用于电力系统的光学电流互感器技术进展

介绍了光学电流测量技术的发展情况，描述了目前几种主要的互感器结构及其基本原理，并对各自存在的问题及解决途径进行了讨论。从研究现状来看，块状玻璃型传感器技术相对成熟，已经有商业产品问世；混合型传感器测量精度较高，但传感头有源电路的供电技术复杂，还没有圆满的解决方案；全光纤型是光学电流互感器发展的最终目标，目前存在的主要问题是光纤的固有线性双折射难以处理，有赖于新型光纤材料及集成光学元件的进一步发展。最后综合评述了光学电流互感器技术的发展趋势及产业化前景。     

光学电流传感器的新进展

利用法拉第磁电效应可实现电流的光学法测量.采用光学纤维或光学玻璃作为传感元件的电流传感器一直是研究和发展的重要课题.在本文中将概述光纤电流传感器中的主要问题,并着重介绍光学玻璃电流传感器的最新发展成果.     

OVMD-ICA算法用于光纤电流传感器降噪

提升数据处理能力是实现光纤电流传感器（FOCS）在微弱电流检测领域中应用的重要支撑。针对独立成分分析（ICA）算法对信源数量的要求和变分模态分解（VMD）对冲击噪声处理能力不足的问题，采用优化参数的变分模态分解与独立成分分析联合算法（OVMD-ICA算法），提升微弱电流检测能力。首先，在分析全光纤电流传感器输出信号的特征和噪声特性的基础上，以能量谱熵为目标函数，采用捕食者算法（HPO算法）获取模态参数K和二次惩罚因子α，完成变分模态分解。然后，通过设置相关系数阈值，对各模态函数分类并构建虚拟通道，以满足ICA对信源数量的要求，并采用FastICA算法实现盲源分离。最后，通过对比实验确定了该方法的有效性，发现采用所提方法能够实现3 mA微弱电流的识别检测。     

集磁式光纤电流传感器的研究

设计了一种应用块状磁光材料与集磁环相结合的集磁式光纤电流传感器。介绍了该传感器的结构及工作原理，构建了光纤电流传感器实验系统并进行了测试。实验结果表明，该集磁式光纤电流传感器在30kV工作电压下可准确实现30kA脉冲或连续电流的测量，为电力系统中高压大电流测量提供了一种切实有效的方法。     

测量光学玻璃电流传感头线性双折射的新方法

线性双折射是光学(含光纤)电流传感头的重要光学参量之一,会明显影响光学电流传感器的性能,因此测量光学传感头内线性双折射的大小对于提高光学电流传感器的性能有重要意义.本文报道了一种测量光学玻璃电流传感头线性双折射的新方法,以琼斯矩阵为数学工具给出了对该方法的理论分析及测量不确定度分析,并用实验方法给出了应用实例.此方法的主要优点是弥补了以前报道过的两种测量方法暴露出的无法唯一地确定光学玻璃电流传感头线性双折射的大小,或虽然能测定双折射大小,但测量不确定度较大的不足.实验结果表明:本方法可明显地提高测量准确度.     

特种九芯电缆传输函数

用三同轴实验装置进行电缆的电流注入法实验，研究注入电流i（t）与芯线感应电压u（f）之间的关系。测量系统包括三同轴实验装置、皮电流探头、芯电压探头和光纤传输系统（由光发射机、光纤、光接收机组成）。     

测量脉冲大电流的四光路光学电流传感器技术

 在传统光学电流传感器技术的基础上，提出了一种四光路光学电流传感器，其通过四路输出信号可准确确定偏转角，使电流的测量范围不受正弦函数的单调性的限制，从而提高了电流的测量范围。配合四光路结构，提出了新的反正切函数数据处理方法，其不存在角度不灵敏区、可纠正原始数据的缺陷，从而提高了测量精度。实测了充电电压为4.5 kV、电容为50 μF和导线有效穿过磁光探头14次的快开快门的总短路电流，其峰值达85 kA，与理论值87 kA能较好地吻合，从而证明了四光路光学电流传感器可有效地测量脉冲大电流。     

全光纤电流互感器的偏振误差研究

借助琼斯矩阵对全光纤电流互感器的偏振误差进行了研究.通过建立光纤电流互感器各主要光学器件的琼斯矩阵表达式,推出了反射式光纤电流互感器的干涉表达式,并分析了各光学器件主要参量对其测量准确度的影响.     

