大电流光纤传感器系统的研制

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 4.4MB 71 页 15积分
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摘 要
随着当代经济的飞速发展，近年来国民生产对电力能源的需求越来越大，因此
电力工业伴随着多次工业革命也得到了极大的推动，使得电力传输的系统容量和
干路电压不断的增加，并且产业内对大电流的测量需求也越来越迫切。
本文针对以上需求，首先对大电流光纤传感器系统进行了市场调研、具体分析
了目前世界上该技术研究成果和可执行性风险估计。对大电流光纤传感器的工作
原理进行了系统的论述和实验分析。分析了可能造成系统误差的各个因素，并针
对性的提出解决办法。总结出了一套新的通过偏振态对电流进行检测的方法，该
方法具有灵敏度高、动态范围大、可以同时监控多物理量等优点。经理论和实验
的证实，该方法具有一定的可行性和改进空间。
我们在实验室搭建了一套环境仿真试验系统，该系统可以对各个环境变量进行
模拟，且各部分可控。该系统使用法拉第磁光晶体作为探头，采用光电混合模式，
经单模光纤与保偏光纤混合作为信号传输载体，偏振光通过偏振检测器得到偏振
态，并将偏振态信号传输到计算机终端。最后在终端中，通过邦加球、矢量分解
等方法对偏振态进行处理和计算，最终推导得到电流变化数值。
关键字：大电流测试 偏振态 邦加球 光纤偏振测试
ABSTRACT
With the rapid development of the contemporary economy, the demand of electrical
energy and power for the national product grew a lot during recent years. So the
industrial revolution gave a great boost to the development of the power transmissions.
On the other hand, the capacity of power transmission system and distributors voltage
are increasing, which made the needs of current measurement more and more urgent.
At first, to solve the above requirement, we made a market research and a detailed
analysis with the research results and enforceable risks on the field of optical current
transmission (OCT). The principle of the optical current sensors was discussed and
analyzed systematically in this paper. We try to find out the various factors which might
cause system errors, and gave the solutions for the serious problems. Then we summed
up a new method to test big current with the changing of SOP (state of polarization),
which has high sensitivity and big dynamic range. The system could monitor several
points in the same time. The method is theoretically and experimentally confirmed
successfully, which has certain feasibility and room for improvement.
We built a test system of environmental simulation, which could simulate various
variables and control its different part. The system uses a faraday magneto-optical
crystal as a probe, with the mode of optic-electronic. And the single mode fibers and
polarization maintain fibers are jointed as the carrier of signal transmission. The
polarization detector gets the state of polarization of the polarized light, which will be
sent to the computer terminal. Finally, the terminal process and compute the state of
polarization by Poincare sphere and vector decomposition then get the value of the
changing current.
Keywords: high-current measurement, SOP (the state of polarization),
Poincare sphere, polarization test
目 录
摘 要 .............................................................. 0
ABSTRACT ............................................................ 0
目 录 ............................................................. 0
第一章 绪 论 ..................................................... 1
§1.1 研究大电流光纤传感器系统的意义和行业背景分析 ................ 1
§1.2 行业近况及典型产品分析 ..................................... 2
