罗苏南，阎嫦玲，邵通广，丁 晔，须 雷，刘东超

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

电流互感器是交直流电力系统的关键设备之一，其主要作用是测量一次电流，为交直流控制保护等二次装置提供准确的一次电流稳态和暂态信息。光学电流互感器具有动态范围大、线性度好、暂态特性好、体积小、重量轻、绝缘简单可靠等优势［1-5］，可以较好地解决常规电磁式互感器存在的大电流易饱和、暂态特性差、体积大安装使用不方便、充油充气易燃易爆等问题。国内外关于光学电流互感器的研究已有近40 年的时间，光学电流互感器在交直流电力系统中的应用也有10多年的时间［6-10］。

目前研究及应用的光学电流互感器主要以采用铌酸锂相位调制器或PZT相位调制器的全光纤光学电流互感器为主［11-20］。基于铌酸锂调制器或PZT调制器的光学电流互感器测量精度、动态范围、响应时间、抗振性能等主要性能指标已基本可以满足交直流工程电流测量需求，但存在两方面不足，一是光路系统复杂，成本较高，二是采集单元与传感环的距离受原理限制不能满足长距离信号传输要求，因此光学电流互感器的应用受到一定限制。

光学电流互感器实际应用中，有些场合（如在线监测）对光学电流互感器的成本较为敏感但对测量精度等性能要求相对不高，针对这类应用需求，研制了一种无调制器的全光纤光学电流互感器，无调制器全光纤光学电流互感器采用Faraday旋光镜实现相位偏置，不需要铌酸锂相位调制器或PZT相位调制器，光路简单，采集单元成本降低50%左右，且采集单元与光纤传感环可以实现远距离布置。

1 系统构成

无调制器全光纤光学电流互感器由光纤传感环、远端光模块及采集模块3 部分构成，光纤传感环和远端光模块就地安装，采集模块布置于二次控制室，远端光模块与采集模块间采用单模光纤进行光信号传输。采集模块由光源SLD、单模耦合器、PD 及信号处理电路构成，远端光模块由起偏器和分束器构成，光纤传感环由1/4 波片、传感光纤及Faraday 旋光镜构成。图1所示为双通道无调制器全光纤光学电流互感器各组织部件构成示意图。

图1 无调制器全光纤光学电流互感器构成示意图Fig.1 Schematic diagram of all fiber optical current transformer without modulator

2 工作原理

采集模块内的宽带光源发出的激光经过退偏后进入耦合器，之后通过单模光纤进入远端光模块，远端光模块内的起偏器将输入光变成线偏振光，并经分束器及45°熔点后输出两相互正交的线振偏光，这两束线偏振光通过保偏光纤进入光纤传感环，传感环内两相互正交的线偏光通过λ/4波片后变成两相互正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。两束正交的圆偏振光在传感光纤中传输，光纤传感环缠绕在一次导体外，导体中电流的Faraday 磁光效应使两束圆偏光产生与被测电流大小成正比的相位差。两束圆偏光到达传感光纤尾部的法拉第旋光镜后被反射，沿传感光纤返回。法拉第旋光镜包含一个22.5°的Faraday 旋光片和反射镜，两束圆偏光正向通过22.5°的法拉第旋光镜后会产生45°相位差，经反射镜反射后再次通过22.5度的法拉第旋光镜并再次产生45°相位差，来回共产生90°相位差。同时两圆偏振光在光纤传感环末端的反射镜处反射后返回过程中，偏振方向互换，两束圆偏光再次历经电流磁场的Faraday磁光效应，二者产生的相位差将变成原来的2倍。即在被测电流和法拉第旋光镜的作用下，往返经过传感光纤和法拉第旋光镜后，两束圆偏光光的相位差最终为：

式（1）中，Δφ为Faraday 相位差，V为光纤的Verdet 常数，N为光纤传感环匝数，I为一次导体中被测电流大小。

返回时两圆偏光经λ/4波片后又变成线偏光。相对于正向传输的两束相互正交的线偏振光，返回的两束相互正交的线偏光发生了互换，即正向传输的X 光变为反向传输的Y 光，正向传输的Y 光变为反向传输的X光。可见该光路结构的光学电流互感器在分束器后的光纤传感环部分具有互易性，能在一定程度上消除温度、振动等外部干扰的影响。

返回的两束偏振光的相位差携带了电流信息，二者在分束器和1/4波片间的45°熔点处产生干涉，之后分束器将干涉光分成两路正交偏振光。一路经起偏器和耦合器输出抵达第一路光电探测器PD1（PD，Photo Diode），另一路偏振光经单模光纤抵达第二路探测器，两路探测器完成光电转换，信号处理电路从两个PD输出的电信号中可解调出一次电流信息。

