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光纤电流传感器

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  • 发布时间:2015/3/2 8:34:17
  • 作者:银河电气
定义
光纤电流传感器是以法拉第磁光效应为基础、以光纤为介质的新型电流传感器。
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光纤电流传感器原理

  Tip:当线偏振光在介质中传播时,若在平行于光的传播方向上加一强磁场,则光振动方向将发生偏转,偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比,即ψ=V*B*l,比例系数V称为费尔德常数,与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应。1845年由M.法拉第发现。

01光纤电流传感器结构

图示:光纤电流传感器结构示意图 
  图示:光纤电流传感器结构示意图

  纤电流传感器主要由传感头、输送与接收光纤、电子回路等三部分组成(如图所示)。传感头包含载流导体,绕于载流导体上的传感光纤,以及起偏镜、检偏镜等光学部件。电子回路则有光源、受光元件、信号处理电路等。从传感头有无电源的角度,可分为无源式和有源式两类。

02无源式光纤电流互感器(OFCT)

  OFCT主要利用了法拉第磁光效应。即磁场不能对自然光产生直接作用,但在光学各向同性透明介质中,外加磁场H可使在介质中沿磁场方向传播平面偏振光的偏振面发生旋转。这种现象被称为磁致旋光效应或法拉第效应。
  当一束线性偏振光通过置于磁场中的法拉第旋光材料时,若磁场方向与光的传播方向相同,则光的偏振面将产生旋转。旋转角θ正比于磁场强度H沿偏振光通过材料路径的线积分:

 

旋转角计算

式中,V为磁光材料的Verder常数,旋转角度θ与被测电流i成正比。利用检偏器将旋转角θ的变化,转换为输出光强度的变化,经光电变换及相应的信号处理,便可求得被测电流i,如图所示。


 光纤电流传感器探头
图示:光纤电流传感器传感头

03有源式光纤电流传感器(HOCT)

  这是一种基于传统互感器传感原理,利用有源器件调制技术、以光纤为信号传输媒介,将高压侧转换得到的光信号送到低压侧解调处理,并得到被测电流信号的新型传感器。它既发挥了光纤系统的绝缘性能好、抗干扰能力强的优点明显降低了大电流高压互感器的体积、重量和制造成本,又利用了传统互感器原理技术成熟的优势,避免了纯光学互感器光路复杂、稳定性差等技术难点。
  有源OFCT是通过一次采样传感器(空心线圈或小CT,电阻分流器) 将电流信号传递给发光元件而变成光信号,再由光纤传递到低电位侧、变换成电信号以后输出。高压侧电子器件供电方式有光供电、母线电流供电和太阳能电池供电等。目前应用最多的是采用空心线圈的有源式OFCT,其组成原理图如图所示。

 有源式光纤电流传感器构成原理图
图示:有源式光纤电流传感器构成原理图

  空心线圈的截面为矩形或圆形,其感应电动势与线圈的尺寸、匝数以及一次电流有关,受外磁场和载流导体位置的影响小。因此,对空心线圈的输出电压积分即可还原为被测电流。
  以上内容摘录自光纤电流传感器的工作原理及应用,邓隐北、彭晓华。

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光纤电流传感器应用

  光纤电流传感器主要应用于电力系统中电流的测量;除此之外与电机制造厂、测量仪器仪表厂结合,还可研制开发线路事故点的标定装置及事故区间的判定装置等一系列电力系统的测量、诊断装置。


 柔性光缆的FOCT在中国电力科学研究院(武汉)做隔离刀开合闸测试现场
图示:带柔性光缆的FOCT在中国电力科学研究院(武汉)做隔离刀开合闸测试现场

高精度全光纤大电流直流传感器在中国计量科学研究院作现场校正测试
图示:高精度全光纤大电流直流传感器在中国计量科学研究院作现场校正测试

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光纤电流互感器优势
  (1)绝缘结构简单,尺寸小,造价低.由于光纤具有良好的绝缘特性,高低压之间的绝缘通过光纤再加上绝缘套来完成,从而使互感器的结构大为简化。虽然HOCT仍然具有铁心和线圈,但由于一,二侧均处于高压侧,一,二侧之间的电位差比较小,故不需要高压绝缘隔离,因此磁路短,尺寸小,电压等级的提高也不会带来太多的改变,因此适用于高压电力系统中。
  (2)测量准确度高.利用光的磁光效应测量电流,彻底抛弃的电磁式铁心绕组的结构,没有故障电流下的饱和漏电,测量也无磁滞效应,同时具有高的抗电磁干扰的能力和灵敏度,准确度。由于对一,二侧的绝缘不如传统的电磁式互感器高,因此采样电流的铁心线圈可以采用准确度较高的电流互感器,或者采用带气隙的铁心线圈,较好的暂态性能.二次侧所带的负载一般是电子线路,负载恒定,因此不要求二次线圈提供较大的功率,这样也有利于测量精度的提高。
  (3)设备安装和检修方便。只需要更换线圈的规格来适应不同的电压等级,而其他部件不需要更换,具有良好的升级性。
  (4)运行安全,不会产生二次开路的高压和采用油浸式所引起的爆炸等现象。
  (5)有利于变电站综合自动化水平的提高。由于传递到低压侧的信号都有数字接口,由数据采集系统进行数据处理,可以得到系统的运行情况.直接可以供测量和保护使用。此外采用数字化接口,还可以实行远距离遥控。
  (6)基于光纤互感器技术的MOCT和HOCT的测量动态范围宽,灵敏度高。