1、3國家“八五”攻關計劃資助項目。收稿日期:1996年1月15日;收到修改稿日期:1996年7月17日第17卷第7期光學學報V o l .17,N o .71997年7月A CTA O PT I CA S I N I CA July ,1997光學電流傳感器傳感頭的研究3李紅斌(武漢城市建設學院基礎科學系,武漢430074摘要設計了一種光路全閉合的光學電流傳感頭,推導出傳感頭雙折射和被測量關系的解析式,得出了若干重要的結論,給出了實驗結果。此傳感頭已在110kV 變電站投入試運行 。關鍵詞法拉第效應,電流互感器,光學玻璃,雙折射.1引言基于法拉第效應的電流傳感器一直是人們努力研究的對象。其中用光

2、學玻璃制成的塊狀F ig .1D iagram of double op tical path sensing p robe 雙層光路傳感頭結構,更是研究的重點1,2,如圖1所示。此種結構的傳感頭與以前的結構5相比,雖然有了一定的改進,但仍存在以下缺點:1基于法拉第效應的電流傳感器在其原理推導過程中應用了全電流定律,因而要求光路盡可能圍繞載流導體全閉合以減少導體位置變化及外界磁場的影響,提高測量精度。但在圖1所示的這種結構中,光從雙層光路的下層入射進傳感頭,然后從上層出射,顯然光路不是完全閉合的。一般這種傳感頭是長方體形狀,文獻1提供的外形尺寸為98×98×33mm ,其光

3、路總長約為441.5mm ,而光出射時不閉合長度為33mm 2(即16.5mm ,不閉合程度占總光路長的3.7%,因而使得測量易受傳感頭中心孔中導體的位置變化影響,并易受另外二相電流產生的磁場影響,從而降低整個電流傳感器的精度;2從圖1的結構分析,一般須在進光和出光面膠合一小塊材料,使得光束能正入射進入及透射出傳感頭。這導致光在繞導體一周時兩次通過膠合面。由于膠合面用的光學膠的折射率與材料的折射率差異較大,因而在膠合面上會產生光反射損耗。2傳感頭結構的改進根據以上分析,作者設計了一種光路閉合、損耗小,保偏性好且可靠性較高的光學傳感頭以滿足測量電流精度要求,如圖2所示。F ig .2D iagr

4、am of i m p roved dou 2ble op tical path sensing p robe 從光路上看,它具有的優點是:1光束在C 角處,向下反射,然后出射,這樣入射及出射光同在下層傳播,其光路的不閉合程度與圖1所示的結構相比,可大為改善。在作者制作的一個外形尺寸為70×70×24mm 的傳感頭中,其入射與出射光的不閉合程度僅為0.6%左右,因而基本上可認為是閉合光路,測量不受導體位置變化及外界磁場的影響,這已被實驗證實。2作者設計的這種傳感頭由于在各個反射面的形狀上作了較大的改進,加工較以前更為簡單,且可以直接由一整塊材料制成,顯然這不僅減少了傳感頭的

5、光損耗,更重要的,使得傳感頭的可靠性大大提高。3該傳感頭是采用幾何補償法5的原理消除光全反射引起的位相差變化,因而仍具有保偏性好的優點。3雙折射對測量的影響分析當光學玻璃中存在固有雙折射或由于外界干擾而引起雙折射時,描述傳感頭中第n 個臂的法拉第效應的瓊斯矩陣為:F (n =An -B n B n A 3n 式中:A n =co s (n 2+j co s (x n sin (n 2,B n =sin (x n sin (n 2,(n 22=( 22+(n 2,sin x n =2nn ,co s x n = n 其中:n 為第n 個臂的法拉第效應引起的偏振面旋轉角,是由于該臂中的線性雙折射而

6、引入的相位延遲,這種相位延遲將使得輸入線偏光變成橢偏光,造成測量靈敏度變化,從而影響測量。此時最終輸出光強I =1 21-2n (sin n n ,與理想狀況I =1 2(1-sin2n 相比較,在2n 的前面多了sin n n 的系數,當n 時,n 2n ,I =1 2(1-sin 2n ,回到理想狀況。當µn 時,n ,則I =1 21-2n (sin ,由此看出的存在不僅將降低探測靈敏度,而且由于的大小可隨外界因素變化,從而造成了輸出的不穩定。在以前的文獻中,沒有定量分析及討論過四角狀雙層光路傳感頭結構中四臂存在雙折射時,雙折射對測量的影響。作者對此種結構的傳感頭進行了理論分析

7、并得到了表征雙折射與測量兩者關系的明確的解析式。為分析方便,假設1=2=3=4=, 這也是對實際情況的合理簡化,則F (1=F (2=F (3=F (4=F (=A-B B A 3式中:A =co s ( 2+j co s x sin ( 2;B =sin x sin ( 2;( 22=( 22+2;sin x =(2 ;co s x =( 。將入射線偏振光的偏振方向取為y 軸,其歸一化的瓊斯矢量E i =01此時,傳感頭輸出為7497期李紅斌:光學電流傳感器傳感頭的研究E t=FR FR FR FRF E i=E txE ty(1 其中:R=1001是各個反射角處的全反射矩陣。展開(1式可得

