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光纖電流傳感器

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  • 發布時間: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、以光纖為介質的新型電流傳感器。
1
光纖電流傳感器原理

  Tip:當線偏振光在介質中傳播時,若在平行于光的傳播方向上加一強磁場,則光振動方向將發生偏轉,偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質的長度l的乘積成正比,即ψ=V*B*l,比例系數V稱為費爾德常數,與介質性質及光波頻率有關。偏轉方向取決于介質性質和磁場方向。上述現象稱為法拉第效應。1845年由M.法拉第發現。

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。從傳感頭有無電源的角度,可分為無源式和有源式兩類。

02無源式光纖電流互感器(OFCT)

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

 

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、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。它既發揮了光纖系統的絕緣性能好、抗干擾能力強的優點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成熟的優勢,避免了純光學互感器光路復雜、穩定性差等技術難點。
  有源OFCT是通過一次采樣傳感器(空心線圈或小CT,電阻分流器) 將電流信號傳遞給發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、母線電流供電和太陽能電池供電等。目前應用最多的是采用空心線圈的有源式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

  空心線圈的截面為矩形或圓形,其感應電動勢與線圈的尺寸、匝數以及一次電流有關,受外磁場和載流導體位置的影響小。因此,對空心線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、測量儀器儀表廠結合,還可研制開發線路事故點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在中國電力科學研究院(武漢)做隔離刀開合閘測試現場
圖示:帶柔性光纜的FOCT在中國電力科學研究院(武漢)做隔離刀開合閘測試現場

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

3
光纖電流互感器優勢
 ?。?)絕緣結構簡單,尺寸小,造價低.由于光纖具有良好的絕緣特性,高低壓之間的絕緣通過光纖再加上絕緣套來完成,從而使互感器的結構大為簡化。雖然HOCT仍然具有鐵心和線圈,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帶來太多的改變,因此適用于高壓電力系統中。
  (2)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,沒有故障電流下的飽和漏電,測量也無磁滯效應,同時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圈,較好的暫態性能.二次側所帶的負載一般是電子線路,負載恒定,因此不要求二次線圈提供較大的功率,這樣也有利于測量精度的提高。
 ?。?)設備安裝和檢修方便。只需要更換線圈的規格來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,不會產生二次開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,還可以實行遠距離遙控。
  (6)基于光纖互感器技術的MOCT和HOCT的測量動態范圍寬,靈敏度高。

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