有源型光纤电流互感器的研究

量 。测量 时 ， 高压 侧 电力母 线上 的 电流信 号通 过 测量 线 圈将 电信号 传递 给发 光元 件而 变成 光信 号 ． 由光 再
分 ： 压端 部分 、 高 低压 端部 分 和高 、 低压 部分 之 间的传 输 部分ｆ 光纤） 高压端 中 ， ｏｏ ｓｉ 圈用 于测 传输 。在 Ｒ ｇｗ ｋ 线 量， 电流 互感 ｆｒ线 圈 为高 压端 部 分所 有 的 电子 和光 Ｃ） ｒ 电子 器件 提供 能量 ． 量线 圈（ ｏｏ ｓｉ 出 的电压信 测 Ｒ ｇｗ ｋ） 输 号 。 过积分 单元 和模／ （ ／ 换 ） 通 数 Ａ Ｄ转 单元转 换 成数 字
收 稿 日期 ：０ ９ ０ — ６ ２０ — ３ ０ 。
目前 从 已发 表 的有关 文 章 来看 。 电子 式 电流 互 对 感器 的分 类 方 法不 尽 相 同 ， 据高 压侧 是 否 需要 供 电 依
电源可分 为有 源型 和元源 型 。 无源 型 电流互感 器 的组成 如 图 １ 所示 。
ＬＵＱ－ｈ ， Ｉ ｅｇ Ｌ ｉ ｕＬ ＵＦ ｎ ， ＵＸ ，Ｈ ｚ Ｚ ＡＮＧ ａ－ｍ， Ｉ ｅ－ｏｇ Ｂｏ ｔ Ｂ ｊ ｎ ｊ Ｗ＿ ｈ
（ ｆｒ ｔ ｎＳ ｉ ｃ ｄＥ ｇ ｅｒ ｇＣ ｌ ｇ ｆ Ｉ ｏｍａｉ ｃ ｎ ｅ ｎ ｎ ｉ ｅｉ ｏｌ ｅ ｎ ｏ ｅ ａ ｎ ｎ ｅ ｏ
传感技术与电子技术相结合的方法， 研制 出电压等级为 １０Ｖ 额定电流为 ｌＡ的样机 。该样机 已经通 １ｋ ， ｋ 过有关测试， 其精度达到 ±０２ 。 ．％ 与传统的电流互感器相 比， 这种新型光纤电流互感器具有精度 高、 体积 小、 价低 、 造 良好 的动 态特 性 和不受 电磁 干扰 等优 点。 关键词 ： 光纤传感； 电流互感器；ｏ ｏ ｓ ｉ Ｒ ｇｗｋ 线圈； 电力系统； 信号处理
类 电子 式 电流 互感器 的主攻方 向 有 源 型电子 式 电流互 感器 ． 压端 的传 感 部分 采 高 用 的是 电子器 件 ， 不是磁 光 晶体或 光纤 ， 因此 ， 干扰 抗 能力 相 对 比较 强 。 期 工 作稳 定 性好 ． 易 实现 高 精 长 容 度 、 能稳 定 的实用化 工业产 品［Ｊ 性 ６。 － ｇ
器 固
中 文核 心 期 刊
有源型光纤 电流互感器 的研 究
卢启柱 ， 丰 ， 鑫 ， 刘 芦 张保 军 ， 毕卫 红
（ 山大 学 信 息科 学与 工程学 院 ， 燕 河北 秦皇 岛 ０ ６ ０ ） ６ ０ ４
摘 要 ： 计 了一种 新型 光 纤 电流 互 感 器 （ｐ ｉａ ｆｂ ｒＣ ｒｅ ｔＴａ ｓｏｍ ｒ 简 称 ＯＴ ， 用 光 纤 设 Ｏ ｔｃ １ ｉｅ ｕ ｒｎ ｒｎ ｆ ｒｅ ， Ｃ） 采
电压侧 ， 光／ 经 电变换 单元 、 大 单元 最 后通 过 信 号输 放
出单 元输 出。 有源型 电流互感 器的组 成如 图 ２所示 高压侧部
分 需 要 供 电 电源 ．为高 压端 部 分 所有 的器 件 提供 能
２实 验 原理
经 过权衡 各 方 面的利 弊 。最后 采用 有 源 型结构 ． 其实验原 理框 图如 图 ３所示 整个 系统被分 为 三个部