考虑到法拉第旋光镜（FRM）的旋光角偏差，设法拉第旋光镜（FRM）的单程旋光角为：

式（2）中，Δα为FRM旋转角偏差。则两个探测器输出的电信号分别为：

根据式（7）利用信号处理电路便可求得被测电流I。

3 性能测试及分析

对研制的无调制器全光纤光学电流互感器样机性能进行了全面测试，测试试验包括传感环温度特性测试、线性度及大电流误差测试、谐波测量特性测试、传感环抗振特性测试等。

3.1 温度特性测试及分析

实际运行时光纤传感环及远端光路模块通常置于户外，采集模块置于室内，为验证户外部件的温度特性，对光纤传感环及远端光路模块进行温度特性测试试验。将光纤传感环及远端光路模块置于温度控制箱进行-40 ℃～+50 ℃温度特性测试，图2 所示为温度特性测试试验线路图。

图2 温度特性测试试验线路图Fig.2 Temperature characteristic test circuit diagram

试验结果如图3所示。

图3 温度特性测试试验Fig.3 Temperature characteristic test

由图3 可见，在-40 ℃～+50 ℃温度范围内光纤传感环及远端光路模块的特性变化会使光学电流互感器的测量误差偏至-1%～+1.5%。光纤传感环及远端光路模块中受温度影响较大的器件主要是Faraday 旋光镜，Faraday 旋光镜的旋转角度易受温度影响。因此，无调制器全光纤光学电流互感器的应用需要考虑温度影响，对于在线监测等对测量精度要求不高的场合，可以使用无调制器全光纤光学电流互感器。

3.2 线性度及大电流误差测试

研制的样机额定一次电流In为1 000 A，对样机在5%In～200%In的线性度及20In的大电流测量误差进行了测试试验，测试结果如表1所示。由表1可见，无调制器全光纤光学电流互感器的常温测量精度满足1级及5P20要求。

表1 线性度及大电流误差测试Table 1 Linearity and large current error test

3.3 谐波测量特性测试及分析

为验证无调制器全光纤光学电流互感器的谐波测量特性，对样机在50 Hz～1 000 Hz 频率范围的测量特性进行了测试试验，测试结果如表2所示。

表2 谐波测量特性测试Table 2 Harmonic measurement characteristic test

由表2 可见，在50 Hz～1 000 Hz 频率范围，无调制器全光纤光学电流互感器的比差随频率的增高而增大，20次谐波（1 000 Hz）的测量误差为-5%，谐波测量特性满足《GB 20840.6 互感器第6部分低功率互感器的补充通用技术要求》的要求。影响谐波特性的主要环节是采集模块信号处理电路的低通滤波，样机信号处理电路低通滤波的截止频率是2 kHz，提高信号处理电路低通滤波的截止频率可以改善互感器的谐波测量特性。

3.4 抗振特性测试及分析

实际运行时光纤传感环安装于户外，要求光纤传感环具有较好的抗振特性。将光纤传感环置于振动试验台进行抗振特性测试，如图4所示，按照《GB 14537-1993 量度继电器和保护装置的冲击与碰撞试验》一级振动试验要求对光纤传感环进行碰撞试验，碰撞时间间隔6s。

图4 光纤传感环振特性试验Fig.4 Vibration characteristic test of optical fiber sensing ring

试验表明无调制器全光纤光学电流互感器光纤传感环在承受1 级10G 的碰撞振动时，光学电流互感器的输出无异常，光纤传感环受振动很小。

无调制器全光纤光学电流互感器的传感光纤采用保圆光纤，保圆光纤具有较好的抗弯曲特性及抗振性能，同时互感器光纤传感环的光路具有互易性，因此无调制器全光纤光学电流互感器光纤传感环具有较好的抗振性能。

4 结论

基于Faraday 旋光镜的无调制器全光纤光学电流互感器不需要铌酸锂相位调制器或PZT 相位调制器，光路系统简单，成本是调制器全光纤光学电流互感器的一半左右，采集模块可以实现远距离布置，较好地解决了调制器全光纤光学电流互感器成本高、采集单元不能远距离布置的缺陷。但无调制器全光纤光学电流互感器的温度特性、测量精度及动态范围目前还达不到调制器全光纤光学电流互感器的水平，需要进一步深入研究，Faraday旋光镜的温度特性是影响无调制器全光纤光学电流互感器温度特性的主要因素。对于在线监测等某些对测量精度要求不高的场合，无调制器全光纤光学电流互感器可以发挥其成本低、采集单元能远距离布置的优势，有一定的应用前景。