试论全光纤电流互感器的温度特性

冮若嘉　赵婉旭

摘 要：智能电网的应用并逐渐普及，原有的电磁式电流互感器已经远远不能满足现代智能电网的需要，全光纤电流互感器的诞生和应用，有效解决了电磁式电流互感器的多种弊端。鉴于全光纤电流互感器受温度影响作用较大的问题，该文从全光纤电流互感器的基本结构和原理出发，通过建立数学模型来分析温度对全光纤电流互感器的影响作用，对全光纤电流互感器随温度漂移的问题进行研究，由此得出比差与温度之间呈现为近似线性的关系，在此基础上进行有效的精度补偿，可以进一步提高光纤电流互感器的稳定性。

关键词：全光纤电流互感器 温度特性 比差 温致线性双折射

中图分类号：TM452 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（c）-0055-02

国家电网的发展建设，智能电网逐渐建立并应用起来，对于输电电路的要求也越来越高。原有的电磁式电流互感器性能已经远远不能满足现代电网输电线路的需要，全光纤电流互感器应运而生。全光纤电流互感器（以下简称FOCT），是电子互感技术发展的标志性产物，其原理是以Sagnac干涉法为基础研发的一种新型电流互感器。FOCT的应用使原有电磁式电流互感器所具有的种种弊端得以良好解决，表现出良好的性能，应用前景广阔。

1 光纤电流互感器的概述

光学电流互感器自20世纪70年代诞生并应用以来，其性能非常优越。如果按照实现方式可以将光学电流互感器分为两种类型，即磁光玻璃式电流互感器和全光纤电流互感器，该文即对后者进行重点研究和分析。FOCT是以光纤为主要载体，用于电流传感，在整个系统中，每一个元件的装置都是采用光纤溶解的方式来进行连接，没有独立的元件存在，是一个完整的系统。FOCT相较于传统的电磁式电流互感器，具有结构完整简单，可靠性高，稳定性好等特点，因为是在光纤的基础上来制作和装置光学元件，因此整个系统表现出良好的一致性，工艺上也趋于成熟，抗振性好。FOCT光纤传感安全灵活简便，体积小，重量轻，可在多种设备中组合应用，在直流测量中应用效果也良好，适应性很强，应用范围十分广泛。因为FOCT没有其他有源电子式互感器所必须安装在户外的电子元件，这使得其可靠性得到大幅提升，更容易满足电网建设的要求。基于这些优势，FOCT自应用以来受到业内广泛关注和认可，逐渐成为现代电子式电流互感器的主流产品。

即使FOCT有上述多方面的优势，但是我们也需要认清其所存在的缺陷，就是FOCT比差容易受温度变化的影响而发生漂移，这一问题一直以来是FOCT研究课题中关注的重点和难点问题，也限制了FOCT的推广和应用。

2 FOCT的基本原理

如图1所示为FOCT的光路结构图，FOCT是在Faraday磁光效应的基础上建立起来的，根据Sagnac干涉原理来开展电流传感信号检测。激光经由光纤耦合器，再经过起偏器后在激光偏振分光后，从原有的一束激光转变为呈垂直方向的两条偏振光，两条偏振光经直波导相位调制器和光纤延时线后仍然保持正交状态。经波片后两束正交光转变为呈左旋和右旋状态的圆偏振光，受Faraday磁光效应的影响，两种圆偏振光产生相位差。在末端反射镜的发射作用下两束光返回同时偏振方向互换，再次受Faraday磁光效应的影响作用，二者之间的相位差翻倍。因为二者的相位差中带有能够被探测到的电流信息，使得光强信号经耦合器输出抵达光电探测器PD并实现了光电之间的有效转换，解调电路从PD输出的电信号中解调出一次电流的信息。

3 FOCT的温度特性

外界温度的变化对于FOCT具有直接的影响作用，这种影响主要来自于对Verdet常数影响的同时会使其产生温致线性双折射。光纤纤芯和包层两者之间在热膨胀系数方面是存在差异的，当温度发生变化时，二者伸缩量不同自然产生的应力也不同，而应力对传感光纤产生一定的作用就会造成线性双折射产生。Verdet常数与温致线性双折射会对FOCT共同产生一定的影响作用，直接会对FOCT的精度造成不利影响，进而导致比差随着温度的变化而发生温度漂移。

3.1 温度对Verdet常数的影响

Verdet常数是表示传感光纤磁场能力反映的一项重要参数，同FOCT比差之间有着十分紧密的联系。温度的变化会对Verdet常数有一定的影响作用，其数值随着温度的波动而变化。在25 ℃的温度条件下，用来表示Verdet常数，用t来表示温度，则Verdet常数的温度特性可表示为：

由此可以看出温度与Verdet常数之间呈线性关系。

3.2 温度对温致线性双折射的影响

受热胀冷缩的影响，纤芯和包层会因为温度的变化而发生伸缩作用进而产生一定的应力，应力会在不同的接触面上产生不同的剪切应力。光纤受到应力的作用而产生温致线性双折射相位差，如果温度差用来表示，则，用P来表示常用系数，λ来表示入射光波长，则致线性双折射相位差为：

从上式中可以看出，温度与温致线性双折射之间呈正比关系。

3.3 温度对FOCT的影响

根据上述对温度与Verdet常数、温致线性双折射之间的关系的研究，我们可以建立其FOCT温度的数学模型：

基于数学模型，我们对温度与FOCT之间的关系进行分析，在保持温度不变的情况下，就算线性双折射存在，因为变比没有发生变化，那么比差依然保持很高的精度，不会产生漂移的情况。当温度发生波动变化时，因为受温致线性双折射的影响，FOCT变比随之发生改变，从而FOCT的比差发生变化，随着温度的变化而发生漂移，精确度下降。可见，温差越大，温致线性双折射的相位差也会随之增加，因为呈线性的关系，相应的比差漂移也会加大。

4 结语

根据FOCT的基本原理，根据光缆结构简图，对FOCT的温度特性采用数学模型的方法进行研究和分析，结果发现，纤芯和包层的伸缩膨胀是产生温致线性双折射的根本原因，同时Verdet常数也会因为温度的变化而相应发生變化，而这正是引起FOCT变比误差产生的直接原因，也因此发生比差漂移的问题。由此可见，温度的变化会对FOCT比差有直接的影响，如果采取相应的补偿措施，就会减小乃至规避比差漂移，使其保持良好的精确度。

参考文献

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