磁光玻璃光纤的偏振特性及其在全光纤电流传感器中的应用

在磁光玻璃裸光纤偏振特性研究的基础上，研制磁光玻璃光纤，偏振特性及其在全光纤电流传感器中的应用。将采用模管法拉制成的磁光玻璃光纤置于亥姆霍兹线圈产生的磁场中，当线偏振光通过该光纤时，其偏振面旋转一定角度，把该角度转换成光信号的强度，然后再用仪器进行检测。通过对线偏振光偏振面在磁场中的偏振特性的测试与实验，提出用磁光玻璃光纤构成的全光纤电流传感器，可用于电流和磁场测试。     

光纤大电流传感器非线性误差机理与抑制

非线性误差是基于Faraday效应的干涉式数字闭环光纤大电流传感器基本测量准确度的主要影响因素。考虑到传感光路中偏振交叉耦合、圆偏振态不理想等因素的影响，计算了与调制信号同频的干涉信号，得到了闭环反馈相移与被测电流之间的非线性跟踪关系。仿真结果表明：传感光纤线性双折射、1/4波片方位角及相位延迟误差、相位调制器输出尾纤偏振串音是光纤大电流传感器产生非线性误差的主要原因。需根据被测电流的动态范围相应提高相位调制器输出尾纤耦合及熔接对轴精度。通过求解光纤敏感环微分模型方程，提出了波片参数与椭圆双折射光纤拍长-螺距比的匹配条件，实现了传感器对Faraday效应的线性响应，降低了椭圆偏振传感信号造成的非线性误差。实验结果表明：采用参数匹配的1/4波片后，在6～500 kA范围内，传感器比例因子随被测电流的变化量为0.2%，相比于理想1/4波片降低了一个数量级。     

Optical current transducers using flint glass fiber as the faraday sensor element

This paper describes development of the optical current transducers using flint glass fiber as the Faraday effect sensing element. Excellent polarization properties of the fiber with low birefringence are described, and the design and test data of a current transducer using the fiber manufactured for use in electric power facilities are reviewed. Experimental results on flexible characteristics of a scheme with round trip light transmission in the fiber is also reported.     

光纤偏振态自动补偿的光纤电流互感器

提出了一种对状结构光纤电流互感器中的输入光纤偏振态进行自动补偿的新结构,并给出了理论分析和实验结果。这种结构使光纤电流互感器的稳定性和检测精度有显著提高。     

Modeling and simulation of polarization errors in Sagnac fiber optic current sensor

Sagnac fiber optic current sensor (S-FOCS) is a kind of optical interferometer based on Sagnac structure, optical polarization states of sensing light wave in Sagnac fiber optic current sensor are limited. However, several factors induce optical polarization error, and non-ideal polarized light waves cause the interference signal crosstalk in sensor, including polarizer, quarter-wave retarder, splice angular, birefringence and so on. With these errors, linearly polarized light wave in PM fiber and circularly polarized light wave in sensing fiber become elliptically polarized light wave, then, nonreciprocal phase shift induced by magnetic field of the current is interrupted by wrong polarization state. To clarify characteristics of optical polarization error in fiber optic current sensor, we analyze the evolution process of random optical polarization state, linear optical polarization state and circular optical polarization state in Sagnac fiber optic current sensor by using Poincare sphere, then, build optical polarization error models by using Jones matrix. Based on models of polarization state in Sagnac fiber optic current sensor, we investigate the influence of several main error factors on optical polarization error characteristics theoretically, including extinction ratio in polarizer, phase delay in quarter-wave retarder, splice angular between quarter-wave retarder and polarization maintaining fiber. Finally, we simulate and quantify nonreciprocal phase shift to be detected in fiber optic current sensor related with optical polarization errors. In the end, we demonstrate S-FOCS in test. The results show that transfer matrix errors are induced by inaccurate polarization properties during polarization state conversion, then, the stability and accuracy of the S-FOCS are affected, and it is important to control the polarization properties at each step of the polarization state conversion precisely.     