Ｋ ｙ ｗｏ ｄ ： ｐ ｉａ ｂ ｒ ｅ ｓ ｒ ｃ ｒｅ ｔｒｎ ｄ ｃ ｒ ｒ ｇ ｗｓｉ ｏｌｐ ｗｅ ｓ ｍｓ ｄ ｇｔｌ ｉｎ ｌ ｒ ｃ ｓｉ ｇ ｅ ｒ ｓ ｏ ｔ ｌ ｅ ｎ ｏ ， ｕ ｒｎ ａ ｓ ｕ ｅ， ｏ ｏ ｋ ｉ ｏ ｒｓ ｔ ｃ ｆ ｉ ｓ ｔ ｃ ， ｙ ｅ ， ｉｉ ｇ ａ ｏ ｅ ｓ ａ ｓ ｐ ｎ
感应 原 理制 作 的 ， 而要 求 在 高 、 压 端之 间提 供 复 因 低
杂 昂贵 的电气 绝 缘 随着 输 配 电 电网朝 着 高 电压 、 大
容量 方 向的发展 ．不仅 使高 电 压等 级 的 Ｃ Ｔ变 得 越来 越 笨重 ． 价格 越 来 越 昂贵 ． 而且 给 运 输 和 安装 带来 困
为 与 电磁式 电流互 感 器 相 区分 ． 据 国际 电 工委 根
员 会 ｆ ｔ ｎ ｔ ｎ ｌ ｌｃ ｏ ｃ ｎｃ ｏ ｍｉ ｉ ． 简 称 Ｉ ｅ ａ ｏ ａ Ｅｅｔ ｔ ｈ ｉ Ｃ ｍ ｓ ｏ ｎｒ ｉ ｒｅ ｌ ａ ｓｎ
及 周 围设备 及操 作 人 员 的生命 安 全等 一 系列 问 题 ， 难 以满 足新 一代 电力 系 统在 线检 测 、高 精 度故 障诊 断 、 电力 数字 网 等 的发展 要求 ， 使 人们 研制 更 为 先进 的 促
基 金 项 目 ： 家 自然科 学 基 金 资 助 项 目“ 压 电 子互 感 器 的 基 础理 论 及 国 高
其 应 用技 术 的研 究 ” ５４ ７ ０ ） （０ ７ ０ １ 。
在 图 ｌ １ ， 用 的传 感 头 （ 磁 光 晶体 ） ｆ中 采 ａ 如 一般 基 于法拉第 （ａａ ａ） 应原 理 ， Ｆ ｒｄ ｙ 效 即磁致 光旋 转效应 。 当一 束 线偏 振 光通 过放 置 在磁 场 中 的法 拉第 旋 光 材料 后 ，
难． 此外 ． 电磁 式 Ｃ Ｔ本 身存在 的磁 饱 和 、 磁 谐振 、 铁 动 态 范 围小 、 易燃 易爆 、 易受 干扰 以及 Ｃ Ｔ的次 级开 路危
使用 光 纤传 输信 号 ．还 可 以有 效 地 防止 电磁 干扰 ； 输 出可 以方 便地 与计算 机接 口等『 ３ １ 。
１实 验 方 案 的确 定
本 身及 光 学 器件 的 双折 射效 应 及 费尔 德 常数 （ ｅｄｔ Ｖ ｒｅ １
随着 环 境 因 素（ 如温 度 、 力 、 压 震动 等） 的变 化 而 变化 ，
圈 ２ 有 源 型 电子 式 电 淹 互感 嚣 的 组成 框 圈
影 响测 量 的精 度 和 稳定 性 。 给整 个 光路 的调 整 、 准 校 及 防震 等带来 了很大 的 困难 这 些因素是 以上无 源型 电子式 电流互 感器 应用 的 主要障 碍 ． 当然也 是 研制 这
作者简介： 卢启 柱 （９ １ ） 男 ， 研 究 员 ， 士 ， １６ 一 ， 副 硕 主要 从 事 高 压 光纤 电 流 互 感 器 的研 究和 光 纤 通 信 及 光 纤传 感 应 用 方 面 的 工作 。
． 通信 拽 采 允 ２０ ０ ９年第 ６期
窝 固
卢 启柱 ． 丰 ． 鑫 ， ： 源 型 光纤 电 流 互 感器 的 研 究 刘 芦 等 有
ｉ ｒ ｅ ｓｒｎｃｎｕ ｃｉ ｔ ｒ ｉ ｌ ｐｏ ｌ ｔ ｎｃ ｅｎ ｑ ｅ ａ ｄｄ ｓ ｄｔ Ｃ ｆ ｅ ｎ ｏ ｏ ｊｎｔ ｎｗｉ ｌ ｂｅｏ ｔｅ ｃ ｏ ｉ ｔ ｈ ｉｕ ， ｎ ｅｉ ｅ ｅＯ Ｔ （１ ｋ ｎ ｋ ） ｂ ｓ ｉ ｏ ｈｅａ ｅ ｒ ｃ ｎ ｇ ｈ １ Ｖ ａ ｄ ｌＡ ， ０