§1.2.1 国内外相关产品应用现状 .................................. 2
§1.2.2 ABB FOCS – Fiber-Optic Current Sensors .................. 3
§1.2.3 阿海珐全光纤电流互感器 NXCT .............................. 5
§1.3 典型光纤偏振电流检测系统概述................................ 7
§1.4 论文主要研究方向概述 ....................................... 7
第二章 偏振测试理论基础 ........................................... 9
§2.1 光偏振理论基础 ............................................. 9
§2.1.1 光波的偏振 ............................................. 9
§2.2 偏振相关描述及特性 ....................................... 13
§2.2.1 琼斯矩阵与斯托克斯矢量描述 ............................. 13
§2.2.2 邦加球理论应用基础 ..................................... 15
§2.2.3 法拉第效应 ............................................ 18
§2.3 光纤中的偏振理论 .......................................... 20
§2.3.1 光纤基础 .............................................. 20
§2.3.2 光纤的偏振特性描述 ..................................... 22
§2.3.3 光纤偏振模色散（PMD） .................................. 26
§2.4 偏振实验器件 .............................................. 29
§2.4.1 波片和补偿器 ........................................... 29
§2.4.2 隔离器 ................................................ 31
§2.4.3 磁光器件 .............................................. 32
§2.5 偏振态控制及检测方法 ...................................... 33
§2.5.1 偏振态控制原理及几种偏振态控制方法比较 ................. 33
§2.5.2 法拉第效应偏振态控制理论 ............................... 35
§2.5.3 偏振态检测基础原理 ..................................... 36
§2.5.4 复杂的波片相位延迟量测量方法 ........................... 38
§2.5.5 斯托克斯参量的分振幅测量方法 ........................... 38
第三章 系统原理方法及组成 ........................................ 41
§3.1 主要测试仪表 ............................................... 41
§3.1.1 光学器件分析仪......................................... 41
§3.1.2 改造磁光晶体探头....................................... 43
§3.2 整体实验系统搭建 .......................................... 45
§3.2.1 实验系统原理概述....................................... 45
§3.2.2 整体实验系统框架....................................... 48
§3.3 温度及振动补偿模块 ........................................ 49
§3.3.1 温度补偿原理及系统设计 ................................ 49
§3.3.3 环境因素对光纤影响的验证试验 .......................... 51
第四章 数据处理及产品设计 ........................................ 54
§4.1 算法概述 .................................................. 54
§4.1.1 实验室系统及实验现象 ................................... 54
§4.1.2 算法原理 .............................................. 55
§4.2 整体产品设计思路 .......................................... 60
第五章 总结展望 .................................................. 63
§5.1 实验总结 .................................................. 63
§5.2 创新点 .................................................... 63
§5.3 未来展望及新思路 .......................................... 63
参考文献 ........................................................... 65
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果...................... 67
致 谢 ............................................................ 68
