引入的反射相移会使线偏光变成椭圆偏振光而影响系统性能。为克服反射相移的影响，已提出双正交反射方案[2]，临界角反射方案[3]和保偏反射膜方案（其中又分为多层保偏反射膜[4]与单层介质保偏反射膜方案[5]）。其中，双正交反射方案的原理是在光路中每个反射点处用两次反射代替原来的一次反射，并使第二次反射光的s、p分量与第一次反射光的s、p分量恰好旋转90，致使两次反射产生的相移互相抵消，如图2所示。对于交反射方案而言，已见利用增加传感头中光路数提高灵敏度的报道[6]。采用金属膜反射的、可开合式传感头则便于现场应用[7]。将双正交反射方案设计中最后一次向上的反射改为向下反射，使光路实现基本闭合，可提高系统抗外电磁场干扰的能力[8]。通过反射结构3使光路实现折返，也可提高检测灵敏度[9][10]，但由于在实现光路折返时并没有采取使线偏振光两个正交分量之间方向互换的措施，即便是严格按原光路返回，也不能抵消或降低线性双折射、反射相移等互易性因素的影响。图2双正交反射反射方案原理图Fig2.Schematicdiagramofdual-quadraturereflection-typedsensinghead基于临界角反射不产生反射相移的原理，有人提出了三角形传感头设计[11]和钳式传感头设计[12]。上述方案具备结构简单或使用方便的优点。由于临界角反射方案对传感头加工精度要求很高，近年来此方面的报告少见。Yoshino等人改进了多层保偏反射膜方案[13]。Robles等人则提出一种利用钴薄膜的传感头设计方案[14]，并通过对Faraday效应和Kerr效应的比较，证明了Faraday效应在同样的情况下能提供更大的旋转角。他们还对不同的信号处理电路结构进行了实验比较。3.传感头光学参量对BGOCT性能的影响3.1反射相移对BGOCT性能的影响图3四方形玻璃传感头的模型Fig3.Themodelofasquare-shapedsensinghead.4王政平等人以图2所示的四方形BGOCT传感头为物理模型，对反射相移对系统灵敏度、稳定性及抗外电磁场干扰能力的影响进行了理论分析，研究结果表明：要使传感头的灵敏度不低于理想模型灵敏度理论预期值的%90，则应将总反射相移控制在rad24.0（约为14）以内；反射相移的存在还会影响BGOCT的抗外场干扰能力[15-18]。在OCT系统中，光源的驱动电流与环境温度改变，都会造成光源峰值波长移动。由于反射相移具有色散特性，会使OCT的灵敏度随光源波长的变化而改变。研究结果表明：反射相移色散及Verdet常数色散均会对输出曲线的尺度因子产生明显的影响且二者间还存在联合效应。因此，为提高BGOCT的灵敏度，有必要对光源采取恒温与恒驱动电流控制，或是采取其它必要的补偿措施[19-21]。为了便于对BGOCT传感头反射相移进行实验研究，赵言诚等人提出了一种估算BGOCT传感头反射相移大小的方法，导出了测量不确定度公式[22]，并给出了测量示例。3.2线性双折射对BGOCT性能的影响尽管与纯光纤电流传感头相比BGOCT传感头中的线性双折射要小得多，但对系统性能还是存在明显的影响。研究表明：当反射相移可忽略不计、法拉第旋转取小角近似时，玻璃头内线性双折射对系统输出的影响因子可表示为4)4sin(，式中为在光路的每个臂上由线性双折射产生的相移[7]。该结论从理论上证明了线性双折射对块状光学材料传感头的影响与对全光纤系统的影响[23]具有相同表达式。王政平等人对此进行了进一步研究，导出了适用于任意入射起偏角的、具有普遍意义的输出信号与线性双折射及入射起偏角之间函数关系[24]：)4sin()2(sin)sin(2),(2总总总VIUout（3）式中：为线性双折射，为入射起偏角。（3)式表明：线性双折射将以抽样函数的形式影响输出特性曲线的斜率，同时还会以)2/(sin2总的形式影响入射起偏角对输出曲线截矩影响的程度；输出曲线的截距随起偏角改变则呈正弦样变化，当入射起偏角为0、45或90时，曲线截距为零。为便于对线性双折射的实验研究，王政平等人报告了测量BGOCT传感头线性双折射的几种方法[25-28]，给出了相应的测量不确定度分析和应用实例。在上述方法中有的需使用4波片。尽管其相移量的理论值为2，其实际相移量（不计整数倍2）往往并非如此。这5会对线性双折射的测量引入不小的误差。