三相光学电流互感器中的光耦合器

三相光学电流互感器是以Faraday磁光效应为基础,以电力系统三相电流为测量对象的新型电力计量装置,它在电力系统计量和继电保护中具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力,本文论述了三相光学电流互感器的基本原理,重点分析了系统中光耦合器性能改变对三相光学电流互感器的影响,为三相光学电流互感器的建立、系统中光耦合器的选择和数据处理方法提供理论指导.     

基于光纤电流传感器的韦尔代常数优化测量法

韦尔代常数(Verdet)是决定光纤电流传感器(FOCT)灵敏度的重要因素之一。根据萨格纳克(Sagnac)干涉原理计算得到校准信号,并测量FOCT的实际输出信号,通过比较这两组信号建立目标函数,基于单纯形算法进行参数优化,从而得到石英光纤的韦尔代常数。实验结果与经典模型计算结果基本吻合。FOCT的输出信号经过测量电路会引入相位差;另外受到调制器和外界环境的影响,干涉回路的工作点会产生漂移,导致输出信号不对称而产生直流量。考虑到以上因素,提出的这种方法还能同时测量出电路的相位差、干涉回路的工作点以及反映非线性畸变的直流量。     

一种新型光纤电流互感器

提出了一种新的反射式偏振干涉电流互感器,建立了系统的结构模型,阐述了互感器的工作原理,给出了λ/4延迟器产生圆偏振光的方法和传感头的设计方案,最后给出了实验数据。其中经过λ/4延迟器的二束光除偏振方向互相交换外,它们都在同一根光纤中传输,周围环境产生的光纤伸缩等效应对互感器的输出几乎没有影响,因此可以排除外来的干扰。实验表明,全光纤电流互感器的误差基本满足0.2级精度,并且具有自动补偿功能,较好地消除了温度等环境影响,提高了互感器的信噪比。     

磁性流体薄片高电压电流光学测量的研究

研究一种用磁性流体薄片对高压电流进行光学测量的电流传感器。设计原理基于磁性流体的光透射率随垂直磁场强度的变化而变化的关系。磁性流体受到垂直外磁场作用,原先无序的磁性颗粒将凝聚在一起形成条条磁链,从而引起磁性流体的光透射率的变化。采用磁性流体作为传感媒介设计的传感结构避免了基于法拉第效应的光磁式电流互感器对环境干扰敏感造成信噪比不高和传统的电磁式电流互感器的高压绝缘的缺陷。通过改变磁性流体的浓度和基液,或者改变传感头的结构,来达到实际需要的传感灵敏度和响应时间。     

一种用于滑坡监测的复合光纤装置

针对滑坡体深部位移这一重要指标,基于光时域反射技术,设计了一种蝴蝶结形式的复合光纤装置用于监测深部剪切位移.该传感装置由方形聚氯乙烯树脂管、毛细钢管、光纤、砂浆组合而成.首先在40mm×40mm×500mm(厚2.0mm)的聚氯乙烯树脂方管四周开挖导槽,将Φ1×500mm毛细钢管放置在导槽中.然后用光纤穿入毛细钢管,光纤一端固定,另一端绕制成蝴蝶结形式.最后在聚氯乙烯树脂管外围浇筑Φ110mm的砂浆,制作成圆柱式复合光纤装置.室内边坡模型剪切测试台测试结果表明:该装置对深部剪切位移初测准确度为1mm,最大测量范围为40mm.分析表明该复合光纤装置具有灵敏度高、测量范围大、结构简单易于安装等优点,可以用于滑坡以及野外岩土结构工程等进行现场原位监测.