8、E tx=2BA(A22B2+B(2A B2B A3+A32B(A22B2+A3(2A B2B A3E ty=2BA(A B+A3B+B2B2+(A32+A32B(A B+A3B+A32B2+(A32整理后可得E tx=-B(A+A3(A32+A2-2B2E ty=-B(A+A32+(A34-2(A32B2+B4當檢偏器與起偏器的透射軸成45°時,檢偏器的輸出電場為E=(E tx+E ty 2,代入A、B、A3的值,并整理可得E=1 2(co s2-(sin2-sin x sin2-j co s x sin2輸出光強I=E E3=(1 2(1-sin x sin4=(1 21-(2

9、sin4(2由此得到了表征四角狀傳感頭的雙折射與法拉第旋轉角關系的解析式。當=0時,=2,代入(2式可得I=(1-sin8 2。設I=(1-sin2 2,其中=4,即傳感頭四臂總的法拉第旋轉角,從而回到了理想狀況時四角狀傳感頭的輸出關系式。這說明(2式表征的雙折射與旋轉角的關系是正確的。比較(2式與理想狀況下傳感頭輸出表達式I,可得到雙折射對測量靈敏度影響的相對表達式為(不考慮光強中固定不變部分=(2 sin4sin8×100(3當光學玻璃存在固有雙折射(nm c m時,對于一個單臂長度L(c m的傳感頭,其=L2 (rad。假設從1nm c m變化到8nm c m,L為7c m,被

10、測電流為100A,=850nm,材料的V erdet常數為1.39×10-5rad A3,則:=(1 4V I=0.3475×10-3rad由于=1nm c m時,=0.0517439rad,可認為µ,則;很小時,sin88,代入(3式可得=(sin4 4×100(4根據(4式可得出在被測電流、L、V為定值時,隨的增加而降低的定量關系。例如對于I=100A,通過計算可得,當大于3nm c m時,顯著降低;當增大到8nm c m 時,降為60.2%。對于四角狀的傳感頭,由于其光程長,光吸收大,光斑發散較嚴重。將它與準直、耦合透鏡、起偏、檢偏器及光纖粘合在一

11、起構成全光學傳感頭時,損耗可達16dB左右,直接影響測量的分辨率及測量小電流信號(<100A的精度;如果為了提高到達探測器的光功率而加大光源功率或是為了提高光透過率而提高對各光學器件及工藝的要求,勢必大大提高成本且由于某些國產器件光學性能的限制導致實現困難。從上述推導已經知道光學玻璃的固有雙折射對測量靈敏度的提高具有極為重要的作用,因而可從這方面著手,著重加強對傳感頭材料及849光學學報17卷加工工藝的研究,以達到提高測量靈敏度的目的。當材料受到外界應力及不均勻溫度場作用時,也會產生雙折射。由于該因素是變化的且難以預測,因而它將使得的變化成為一個隨機誤差,嚴重時甚至導致測量結果完全失真。

12、這也是國際上一直未能完全消除雙折射對測量影響的重要原因。當已知與之間的明確關系后,作者認為可以采用計算機數值計算的方法,研究不均勻溫度場及振動引起的應力對測量的影響,從而從傳感機理上找到解決這一難題的有效方法。4實驗結果采用作者設計的傳感頭結構的光學電流傳感器(根據GB 1208287電流互感器,已在電力工業部電氣設備質量檢驗測試中心對其進行了實驗檢測。確定其主要技術指標為:額定電壓:110kV ;額定一次電流:100A ;二次信號輸出:數字顯示;二次信號輸出精度:I ×0.2%±0.1(A ;額定動穩定電流:10kA 。該傳感器已于1993年12月成功地掛上110kV 電

13、網試運行4,并于1994年12月通過電力工業部主持的鑒定。參考文獻1M .Kano i ,G .T akahash i ,T .Sato et a l .,Op tical vo ltage and current m easuring system fo r electricpow er system s .IE E E T rans .on P o w er D elivery .,1986,(191972陳錫坤,邱靜和,戴來發等,四角狀ZF 27玻璃雙層光路電流傳感頭研究。光學學報,1993,13(65325353T .D .M affetone ,T .M .M cC lelland

14、,345kV substati on op tical current m easurem ent system fo r revenuem etering and p ro tective relaying .IE E E T ram s .on P o w er D elivery ,1991,6(4143014374李紅斌,劉延冰,張衛軍等,用于110kV 變電站的光學電流互感器,華中理工大學學報,1995,23(76105李紅斌,光學電流傳感器的研究,華中理工大學博士學位論文,19941920Study on the Sen si ng Probe of Optica l Curren

15、 t Sen sorL i Hongb in(D ep a rt m en t of B asic S cience ,W uhan U rban Construction Institu te ,W uhan 430074(R eceived 15January 1996;revised 17Ju ly 1996Abstract A n op tical cu rren t sen sing p robe w ith com p letely clo sed op tical path is designed ,T he fo r m u la w h ich show s the relati on betw een b irefringence and the m easu rem en t are de 2rived .So