为解决这个问题，王政平等人还提出了一种测量4波片实际相位延迟角的方法[29]，并给出了应用实例及其实验验证结果。从而提高了对线性双折射的测量精度。由于线性双折射的大小随波长改变而变化，而且BGOCT系统所用的光源发光的中心中心波长也会随环境条件及工作条件的波动而产生涨落。故有必要研究BGOCT传感头内线性双折射色散特性及其对系统性能的影响。对此课题王政平等人开展了研究工作，从理论上预报了线性双折射色散特性及其对系统性能的影响的程度[30]。3.3偏振器件对BGOCT系统性能影响研究对起偏片消光比和预偏角误差对BGOCT输出特性的影响的研究结果表明：偏振片的消光比和预偏角误差均可在BGOCT的输出中引入直流分量，并使尺度因子发生一定的改变。当最终输出信号用交流电表度量时，输出信号中引入的直流分量可被交流电表中的自带的隔直电容滤除，尺度因子的改变可用后续信号处理电路中的放大单元矫正[31]。BGOCT中用于对输出光束检偏的偏振分束器消光比随温度变化时，将会使系统产生较大测量误差，采用改进的差除和信号处理方案有助于减小这种影响[32]。4.工作环境对BGOCT系统的影响及补偿措施BGOCT系统的工作环境的温度、压力、振动等因素对系统性能均会产生不利影响。这些影响是通过构成系统的各个器件及单元的性能实现的，但又表现为系统的整体性能。因此提高系统对环境改变的耐受性能，应从改善各器件性能入手，但可从整机性能方面予以考察。环境温度改变是影响系统稳定性的重要原因之一。BGOCT传感头性能不仅受温度变化的影响，还受温度梯度变化的影响。在一定的温度范围内，温度变化产生的影响具有重复性，且不影响其测量的线性度，可用软件处理测量数据的方法补偿。温度梯度的变化对BGOCT的测量结果有较大影响，过大的梯度变化甚至会使BGOCT探头失效并不可恢复。通过对BGOCT探头采取的隔热、均热措施及SF6气体的缓冲作用，在外部温度变化不超过hC8时，传感头的稳定性可控制在%5.0以内[33]。环境温度的波动还会引起保偏反射介质膜反射相移量的变化，从而影响系统的温度稳定性[34]。振动是影响系统稳定性的另一个重要原因。一方面，由于制作传感头的光学玻璃存在弹光效应，周期性振动会引起传感头内线性双折射的周期性改变，从而影响系统输出的稳定性。其次，如果振动引起载流母线在原来固定的位置附近范围内摆动，也会影响系统输出的稳定6性。第三，振动对上行传导光纤（自光源至起偏器的这段）的作用会使进入起偏器的光强发生波动，从而对系统产生不良影响。研究表明利用长多模光纤的消偏和消相干性能，结合选用低相干光源，可有效地抑制振动在光纤中产生的噪声，且采用仅仅使斜向光束耦合进多模光纤的技术可有效抑制振动噪声[35-36]。Fisher等人介绍了一种用于玻璃棒电流传感器、使用两条下行光纤、可抑制共模光噪声的新方案[37]。因为该方案要求两个下行通道，包括下行光纤、光电探测器、及放大器在性能上完全一致而降低了其实用性。利用脉冲延迟法，仅用一条下行光纤的改进方案解决了该问题[38]，该系统经过具有g30加速度Hz60的传导光纤振动实验，结果表明几乎可完全抑制振动噪声。黄宗军、王政平等人研究了反射相移对BGOCT振动稳定性的影响[39]，并给出了反射相移非零情形下系统输出随母线偏离中心位置变化的等值线。5.BGOCT信号处理技术研究BGOCT属于偏振检测技术范畴，经典的检测方案包括单探头方案、差除和方案及及改进的差除和三种基本方案。对这三种方案的比较结果表明，改进的差除和方案灵敏度最高且噪声最小[40]。对于由于振动产生的乘性噪声和输出信号的归一化问题，在信号处理过程中利用对数处理可将原本无法用一般滤波技术消除的乘性噪声转换成加性噪声，然后通过窄带滤波器进行滤除的方法来解决[41]。在测量小电流时，信号会被噪声严重干扰甚至淹没。由于OCT内部的噪声基本上与被测电流信号所在的频段相重叠，因此难以用传统的滤波方法将其滤除。李岩松等人将一种基于自适应滤波技术的信噪分离方法应用于OCT上，并在河北省保定市供电局某变电站110kv线路上挂网运行[42]。实践证明，自适应信噪分离器可以将有用信号和OCT的固有噪声不失真的完全分离，从而提高了OCT测量小电流的准确度。随着电站微机继电保护技术发展，BGOCT与微机保护系统之间的数字信号接口技术研究也受到重视。。对一种采用C32CS型浮点数字信号处理板及数字信号处理编程算法的输出接口的