数字式全光纤电流互感器系统建模与仿真技术研究＊

宋 曼，张 辉

（合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009）

引 言

随着电力系统的不断发展，对互感器的要求越来越高，而传统的电磁式电流互感器在运行中渐渐暴露出一些严重的缺点，已经很难满足数字化电站的要求。目前的市场情况是，电力系统广泛采用的仍是电磁式电流互感器，它有以下特点：（1）一次绕组中的电流完全取决于被测电路的一次电流大小而与二次电流无关；（2）它的二次绕组与测量仪表、继电器等的电流线圈串联。由于测量仪表和继电器等的电流线圈阻抗都很小，因此它的正常工作状态接近于短路；（3）它在运行中不允许二次侧开路。如果二次侧开路，则二次电流值为零，这时电流互感器的一次电流全部用来励磁，铁芯中的磁通密度将会大幅度增加，从而引起铁芯中的有功损耗增大、铁芯过热，最终导致电流互感器损坏。同时由于铁芯磁通密度剧烈增加，故互感器的二次绕组中的感应电压峰值可达到数千伏之高［1］。如此高的电压必将对设备绝缘和运行人员的安全都造成危险。为了有效防止电流互感器的二次侧开路，对运行中的电流互感器，当需要拆开所连接的仪表和继电器时，必须先短接其二次绕组，进行泄放电。上述电磁式电流互感器的特点表明：传统式电流互感器绝缘结构复杂、尺寸大、运行成本高、造价高，最重要的是测量准确度无法保证。因此，研究新型的数字全光纤式电流互感器以取代传统电磁式电流互感器已成为社会发展的一个必然趋势，所研究的系统是基于法拉第效应偏振态调制的全光纤电流检测系统，采用的传感元件为保偏光纤制作的电流传感头。

1 全光纤电流互感器系统原理

目前光纤系统主要选用半导体光源，其主要原因是：半导体光源的发光波长在光纤的低损耗窗口中传输，电流注入发光可以进行强度调制；光源体积小，发光面积可以与光纤纤芯匹配，从而提高光源与光纤的耦合效率；可靠性高，高温下可以连续工作；响应速度快，光束的相干性好，适合于高速率、大容量的光纤系统；具有结构紧凑、重量轻、使用方便、工作寿命长，单色性好等优点。全光纤电流互感器是基于法拉第效应偏振态调制的原理来实现对电流的测量的［2］，系统结构框图如图1所示。工作时光源发出的光经过耦合器后由光纤偏振器起偏，起偏之后进入传感光纤即保偏光纤之中。保偏光纤缠绕在通过大电流的导线周围，由于传输中的大电流产生磁场，以及保偏光纤中的法拉第磁光效应偏振态调制作用，偏振光的偏振态发生改变，携带偏振态信息的偏振光经过检偏器之后，进入光电探测器。光电探测器接收到的是电流信号，需要再通过转换电路转换成电压信号，鉴于光电探测器接收到的信号只有微安数量级，所以还必须进行信号放大与电路调理，最终经过比例因子转换得到光纤电流互感器的电流信息。

图1 全光纤电流互感器的系统框图Fig.1 The system block diagram of the all－fiber current transformer

2 全光纤电流互感器系统建模

对利用保偏光纤作为大电流传感头的全光纤电流检测系统进行琼斯矩阵分析［3］，可以得到：

假设检偏器与实验室坐标系的夹角为γ，则检偏器渥拉斯顿棱镜的Jones矩阵为：

保偏光纤的Jones矩阵和输入的线偏振光Jones矩阵分别为：

其中ρ表示旋光率，L 表示光在保偏光纤中通过的距离，θ1表示偏振方向与x 轴的夹角，将式（2）～式（4）代入式（1）得：

则可以得出通过检偏器之后，光探测器上得到的光强为：

其中，r′＝τ－C′＋F，F＝VNI，V 为Verdet常数，V＝1.086×10－16，N 为环绕电流的匝数，I 为导线中通过的电流。对于保偏光纤，通常有τ－C′≫F，2τ≫Δβ，则：

由于全光纤电流检测系统的输出信号受到光源光功率的影响，因此需要采取相应的措施来消除光源光功率波动对系统产生的影响。系统采用测量臂与参考臂相比较的方法来消除上面的影响，通常对I1，I2进行如下处理［4］：

由式（10）可知，上述的信号处理方式消除了光源功率的波动对测量输出信号所造成的测量误差。但是，在实际测量系统中，这种信号处理方式对于两个探测光路的对称性要求非常高，而这一点很难做到［5］，所以会引入一定的误差。还有环境等因素的影响，受到干扰会比较多，因此选用了一种改进的光路结构来进行信号处理，其光路图如图2所示。

在光源半导体激光器处增加50∶50的光耦合器，将光源发出的光分成相同的两束光，并分别进入测量臂和参考臂［6］。其中参考臂的光信号通过光纤直接进入光电探测器，与保偏光纤的测量信号进行对比，以此来消除光源光功率波动对测量造成的不良影响。另外要使检偏器远离被测电流，减少大电流电线附近的不良干扰，同时保持保偏光纤输出的偏振状态［7］。

图2 改进型全光纤电流互感器光路图Fig.2 The optical path of the improved all－fiber current transformer

3 全光纤电流互感器的系统仿真

为了简化仿真模型，将全光纤电流互感器系统的每个建模部分用简化模型来代替，如图3所示的即为全光纤电流互感器系统的仿真模型［8］。

各主要部分的仿真模型如下：图4是光源的简化模型；图5和图6分别为起偏器和检偏器的仿真模型；图7是子系统3即保偏光纤传感头的仿真模型，由子系统1和子系统2构成；图8为光电探测器的仿真模型。

图3 全光纤电流互感器系统仿真模型Fig.3 The system simulation model of the all－fiber current transformer

图4 光源的仿真模型Fig.4 The simulation model of the light source

图5 起偏器的仿真模型Fig.5 The simulation model of the partial device

图6 检偏器的仿真模型Fig.6 The simulation model of the polarizer device

图7 保偏光纤传感头的仿真模型Fig.7 The simulation model of the polarization－maintaining fiber sensor－head

图8 光电探测器的仿真模型Fig.8 The simulation model of the photoelectric detector

4 仿真结果及结论

在该仿真模型的输入端输入正弦电流i（t）＝2sin（ωt）［9］，该信号作为被检测电流，通过上面的仿真模型进行仿真，得到输出波形如图9和图10所示。

图9 被测电流的正弦波形Fig.9 The sinusoidal waveform of the measured current

图10 全光纤电流互感器输出的电流波形Fig.10 The output－current waveform of the all－fiber current transformer

比较这两个波形可知，所建立的全光纤电流互感器系统的仿真模型是正确可行的。全光纤电流互感器模型的建立，可以将高压端的被测电流幅值和相位大小真实的反映出来，因此对全光纤电流互感器的特性评估具有实际应用价值。

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