光纤大电流传感器研究

0 引 言
随着电力工业的迅速发展，电力传输系统容量不断增加，运行电压等级越来越高，不得不面对棘手的强大电流的测量问题。一次仪表和二次仪表之间的电绝缘和信息传递的可靠性要求可能使传统的测量手段无用武之地。而在高电压、大电流和强功率的电力系统中，测量电流的常规技术所采用的以电磁感应原理为基础的电流传感器(简称为CT)，暴露出一系列严重的缺点：由爆炸引起的灾难性事故的潜在危险；大故障电流导致铁芯磁饱和；铁芯共振效应；滞后效应；输出端开路导致高压；体积大、重量大、价格昂贵；精度无法做得很高；易受电磁干扰影响。传统CT已难以满足新一代电力系统在线检测、高精度故障诊断、电力数字网等发展的需要将光纤传感技术引入到电流检测中的光纤电流传感器(简称OCS)成为解决上述难题的最好方法。
自从1973年，AJRogers首先提出光学电流传感的想法以来，光纤传感技术已发展了20多年。与普通电磁互感器相比，在高强电流测量应用中光纤电流传感器具有以下优点：光纤电流传感器没有磁饱和现象，也不像通常的电磁互感器的动态工作范围受磁饱和效应的限制；光纤电流传感器抵抗高电磁干扰，对环境的要求低；光纤电流传感器可以在较宽的频带内，产生高线性度响应；光纤电流传感器体积比较小，安装使用比较方便等。
总之，光纤电流传感器具有许多优点，尤其是它的绝缘性能好，体积小，成本低，并且频带宽，响应时间短，可同时用于测量直流、交流及脉冲大电流，因此可望成为高压下测量大电流的理想传感器。

1 传感器原理及光路设计
光纤电流传感器利用磁光材料的法拉第效应，在光学各向同性的透明介质中，外加磁场H可以使在介质中沿磁场方向传播的平面偏振光的偏振面发生旋转，偏转角度通过检偏器可确定。其原理如图1所示，B为两偏振器夹角，θ为平面光通过磁光晶体后发生的偏转角。

其旋转角θ与光传播的磁光材料上的磁场中强度H和磁光材料的长度L成正比：当H一定时，旋转的角度θ为：
θ=vHL (1)
式中：v为verdet常数；H为磁场强度；L为磁光玻璃长度。通电长直导线磁场公式：
H=I／2πr (2)
入射光强为P0，由马吕定律得出射光强为：

由式(3)可得出：

再由式(4)可得：当P=P0时，Imax=2πrB／vL，只要角B越大，所能测的最大电流值也越大，所以在实验中常用增大角B的办法来增大其测量范围。但在实际中，角B的增大到一定值后会使光路的调焦变得更困难，并使小信号更难测量，在以往实验中一般取B=45°或相差不大的值。在该实验中选用2 mw的激光器作调整光源，在第一次调焦时把磁光晶体的出射光投到1 m外的地方以便消除可能出现的双折射，并用光学胶密封各接合面，使光路调整更容易操作，因此角B选择了80°。上式中，夹角B在传感器完工后是定值，因此只要测得P，P0值就可得到电流值。