4.3光纤电流传感器及其应用在线视频

同学们

大家好

我们前面介绍了光传感技术概述

这节我们来看一下

光纤电流传感器及其应用

光纤电流传感器

实际上是

早期的电流互感器的一个升级版

电流互感器我们把它叫做CT

是电能计量和保护控制的重要的设备

它的测量的精度和运行的可靠性

与电力系统的安全与经济运行密切相关

基于电磁感应原理的电磁式CT

具有结构简单

稳态电流测量精度高的优点

然而

在短路的故障情况下

电磁式CT会出现严重的磁饱和现象

导致输出的二次电流波形严重的失真

影响继电保护设备的正常的动作

所以我们要引入光学电流互感器

称为OCT

它是主要基于法拉第效应

由于它具有无饱和

绝缘性好

抗电磁干扰

信号传输距离远等优点

所以引起了人们的广泛的关注

被公认为

传统电磁式CT的理想的替代产品

但由于

它还存在着测量精度

和运行稳定性等问题

影响了其实用化的进程

这里我们介绍一种

自适应的OCT简称为AOCT

我们来看一下OCT的基本的原理

OCT基于法拉第磁光效应

即磁光材料中线偏振光的偏振面

因受到外加磁场的作用而产生旋转的现象

如果磁场的方向

与线偏光的传播方向平行

则出射光的偏振面

相对于入射光的偏振面旋转的角度θ

可以用如下的这个公式来表示

这个公式里边的V

称为磁光材料的费尔德常数

H就是磁场强度

L是磁光作用的有效的长度

OCT中

光强为I₀的自然光

经起偏器后成为线偏光

这个线偏光

入射到外磁场作用下的磁光材料中

经偏振分束器分为两束

并分别入射到两只光探测器中

取起偏器

与偏振分束器的夹角为四分之π

则根据马吕斯定理

两探测器接收到的正交偏振光的光强

可以分别表示为如下的关系

第一个J1p

第二个J1s

大家可以看到

和这个角度θ是有关系的

利用这两个关系

我们就可以得到θ等于

如下的这样一个公式

所以我们只要测量了J1s J1p

实际上就可以得到θ

而这个θ

和我们加的电流是有关系的

根据安培环路定律

如果是单匝的光纤环路的话

那磁场对应的电流就可以得出来

I等于θ/V

V就是刚才的那个参数

所以θ知道了

V我们知道

实际上就可以测量电流

这就是OCT测量的原理

就是测量角度

然后把这个角度转变成相应的电流

我们看一下OCT的基本的结构

光纤OCT的整体的结构

如这个图所示

光源发出的光

经过透镜照射的磁光材料上

这个磁光材料上加了磁场

磁场就利用刚才说的法拉第效应

对线偏光就可以引起它的角度的旋转

然后我们进行自聚焦

然后

就可以把这个光信号变为电信号进行检测

测量出刚才说的两个强度

就可以得到角度

角度反过来

就可以来得到相应产生磁场的电流

实际上就是这样一个道理

OCT的传感探头主要的有全光纤结构

块状结构

和集磁环式结构三种

全光纤结构是将

传感光纤缠绕在通电的导体的周围

块状的探头

通过特殊的光学加工

使偏振光

在磁光玻璃中围绕通电的导体旋转

集磁环式探头

是将磁光材料置于磁环缺口中

被测的线路置于磁环的中央

具体的探头的结构

如这里的图所示

大家可以看

第一个图是全光纤结构

光纤环路围绕的传导这个电流

因为电流产生磁场

磁场就会

让光纤里面传出光的偏振态发生变化

但是它都是全部是光纤的

第二个是一个块状的探头

就是外面这一圈方的

里边传出的偏振光

它的被测的电流在中间

同样的它产生磁场

让这个块状的这个玻璃里边的

传输的偏振光的偏振方向旋转

第三个

被测的电流也在中间

然后它的光这里这个缺口

入射光从一端进去从另一端出来

然后同样的

它的这个光的偏振方向会受到

电流产生的磁场的作用使得它偏转

所以

测量这个光的偏振面的这个变化

实际上就可以得到中间的电流

这是常用的三种

光纤探头

块状探头

集磁环探头的这样一个结构

那我们来看一下AOCT的结构及应用

为解决常规OCT测量精度

和运行稳定性问题

人们设计了新型的AOCT

这个A叫自适应

如这个图所示

是AOCT的整体结构图

它的传感部分

由光学的传感头

和取样的电磁式互感器

共同组成

也就是说它这里的传感实际上

包括了光学的传感部分和常规CT部分

两个部分

共同来测量相应的电流

这里的光学部分

它的用光电池来供电

而这个光电池的供能用激光

所以这里用激光供能这样一种方式

信号统一的用光纤来传输

这里画的这个光纤来传输

这样的话我们就能充分的发挥

光纤的高绝缘性

因为光纤我们说过了是二氧化硅做的

又能综合提高系统的

暂稳态的测量的精度

那么为了测量

它的精度的这样一个提高

AOCT以稳态的参考模型

提供的高精度的基波电流测量值为基准

应用自适应的算法

对光学传感头输出的稳态电流中的基波

谐波

暂态的电流进行自适应的校正

为满足AOCT自适应控制的准确性

及时变噪声的鲁棒性的要求

采用了时变噪声统计的

平方根Kalman自适应滤波算法

滤除了一些噪声

为将稳态的测量

期间获得的校正系数应用于暂态

应用了小波变换的方法

对电流信号的奇异性

进行检测

整体的算法

如下面的这个图

就是刚才说的主要的三点

稳态电流参考模型作为它的基础

小波分析作为它的一些奇异性变化的监测

平方根Kalman自适应滤波就是滤除噪声

从而让它的测量的精度

很大的这样一个提高

为提高稳定性

它基于光绕磁与磁绕光的等价性

采用了螺线管磁聚光路的结构

提高了光传感探头的长期运行的稳定性

这个图就是螺线管的聚磁光路的结构图

它的核心的区别

和原来的常规的

传感头的区别大家可以看到

它采取的是磁绕光

为什么磁绕光

这个被测的电流形成

这样一个环路

而它的光是在中间的磁光材料里面走了

所以这里是磁绕光

前面大家看到的探头全是光绕着磁走

这样它的稳定性就会很大的提高

根据这一点而做成的AOCT

在实际的运行的35kV变电站里边的

这是它的安装以后的场景

就可以来测量相应的变电站的这个电流

这是具体的一个对比的结果

大家看这里的左边的这个图

大家可以看到

对常规的CT

它有直上直下那个地方

实际上就是产生了磁饱和现象

而AOCT

大家可以看到它这个曲线非常光滑

非常光滑

这左边的图是在故障期测量的

后面的右边的这个图是在故障的后期

大家可以看到两种方式

最终会达到一个稳定的测量

就是达到了一个重合的一个状态

这里的B相

里面没有CT所以只有AOCT

所以从这里的比较大家可以看到

AOCT的测量效果是非常好的

稳定性

测量的精度都大大的提高

并且克服了

常规CT的磁饱和的这样一个问题

好

我们来总结一下

这节我们讲了光纤电流传感器及其应用

最主要的说了OCT的原理

OCT的结构

AOCT的结构

以及它在变电站里面的具体的一个应用

下一节我们讲

光纤布拉格光栅传感器及其电力应用

好

我们这一节的内容就讲到这里

谢谢大家