茅 昕

（长飞光纤光缆股份有限公司，湖北武汉，430073）

菲涅尔反射替代反射镜在高双折射旋转光纤测试中的应用

茅 昕

（长飞光纤光缆股份有限公司，湖北武汉，430073）

高双折射旋转光纤是全光纤电流互感器中的一种关键材料。本文提出在评估高双折射旋转光纤的高低温性能时，使用光纤端面菲涅尔反射的方法替代在光纤端面镀膜加工反射镜，并通过实验对这一方法进行了验证。

高双折射旋转光纤；光纤电流互感器；高低温循环

0 引言

光纤电流互感器（Fiber Optic Current Transformer，FOCT）是一种基于法拉第磁光效应、以光纤为测量和传输介质的电流测量设备,具有抗电磁干扰、测量动态范围大、频带宽、可测量直流、便于与高压设备集成等优点[1]。限制FOCT广泛应用的主要因素是其测量精度易受到环境温度变化的影响。在实践中可通过改进高双折射旋转光纤的温度系数等工艺手段提升FOCT的温度性能。与工艺改进相配合的是对改进后的材料进行在线高低温测试。如能缩短测试准备时间和降低测试成本，对于推进FOCT的技术发展具有积极作用。

本文研究了光功率变化对系统信噪比的影响，提出用端面菲涅尔反射替代端面镀高反射膜，并通过仿真和实际测试对所提方法的有效性进行了验证。

1 系统信噪比分析

光纤电流互感器由光源、无源光器件、光探测器、电信号运放采集、电信号处理这几部分构成。系统内的主要噪声源为散粒噪声、热噪声和探测器接收的相对强度噪声[2]，信噪比的计算表达式为：

式1中，dS为系统输出，散粒噪声svσ 、相对强度噪声svσ 都与系统光功率有关，热噪声hvσ 则是由探测器跨阻抗放大器转换电阻上电荷载流子的热运动引起的。系统经闭环反馈控制后，探测器的电信号输出表达式为：

式2中dS为探测器电信号输出，PK 为光电探测器转换系数，oI为光源输出光强 ，L为光路损耗，fφ为法拉第效应相移, mφ为系统调制引入的相移。式3中N为高双折射旋转光纤绕制的线圈匝数，V为光纤的维尔德常数，I为系统检测电流强度。

系统的输出电信号灵敏度与系统光源输出光强度、传感光纤圈数、待测电流大小等参数相关。为保证实验条件的一致性，一般不调整传感光纤圈数和待测电流大小，当仅改变系统光功率大小时，光功率与系统信噪比的关系如图1所示。

图1 信噪比-系统光功率曲线

2 光纤电流互感器性能的评价机制

光纤电流互感器的一个重要性能指标是温度稳定性，特别是电流传感部分的温度稳定性[3]。经过多年实践，电力行业内总结出限制FOCT广泛应用的主要因素是其测量精度易受到环境温度变化的影响。可通过将FOCT的传感部件置于高低温箱内的方式测试在外部温度条件发生变化时系统的性能变化程度。电力行业内定义：比例误差=(被检互感器二次电流-标准互感器二次电流)/标准互感器二次电流。其中被检互感器和标准互感器的二次电流通过互感器校验仪实时同步采集，互感器校验仪的输出结果即为各时刻的比例误差。

电力行业要求FOCT设备在其额定电流工作条件下，在全温度变化范围内其比例误差应在±0.2%以内。考虑到系统工作时可在调制方式、λ/4波片制备工艺等方面进行温度补偿，因此对于电流传感部分优先考察其受温度影响导致比例误差变化的重复性，其次是希望当仅有传感光纤部分处于变温条件时，其全变温范围内的比例误差应在±2%以内。当处于稳定温度条件下，其比例误差应在±0.2%以内。

3 基于菲涅尔反射的系统实验

当光入射到折射率不同的两个媒质分界面时，一部分光会被反射，这种现象称为菲涅尔反射。如果光在光纤中的传输路径为光纤端面到空气时，由于光纤和空气的折射率不一样，在光纤的端面处将产生菲涅尔反射。系统的其余设置和制备工艺保持不变，仅将反射镜替换为菲涅尔反射面。实验中光纤端面通过光纤切割刀切断光纤获得，并进行抛光研磨。经抛光研磨后，光纤端面的反射率约为7%。

将FOCT的传感光纤置于高低温箱内，使其处于-40°C~ 70°C的温度循环状态，并对系统施加一个300安培的交流测试电流。在互感器校验仪上连续记录系统输出值与实际电流值之间的偏差，记为比例误差。

图2 端面菲涅尔反射时记录的实时电流波形和高低温比例误差曲线

如图2所示，由于反射光功率下降引起的系统信噪比劣化，系统输出的正弦波形发生了较大的畸变，每一个温度点对应的恒温比例误差也超过了±0.6%以上。此时仅能从趋势上判断比例误差随温度上升而增加，对于该被测高双折射旋转光纤的恒温性能难以做出定量判断。

根据对FOCT系统信噪比的分析，可以认为当系统中光功率降低时，散粒噪声、相对强度噪声也均会随光功率下降而降低，系统中的热噪声成为主要的噪声来源。热噪声属于白噪声，当系统中的噪声主要为白噪声时，可通过累加平均的方式提高系统的信噪比。

因在反馈控制状态下，系统对电流值的检测输出与电流的大小关系是一阶线性的；同时按照比例误差的计算表达式，系统的比例误差与检测电流输出值的关系也是一阶线性的，因此可将实验记录的比例误差值进行累加平均，以对应系统信噪比提高后的测试结果。

作为实验对照，将同类型的高双折射旋转光纤进行端面处理镀膜形成反射率约为99.7%的反射镜，并按同等测试条件对此种类型的传感光纤进行了高低温性能测试。测试结果如图3所示

图3 端面镀反射膜测试数据与累加平均后的端面菲涅尔反射测试数据对比

4 结论

当系统光功率下降时，光纤电流互感器的信噪比也会随之下降，从而导致比例误差增大。由于在低光功率的条件下，系统的主要噪声来源是热噪声。本文设计了采用光纤切割刀切割光纤端面产生菲涅尔反射的方式替代在光纤镀膜加工反射镜，并采用累加平均的方法提高系统的信噪比。累加平均后的数据曲线与镀反射镜后的结果基本一致，可用来近似分析系统在高低温时的性能，进而分析高双折射旋转光纤的温度性能。通过本文的实验和数据处理方式，可省去一般实验中必须的光纤镀膜工艺过程，有利于缩短高双折射旋转光纤的测试周期和测试成本，对于推进光纤电流互感器的技术发展具有积极作用。

[1]肖智宏.电力系统中光学互感器的研究与评述[J].电力系统保护与控制，2014，42(12)：148-154.

[2]王立辉，伍雪峰，孙健等.光纤电流互感器噪声特征及建模方法研究[J].电力系统保护与控制，2011，39(1)：62-66.

[3]胡蓓，叶国雄，肖浩等.全光纤电流互感器关键状态量及其监控方法[J].高电压技术，2016，42(12)：4026-4032.

Application of Finel reflection mirror in high birefringence rotating optical fiber test

Mao Xin
（Yangtze Optical Fibre and Cable Joint Stock Limited Company，Wuhan Hubei, 430073）

High birefringent spun fiber is a key material in FOCT(Fiber Optic Current Transformer) system.

A new method of using Fresnel reflection instead of reflecting coating method is introduced to reduce the cost when evaluating the temperature property of high birefringent spun fiber. Results indicate the equivalence of both methods.

High Birefringent Spun Fiber;Fiber Optic Current;TransformerTemperature cycling