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 研究大电流光纤传感器系统的意义和行业背景分析
伴随着当今世界工业和经济的高速发展，国民生产对电力能源的需求越来越大，
因此电力工业伴随着多次工业革命也得到了极大的推动，但是却使得电力传输的
系统容量和干路电压不断的增加，并且产业内对大电流的测量需求也变得越来越
迫切。
传统大电流的测量方法是以电磁感应原理为基础的，在实际使用中，尤其是在
高电压、大功率、强电流的测试环境中暴露出了不少的缺点：
1．传统的电磁电流传感器系统的一二级之间往往靠电磁转换实现信息及能量
传递，如出现二次线圈开路故障，突变的大电流将成为大的激励源，故障强电流
将导致铁芯饱和并产生大电压，系统中会存在着极大的潜在危险。
2. 测量误差随着电流传感器的磁路长度电磁感应的动态范围不高，在短时间
的电流故障情况下，铁芯由于非周期变化电流分量的出现变得容易饱和，从而影
响测量最终的测试精确度。
3. 传统电流传感器拥有体积庞大，重量高，运输、安装检修都非常不方便的
缺点，在安装和工作运转时而且需要架设相应的绝缘装置，这在某种程度上也极
大的增加了安装的复杂性和危险性。
4. 此外，传统电磁传感器还具有磁滞效应、电磁干扰、铁磁共振的不利因素，
非常容易导致测量的不准确。
5. 传统型传感器的造价非常高，并且随着电压的增加，使得生产成本成指数
增长，对绝缘器件的要求也越来越高，并且不容易形成网络性，效率非常低。
因此传统的电磁感应电流传感器难以满足高精度、在线实时测量、高电压、大
量程的现代化测试要求，新型的光纤大电流传感器（OCT）将成为新一代电流测
试主要技术领域的生力军。
A.J.Rogers 在上世纪 70 年代提出应用光学进行电流传感的思路以来，光纤传
感技术经过了近 40 年的历史沉淀，与传统型应用霍尔效应的电流互感器相比，在
特殊环境如大电流、高电压测量的应用中，光纤大电流测量系统具有很多其他系
统不可代替的优势。
1. OCT 结构比较简单，由于应用了光学原理，所以对绝缘器件的要求不高，
相对传统型测试系统尺寸较小、造价变低，绝缘结构可以变得极为简化，而且不
第一章 绪 论
2
影响测试系统。即使电压等级提高，也不会导致绝缘结构成本随电压大幅增长，
所以在超高压环境中该系统非常合适。
2. 由于光纤电流传感器放弃了电磁铁芯，采用磁光效应原理，所以动态范围
非常大，反应速率高，可以实现大电流的非饱和测试，如此对于突发的故障大电
流也能实现精确的监控和测量。
3. 采用光学原理几乎完全避免了其他电磁干扰、磁滞效应、铁磁共振等消极
影响，极大的提高了系统测试精度、准确性和灵敏性。
4. 采用光纤作为传感器可以实现数据的远距离传输，对测试人员来讲，安全
性得到极大的提高。设备大部分采用低压元件，所以安装和检修也变得十分简单、
快捷，发生故障时只需将发生故障的部分替换即可，不需替换整套设备。
5. 光纤电流传感系统数据信号是数字信号，十分便于网络化的数据传输，可
实现网络化的节点布控, 大大提高系统的自动化测试能力。
综上，光纤大电流传感测试系统具有许多突出的优点，尤其是它的绝缘性能
高，成本低，体积小的优点受到很多行业性关注，并且这类系统的动态范围大，
频响宽，响应速率高，并可同时测量直流、交流及脉冲型大电流，可望成为高压
高磁场各种苛刻条件下测量大电流的新生代电流测量系统。
§1.2 行业近况及典型产品分析
§1.2.1 国内外相关产品应用现状
在上世纪七十年代大电流光纤传感器的设计理念被提出以来，在法拉第磁光
效应深入研究基础上，科学家们开始大力推广光纤电流传感器的研发。在八十年
代，第一代样机问世，它的额定测试电流为 2000A，由苏联直流科学研究院和列
宁格勒电器公司联合研制成功。到上世纪八十年代末九十年代初期，大电流光纤
传感器系统已经成为商品并开始投入运营，其中有些公司已经形成完善的商品并
挂网运营成功。进入 90 年代，光纤电流测试领域涌现出很多性能指标优异的产品，
如ABB 公司设计的一款量程为超 300kA 的系统，此外 3M 公司也宣布研制出了电
压等级为 500kV 的产品。针对欧美公司的大力投入，日资公司也在上世纪 80 年代
开始了该领域的深入研发。其中东芝、横河电机等公司已经研发出了成功投入运
营的系统。
在我国，该领域的研究起步比较晚，从公司投入、产品成果、性能指标上来
看都远远不及国外成熟产品，但是国家鼓励相关公司与国内高校进行联合研发，
在自主创新的同时，吸引优秀人才、优秀技术，因此在一定程度上推动了该项领
第一章 绪 论
3
域的技术发展。
其中我国首例产品挂网成功出现在 1989 年，由沈阳互感器厂研制。随后清华
大学、北航、西安交大等国内知名院校也逐渐展开了该领域的理论研究，提出了
性能相对优化的产品。但是国内的研究大多还集中在样机试验阶段，还没有出现
能够和国外公司向匹敌的产品。
随着我国现代化的发展进程，电力系统逐渐向 500KA 以上级别发展，能够实
现大电流的监控对国家电网长远发展及安全运营都有着十分重要的意义。此外，
光纤电流传感也涉及到其他高新技术领域的关键技术，如导弹、光纤陀螺等。最
近发生的动车追尾事故也是由于电流过大而没有及时报警等原因才造成惨剧，因
此，自主研发适合国情、性能优越的大电流光纤传感装置显得十分必要和紧迫。
§1.2.2 ABB FOCS – Fiber-Optic Current Sensors
第17 届光纤传感国际会议产品展览会中，ABB 公司推出了能够测试大电流的
光纤传感装置 ABB-FOCS，它可以测试双方向或多方向电流，最大量程可以达到
500kA，该产品机械性能稳定的同时，便于野外在线安装和进行人性化的系统研发
集成。这款产品也是目前精度最高、动态范围最大、环境温度影响最小的产品。
它的结构如下图所示。[1]
图1 -1 ABB 公司产品示意图
该产品应用法拉第效应，采用全光纤法拉第电流测试系统，由光源发出右旋
摘要：

摘要随着当代经济的飞速发展，近年来国民生产对电力能源的需求越来越大，因此电力工业伴随着多次工业革命也得到了极大的推动，使得电力传输的系统容量和干路电压不断的增加，并且产业内对大电流的测量需求也越来越迫切。本文针对以上需求，首先对大电流光纤传感器系统进行了市场调研、具体分析了目前世界上该技术研究成果和可执行性风险估计。对大电流光纤传感器的工作原理进行了系统的论述和实验分析。分析了可能造成系统误差的各个因素，并针对性的提出解决办法。总结出了一套新的通过偏振态对电流进行检测的方法，该方法具有灵敏度高、动态范围大、可以同时监控多物理量等优点。经理论和实验的证实，该方法具有一定的可行性和改进空间。我们在...

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