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光纖電流傳感器

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  • 發(fā)布時(shí)間:2015/3/2 8:34:17
  • 作者:銀河電氣
定義
光纖電流傳感器是以法拉第磁光效應為基礎、以光纖為介質(zhì)的新型電流傳感器。
1
光纖電流傳感器原理

  Tip:當線(xiàn)偏振光在介質(zhì)中傳播時(shí),若在平行于光的傳播方向上加一強磁場(chǎng),則光振動(dòng)方向將發(fā)生偏轉,偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質(zhì)的長(cháng)度l的乘積成正比,即ψ=V*B*l,比例系數V稱(chēng)為費爾德常數,與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場(chǎng)方向。上述現象稱(chēng)為法拉第效應。1845年由M.法拉第發(fā)現。

01光纖電流傳感器結構

圖示:光纖電流傳感器結構示意圖 
  圖示:光纖電流傳感器結構示意圖

  纖電流傳感器主要由傳感頭、輸送與接收光纖、電子回路等三部分組成(如圖所示)。傳感頭包含載流導體,繞于載流導體上的傳感光纖,以及起偏鏡、檢偏鏡等光學(xué)部件。電子回路則有光源、受光元件、信號處理電路等。從傳感頭有無(wú)電源的角度,可分為無(wú)源式和有源式兩類(lèi)。

02無(wú)源式光纖電流互感器(OFCT)

  OFCT主要利用了法拉第磁光效應。即磁場(chǎng)不能對自然光產(chǎn)生直接作用,但在光學(xué)各向同性透明介質(zhì)中,外加磁場(chǎng)H可使在介質(zhì)中沿磁場(chǎng)方向傳播平面偏振光的偏振面發(fā)生旋轉。這種現象被稱(chēng)為磁致旋光效應或法拉第效應。
  當一束線(xiàn)性偏振光通過(guò)置于磁場(chǎng)中的法拉第旋光材料時(shí),若磁場(chǎng)方向與光的傳播方向相同,則光的偏振面將產(chǎn)生旋轉。旋轉角θ正比于磁場(chǎng)強度H沿偏振光通過(guò)材料路徑的線(xiàn)積分:

 

旋轉角計算

式中,V為磁光材料的Verder常數,旋轉角度θ與被測電流i成正比。利用檢偏器將旋轉角θ的變化,轉換為輸出光強度的變化,經(jīng)光電變換及相應的信號處理,便可求得被測電流i,如圖所示。


 光纖電流傳感器探頭
圖示:光纖電流傳感器傳感頭

03有源式光纖電流傳感器(HOCT)

  這是一種基于傳統互感器傳感原理,利用有源器件調制技術(shù)、以光纖為信號傳輸媒介,將高壓側轉換得到的光信號送到低壓側解調處理,并得到被測電流信號的新型傳感器。它既發(fā)揮了光纖系統的絕緣性能好、抗干擾能力強的優(yōu)點(diǎn)明顯降低了大電流高壓互感器的體積、重量和制造成本,又利用了傳統互感器原理技術(shù)成熟的優(yōu)勢,避免了純光學(xué)互感器光路復雜、穩定性差等技術(shù)難點(diǎn)。
  有源OFCT是通過(guò)一次采樣傳感器(空心線(xiàn)圈或小CT,電阻分流器) 將電流信號傳遞給發(fā)光元件而變成光信號,再由光纖傳遞到低電位側、變換成電信號以后輸出。高壓側電子器件供電方式有光供電、母線(xiàn)電流供電和太陽(yáng)能電池供電等。目前應用最多的是采用空心線(xiàn)圈的有源式OFCT,其組成原理圖如圖所示。

 有源式光纖電流傳感器構成原理圖
圖示:有源式光纖電流傳感器構成原理圖

  空心線(xiàn)圈的截面為矩形或圓形,其感應電動(dòng)勢與線(xiàn)圈的尺寸、匝數以及一次電流有關(guān),受外磁場(chǎng)和載流導體位置的影響小。因此,對空心線(xiàn)圈的輸出電壓積分即可還原為被測電流。
  以上內容摘錄自光纖電流傳感器的工作原理及應用,鄧隱北、彭曉華。

2
光纖電流傳感器應用

  光纖電流傳感器主要應用于電力系統中電流的測量;除此之外與電機制造廠(chǎng)、測量?jì)x器儀表廠(chǎng)結合,還可研制開(kāi)發(fā)線(xiàn)路事故點(diǎn)的標定裝置及事故區間的判定裝置等一系列電力系統的測量、診斷裝置。


 柔性光纜的FOCT在中國電力科學(xué)研究院(武漢)做隔離刀開(kāi)合閘測試現場(chǎng)
圖示:帶柔性光纜的FOCT在中國電力科學(xué)研究院(武漢)做隔離刀開(kāi)合閘測試現場(chǎng)

高精度全光纖大電流直流傳感器在中國計量科學(xué)研究院作現場(chǎng)校正測試
圖示:高精度全光纖大電流直流傳感器在中國計量科學(xué)研究院作現場(chǎng)校正測試

3
光纖電流互感器優(yōu)勢
 ?。?)絕緣結構簡(jiǎn)單,尺寸小,造價(jià)低.由于光纖具有良好的絕緣特性,高低壓之間的絕緣通過(guò)光纖再加上絕緣套來(lái)完成,從而使互感器的結構大為簡(jiǎn)化。雖然HOCT仍然具有鐵心和線(xiàn)圈,但由于一,二側均處于高壓側,一,二側之間的電位差比較小,故不需要高壓絕緣隔離,因此磁路短,尺寸小,電壓等級的提高也不會(huì )帶來(lái)太多的改變,因此適用于高壓電力系統中。
 ?。?)測量準確度高.利用光的磁光效應測量電流,徹底拋棄的電磁式鐵心繞組的結構,沒(méi)有故障電流下的飽和漏電,測量也無(wú)磁滯效應,同時(shí)具有高的抗電磁干擾的能力和靈敏度,準確度。由于對一,二側的絕緣不如傳統的電磁式互感器高,因此采樣電流的鐵心線(xiàn)圈可以采用準確度較高的電流互感器,或者采用帶氣隙的鐵心線(xiàn)圈,較好的暫態(tài)性能.二次側所帶的負載一般是電子線(xiàn)路,負載恒定,因此不要求二次線(xiàn)圈提供較大的功率,這樣也有利于測量精度的提高。
 ?。?)設備安裝和檢修方便。只需要更換線(xiàn)圈的規格來(lái)適應不同的電壓等級,而其他部件不需要更換,具有良好的升級性。
 ?。?)運行安全,不會(huì )產(chǎn)生二次開(kāi)路的高壓和采用油浸式所引起的爆炸等現象。
 ?。?)有利于變電站綜合自動(dòng)化水平的提高。由于傳遞到低壓側的信號都有數字接口,由數據采集系統進(jìn)行數據處理,可以得到系統的運行情況.直接可以供測量和保護使用。此外采用數字化接口,還可以實(shí)行遠距離遙控。
 ?。?)基于光纖互感器技術(shù)的MOCT和HOCT的測量動(dòng)態(tài)范圍寬,靈敏度高。

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