光纤电流互感器技术综述

黄丽萍

摘 要：本文介绍了光纤电流传感器的技术发展，光纤电流传感器的分类、测量原理及优缺点，以及相关专利申请分析。

关键词：光纤电流传感器；全光纤式；混合式；块状玻璃式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.149

1 引言

随着电力行业的飞速发展，对电流测量精度的要求越来越高，传统的电磁感应式电流互感器不断显露出它的局限性：精度不高、绝缘性不够、易受电磁干扰、重量太大、体积惊人、价格昂贵、以及容易保护误动作等[1]。光纤电流互感器正是为了克服电磁感应式电流互感器的缺点而研制的，光纤电流互感器具有以下的优点：绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，测量准确度高，体积小，重量轻，测量动态范围大，频带宽，因此，光纤电流互感器具有极大的研究和应用前景[2-3]。

2 光纤电流互感器的技术发展

国外方面，80年代初，美国采用日本、德国的相关研究资料，在超高压电力系统领域进行块状结构的光纤电流互感器方案研究，并成功实现了161KV的继电保护的挂网运行。美国国家标准与技术研究所采用 YIG 晶体作为磁光材料进行光纤电流传感器研制，并于 90 年后期一些相关研制单位推出了挂网实验报告。1996 年，美国 3M 公司全新推出了全光纤电流传感器模块，使光纤电流传感器进一步得到发展。日本研究了500KV以及100OKV高压电网测量用的光纤电流互感器，还进行了600OV至500KV电压等级的光学电流互感器的研究。

和国外相比，国内对于光学电流互感器的研究起步较晚。80年代末，清华大学和沈阳互感器厂合作研发了光纤电流互感器，并在四平成功挂网运行，获得了国内首次成功挂网运行的成绩。燕山大学于2001年成功研制了国家标准GB1208-1997规定的0.2级精度的混合式光纤电流互感器，通过试验并取得了良好的试验结果。中国电科院、南瑞继保、南瑞航天电气等单位不断努力研制全光纤型电流互感器，并有少量产品应用于实际工程当中[4]。

3 光纤电流互感器的分类及测量原理

光纤电流互感器是以法拉第磁光效應为基础，以光纤为传输介质的电流计量装置，通过测量入射光强、光波在通过磁光材料时其偏振面在电磁场的作用而发生旋转后的出射光强来间接确定被测电流的大小，其分类也因标准不同而各异，现在常用的分类标准有：偏振面旋转角度的检测方法、传感机理和所用的传感材料[5]。

（1）根据偏振面旋转角度分类。根据偏振面旋转角度的不同，光纤电流互感器可以分为单光路光纤电流互感器和多光路光纤电流互感器。其中，单光路光纤电流互感器是以偏振片作为检测器件，多光路光纤电流互感器则是以渥拉斯顿棱镜作为检测器件。单光路光纤电流互感器只有一路输出光，具有结构简单、便于耦合、器件结构稳固、光路调试方便、价格较便宜等优点。多光路光纤电流互感器具有多路输出光，常用的是双光路电流互感器，具有结构比较复杂以及耦合光损耗大等缺点，但由于光速分成两路，能有效去除外界环境因素的干扰，提高系统测量的精确度度和可靠性。

（2）根据传感原理和传感头所用材料分类。根据传感原理和传感头所用材料的不同，光纤电流互感器主要可以分为三类：全光纤式、混合式、块状玻璃式。1）全光纤电流互感器。全光纤电流互感器（MOCT）是将传感光纤围绕在被测导线周围，根据光纤内传输的光波具有偏振特性的机理，通过测量磁光效应在光纤中引起的Faraday旋转角，从而测量出通电导体中的电流大小。由于其不仅利用光纤作为信号传输的介质，还将光纤形成闭合回路环绕通电导体作为传感头，因此，称为全光纤电流互感器。全光纤电流互感器具有结构简单、体积较小、重量轻便、测量灵敏度高等优点；2）混合式光纤电流互感器。混合式光纤电流互感器（HOCT）与全光纤电流互感器不同点在于，它仅以光纤作为信号传输的介质，传感部分仍然是采用传统的互感器结构，它是一种采用传统的电流传感机理、采用有源器件调制技术和光纤传输技术的混合式电流互感器。混合式光纤电流互感器具有结构简单、绝缘性好、长期工作稳定性好、精度高、性能稳定等优点；3）块状玻璃式光纤电流互感器。块状玻璃式光纤电流互感器与其他类型光纤电流互感器的最大区别在于，它是采用光学玻璃作为传感头。测量原理是，采用法拉第效应，导引线偏光在光学玻璃中进行多次全反射，并形成了围绕通电导体的闭合回路，通过测量出线偏振光的Faraday旋转角，并根据法拉第定理计算出电流大小。块状玻璃式光纤电流互感器与全光纤电流互感器相比，光学材料的选择范围比光纤宽，稳定性较好，精度较高，但加工困难、传感头易碎、加工成本昂贵等。

4 光纤电流互感器专利申请分析

光纤电流互感器自20世纪80年代开始，国内外都纷纷开始对光纤电流互感器进行研究，在21世纪世界范围内有关光纤电流互感器的的专利申请量呈逐步增长趋势。在光纤电流互感器领域日本专利局的申请量最多，达536件，大多也是日本本国的单位申请的，主要申请人有松下，东芝和佳能。美国专利局的申请量占第二，中国专利局和美国专利局申请量差不多， 分别为359件和335件。

国内有关光纤电流互感器的专利申请中，申请人大部分为高校和科研院所，企业的申请量较少。中国科学院西安光学精密机械研究所位居第一，相关申请量为19件，上海市电力公司和西安交通大学的相关申请量分别为18件和13件。

国外主要申请人有：瑞士ABB，日本松下、东芝以及德国西门子，相关申请量分别为32件、48件、45件以及25件。这几个公司在光纤电流互感器领域一直处于领先地位。其中，ABB研究有限公司在光纤电流互感器领域的研究一直处于世界前列，其申请的专利中主要研究的技术有：传感器头的灵敏度稳定问题（申请号CN200580015090.0）、传感器头的温度稳定问题（申请号CN200410068660.X）、温度补偿（申请号CN201010508343.0、 CN201010506484.9）、测量精度的提高（申请号CN200680054375.X）等。

5 结论

光纤电流传感器不仅在电力行业中起到重要作用，在军事、工业领域上也起着非常大的重要，因此，对光纤电流传感器的研究具有重要的实用价值和科研意义。随着自动化技术、光电技术以及其他相关技术的迅速发展，光纤电流传感器的应用前景将日益广阔。

参考文献：

[1]方志，邱毓昌，李双.光纤电流互感器的发展[J].电力建设，2002，23（12）：42-44.

[2]李莉，张心天.光纤电流传感器及其研究现状[J].飞通光电子技术，2002，2（02）：81-85.

[3]王政平，康崇等.全光纤光学电流互感器研究进展[J].激光与光电子学进展，2005，42（03）：36-40.

[4]严颖维.全光纤电流互感器的研究[D].北京邮电大学，2012.

[5]庞碧波.光纤电流传感器的研制[D].电子科技大学，2009.