新型 电流互感 器【１ ｌ。 １ ２
Ｉ Ｃ 文 件 ． 新 型 的 电流互 感 器 统称 为 电 子式 电流互 Ｅ） 将 感器 。
利 用 光 纤 传 感 技 术 和 电子 技 术 所 研 制 的有 源 型
光纤 电流互 感器 （ ｐｉ ｌ ｂｒＣ ｒ ｎ Ｔａ ｓ ｒ ｒ简 Ｏ ｔ ａ ｆ ｅ ｕｒ ｔ ｒｎｆ ｍｅ， ｃ ｉ ｅ ｏ
Ｒ ｇｗ ｋ ｏｏ ｓｉ ￣ Ｃ Ｔ
ｆ 无 源 型 ａ ）
（） 源 型 ｂ无 围 １ 电 子 式 电藏 互 感 嚣 的组 成 框 圈
圈 ３ 实 验 原理 框 图
具 有结 构简单 ．完全 消除 了传统 的 电磁感 应元 件 ． 无
磁饱 和 问题 。 灵敏 度高 等优 点 。但 是 在实 际研 制过 程 中还 存 在着许 多 问题 。如 它们 的光源 、 光纤 及 信号 的 处 理技 术等 要求 比较高 。更 重要 的是 ， 系统 所 用 光纤
０ 引 言
目前 ． 电流 的测 量仍 然 主要 依 靠传 统 的电 流互 感
器 （ ｕ ｅｔ ｒｎｆｆ ｅ 简 称 Ｃ ， 于 它 是 基 于 电 磁 Ｃ Ｉ ｎ ａｓ ｉ ｒ Ｔ Ｔ ｏｎ Ｔ） 由
称 ＯＣ ） 与传 统 的 电流 互 感 器 相 比 ， Ｔ。 主要 优 点 如 下 ：
不含油 ． 尺寸 小 ． 缘结 构 简单 （ 绝 电压等 级 越 高就 越 能 显 示 出传 统 的 Ｃ Ｔ所 不能 比拟 的优越 性 ） 没 有安 全 隐 ． 患； 传感 线 圈 （ ｏｏ ｓ ｉ不 含 铁 芯 ， 有 磁饱 和现 象 ， Ｒ ｇｗ ｋ ） 没 测量 范 围大 ， 度 高 。 有 良好 的稳定 性 和暂 态 响应 ； 精 具
若 磁 场方 向与光 的传播 方 向平行 时 ． 出射 线偏 振 光 则 的偏振 平面将 产 生旋转 ． 电流信号 产生 的 磁场 信号 即
对偏振光 波进行调 制 。 在 图 ｌ ） ， 感 头采 用光 纤 本身 经 过 特殊 绕 制 ｆ） 传 １中
而成 ． 作为 传感 头 的光 纤 中携带 电 流信 息的 光传 到低
ｗｈ ｃ ａ ｅ ｎ ｔ ｓｅ ｎ ｔ ｃ ｕ ａ ｙ ｃ ｕｌ ｃ ｅ ｅ ４ ． ％ ． ｉ ｈ ｈ ｓｂ ｅ ｅ ｔ ｄ ａ ｄ ｉｓａ ｃ ｒ ｃ ｏ ｄ ａ ｈｉｖ －０ ２ Ｃｏｍｐ ｒ ｄ ｔ ｈ ｏ ｖｅ ｔｏ ｌｃ ｒ ｅ ｔｔａ ｓ ａ ｅ ｏ ｔ ｅ ｃ ｎ ｎ ｉ ｎａ ｕ ｒ ｎ ｒ ｎ — ｆ ｒ ｅ ，ｔ ｅ ａ ｖａ ｔ ｇ ｓｏ ｏ ｍ ｒ ｈ ｄ ｎ ａ ｅ ｆｔ ＯＣＴ ｒ 【 ａ ｃ ａ ｙ ｏｗ ａ ｔ ｍａ ｌｓｚ ，ｅ ｃ ｌｅ ｙ ｍｉ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｈｅ ａ ｅｈｉ ｃ ｕ ｃ ，ｌ ｃ ｓ ，ｓ ｌ ｉ ｅ ｘ ｅｌｎｔｄ ｎａ ｃ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉ ｓ ｒ ａ ｄｉ ｎ ｍｍｕｎ ｔ ｏ ｅｅ ｔｏ ｇ ｅ ｉ ｅ ｆ ｒｎｃ ． ｉｙｆ ｍ ｌｃｒ ｍａ ｒ ｎ ｔｃ ｉ ｒｅ ｅ ｅ ｎｔ
Ｙａｓａ ｉｅｈｎＵｎｖｒｉ ， ｎ ａｇ ａ ｂ ｉ ６０ ４ Ｃ ｉａ ｔ ｈ