大直流光纤电流检测系统开发及应用

王乐建，胡军

（1兖矿科澳铝业有限公司，山东邹城 273515；2山东省冶金工业总公司，山东济南 250014）

经验交流

大直流光纤电流检测系统开发及应用

王乐建1，胡军2

（1兖矿科澳铝业有限公司，山东邹城 273515；2山东省冶金工业总公司，山东济南 250014）

为解决霍尔直测式传感器测量电流误差大的问题，兖矿科澳铝业有限公司设计开发铝电解大直流光纤电流检测系统。通过改进传感系统方案，建立动态检测数学模型，搭建传感器及其信号解调系统，并提出温度等参数影响补偿方法。应用表明，传感器达到了直流大电流0.2%的测量精度要求。

电流传感器；光纤；测量精度；信号解调系统

1 前言

随着科技生产力的发展，直流用电量越来越大，直流大电流测量技术在工业生产和科研试验中有着较为广泛的应用。目前，在冶金、化工和电力行业，直流大电流测量技术大都采用霍尔磁电式电流传感器，受温度影响其误差较大，测量技术水平还不能满足工业发展的要求。兖矿科澳铝业有限公司的306 kA直流电流电解槽系列，原采用的是霍尔磁电式电流传感器，测量误差在9 k～12 kA左右，相对误差＞3%，且随着外界温度的变化，测试精度也会发生变化，较大的测量误差和不确定性给生产和电力系统控制带来了较大困难，对电解生产工艺也有着直接的影响。

以处于强磁场、高温及多尘等复杂环境下的直流大电流检测系统为研究对象，基于Faraday磁光效应对全光纤电流传感器进行应用基础研究。设计全光纤直流大电流检测系统方案，利用Jones矩阵法与偏振态演化法结合，建立电流检测系统物理和数学模型。结合光学器件的偏振演化和温度等环境影响特性，建立动态反馈补偿检测模型，构建闭环式全光纤电流检测系统。然后采用信号相关算法，提取混叠在复杂噪声中的微弱传感信号。实验分析串扰与信号调制等因素对系统响应死区、灵敏度的影响，改善参数选择，增加系统对有效相位变化的测量灵敏度，引入相应的去相关机制，有效抑制串扰形成的死区现象，最终实现全光纤直流大电流检测系统性能的整体提高。在10 k～500 kA的测量范围内将误差控制在0.2%以内，为直流大电流的测量提供一种高精度、稳定可靠的手段，同时为电解工艺的进一步改善提供可靠的保障。

2 直流大电流检测系统开发及优化

光纤电流传感器是基于磁光效应并利用偏振光的干涉进行检测且以光纤传导信号的光纤电流传感装置。在分析器件性能、外界环境等对系统稳定性、测量精度影响的基础上，改进传感系统方案，建立动态检测数学模型，搭建传感器及其信号解调系统，并提出温度等参数影响补偿方法，构建适用于强磁场、高温、多尘等复杂环境下的直流大电流检测系统。

1）光纤电流传感器偏振光干涉理论及数学建模分析。根据磁光效应，从偏振态的角度详细分析偏振态变化的每个物理过程，针对反射式光纤电流传感器进行理论分析计算，建立反射式电流传感器的数学模型。结合金属电解直流大电流检测的测量范围和测量精度等参数要求，对系统中的光学器件进行选型设计。

2）直流大电流检测需求及光纤电流传感器方案改进设计分析。在对传感器设计方案传感机理和性能特点分析的基础上，综合考虑测量范围、精度、稳定性等主要性能参数［1］，通过改善光纤的固有双折射，增大法拉第转角，并利用Faraday效应的互易性，对传感结构进行改进，建立反射式光纤电流传感器模型。

3）系统误差源及动态反馈补偿检测模型分析。对选择的光学器件尤其是偏振器件进行光学性能以及外界温度等参数影响实验，分析器件指标变化规律，找出由起偏器误差、调制器偏振调制误差、λ/4波片误差和光纤传感头线性双折射误差等主要误差源的影响补偿方式，在系统中引入动态方波偏置和数字相位斜坡反馈，采用方波调制提高测量灵敏度，采用阶梯波反馈克服响应非线性和增大测量范围，使光纤电流传感器工作在灵敏度最高、自源性误差实时补偿的零相位的状态。

4）信号算法研究分析。对相关解调算法进行理论推导，结合直流大电流检测要求，分析其优缺点，提出消除初始光强和调制深度对测量结果影响的方法，对比分析全光纤电流传感器理论模型中光电探测器输出信号和调制信号的特征，设计根据特征点幅值的解调方法，并且根据光电探测器输出信号的预处理情况，对直流耦合和交流耦合进行数学推导，利用相关软件进行幅值解调算法仿真计算。

5）死区及响应灵敏度检验的分析。在高精度全光纤电流传感器中，需要进行适当的系统参数选择，以削弱干扰通道影响，增加系统对有效相位变化的测量灵敏度，同时还需要在调制与解调信号间引入相应的去相关机制，保证在解调环节有效抑制串扰形成的死区现象，提高系统性能［2-3］。

6）现场实验测试及性能改进。将设计的全光纤直流大电流传感器安装于铝电解生产的总直流侧（约为320 kA），对系统在强磁场、高温等复杂环境下进行长期实验测试。主要考察设计系统的稳定性、灵敏度以及测量精度等指标。寻求误差产生的原因，并对设计系统进一步改进。

3 应用效果

1）根据铝电解大直流传感器现场安装的需要，利用铝合金设计光纤传感环的安装结构，将其安装在电流输出大母线上，传感光纤布设在铝合金框架内，安装后的整体系统包括光纤传感头、信号处理器及信号传输设备。信号利用光缆进行传输，传输至控制室上位机进行数字信号处理。

2）现场测量实时显示主要包括实时电流曲线显示和实时电流值显示。通过电流值的显示，可以直观地看出当前电流值的大小，通过实时曲线可以看出电流变化的趋势。

3）工业试验表明，采用基于Faraday电磁效应，开发设计全光纤直流大电流传感器，在广泛进行实验室实验研究、现场测试的基础上，最终实现了0.2%的测量精度要求。

4 结语

铝电解大直流光纤电流传感器及其信号解调系统开发和工业化应用项目的实施，从根本上解决了霍尔直测式传感器存在的温漂和强磁场影响等问题，得到高精度的大直流检测，为电解工艺参数的控制、调整提供准确的参数依据，对电解系统的生产具有重要意义。并且准确的直流计量能够真实地反映整流柜实际的输出电流，提高了整流供电系统的安全性。兖矿科澳铝业有限公司现有172台电解槽，年产量大约为14万t，吨铝耗电15 000 kW/ h，按照提高测量精度2%来计算，可以实现约4 200万kW/h的精确计量，为生产控制和电能优化配置提供了准确可靠的数据，可实现节能及设备运行维护费用效益达800万元以上。大直流光纤电流传感器的优化及应用，体现了光纤传感器在强磁场环境下的应用潜力。

［1］王昌长，李福祺，高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［2］朱德恒，严璋.电气设备状态监测与故障诊断技术［M］.北京：中国电力出版社，2009.

［3］谢志萍.传感器与检测技术［M］.北京：电子工业出版社，2004.

TM933.1

B

1004-4620（2017）01-0069-02

2016-07-24

王乐建，男，1971年生，2011年毕业于山东省委党校经济管理专业。现为兖矿科澳铝业有限公司工程师，从事生产管理工作。