光纖大電流傳感器研究

0 引 言
隨著電力工業的迅速發展，電力傳輸系統容量不斷增加，運行電壓等級越來越高，不得不面對棘手的強大電流的測量問題。一次儀表和二次儀表之間的電絕緣和信息傳遞的可靠性要求可能使傳統的測量手段無用武之地。而在高電壓、大電流和強功率的電力系統中，測量電流的常規技術所采用的以電磁感應原理為基礎的電流傳感器(簡稱為CT)，暴露出一系列嚴重的缺點：由爆炸引起的災難性事故的潛在危險；大故障電流導致鐵芯磁飽和；鐵芯共振效應；滯后效應；輸出端開路導致高壓；體積大、重量大、價格昂貴；精度無法做得很高；易受電磁干擾影響。傳統CT已難以滿足新一代電力系統在線檢測、高精度故障診斷、電力數字網等發展的需要將光纖傳感技術引入到電流檢測中的光纖電流傳感器(簡稱OCS)成為解決上述難題的最好方法。
自從1973年，AJRogers首先提出光學電流傳感的想法以來，光纖傳感技術已發展了20多年。與普通電磁互感器相比，在高強電流測量應用中光纖電流傳感器具有以下優點：光纖電流傳感器沒有磁飽和現象，也不像通常的電磁互感器的動態工作范圍受磁飽和效應的限制；光纖電流傳感器抵抗高電磁干擾，對環境的要求低；光纖電流傳感器可以在較寬的頻帶內，產生高線性度響應；光纖電流傳感器體積比較小，安裝使用比較方便等。
總之，光纖電流傳感器具有許多優點，尤其是它的絕緣性能好，體積小，成本低，并且頻帶寬，響應時間短，可同時用于測量直流、交流及脈沖大電流，因此可望成為高壓下測量大電流的理想傳感器。

1 傳感器原理及光路設計
光纖電流傳感器利用磁光材料的法拉第效應，在光學各向同性的透明介質中，外加磁場H可以使在介質中沿磁場方向傳播的平面偏振光的偏振面發生旋轉，偏轉角度通過檢偏器可確定。其原理如圖1所示，B為兩偏振器夾角，θ為平面光通過磁光晶體后發生的偏轉角。

其旋轉角θ與光傳播的磁光材料上的磁場中強度H和磁光材料的長度L成正比：當H一定時，旋轉的角度θ為：
θ=vHL (1)
式中：v為verdet常數；H為磁場強度；L為磁光玻璃長度。通電長直導線磁場公式：
H=I／2πr (2)
入射光強為P0，由馬呂定律得出射光強為：

由式(3)可得出：

再由式(4)可得：當P=P0時，Imax=2πrB／vL，只要角B越大，所能測的最大電流值也越大，所以在實驗中常用增大角B的辦法來增大其測量范圍。但在實際中，角B的增大到一定值后會使光路的調焦變得更困難，并使小信號更難測量，在以往實驗中一般取B=45°或相差不大的值。在該實驗中選用2 mw的激光器作調整光源，在第一次調焦時把磁光晶體的出射光投到1 m外的地方以便消除可能出現的雙折射，并用光學膠密封各接合面，使光路調整更容易操作，因此角B選擇了80°。上式中，夾角B在傳感器完工后是定值，因此只要測得P，P0值就可得到電流值。