一种抑制线性双折射对全光纤电流互感器影响的方法

摘要

本发明公开了一种抑制线性双折射对全光纤电流互感器影响的方法，通过把传感光纤螺旋状绕在载流导体周围的圆箍上形成光纤螺线管，并选择合适的螺旋角和半径来准确控制传感环的圆双折射，引入满足式1的T＝178°持续存在的圆双折射，抑制线性双折射引入的误差；，其中：；M是圆双折射T的衰减振荡函数；T是传感光纤中存在的圆双折射；Δ是传感光纤中存在的线性双折射。本发明可以简单准确地控制光纤传感环的圆双折射来抑制线性双折射引起的误差，从而能有效地提高光纤电流互感器的精度和稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种抑制线性双折射对全光纤电流互感器影响的方法，用于提高数字化变电站中全光纤电流互感器的测量精度和稳定性。

背景技术

与传统的电磁式互感器相比，光电互感器具有体积小，重量轻，绝缘结构简单，测量动态范围大，精度高，抗电磁干扰能力强，暂态特性好，便于数字化等优点，而且无磁饱和、铁磁谐振以及二次开路等问题。光学电流互感器按光路结构可分为磁光玻璃式和全光纤两类。磁光玻璃式电流互感器系统由分立元件组成，结构复杂，抗振动能力差，光学元件间用光学胶粘接，性能极易退化，长期运行稳定性差，且各分立光学元件加工困难。全光纤式电流互感器利用光纤作为电流传感材料，系统各元件均是通过光纤熔接连接而成，无分立元件，结构简单，抗振动能力强，连接可靠，且系统光学器件基于光纤制作，工艺成熟，一致性好，更贴近电力系统现场使用的要求。因此，全光纤电流互感器已逐步被市场接受，目前已经成为电流互感器制造商重点研发的方向。

目前研究较多的是互易反射干涉仪结构的全光纤电流互感器，系统采用一个反射镜使光路完全对称，大多数干扰如振动等由于其良好的互易性而得到很好地抑制，只有Faraday效应在一次导体周围的光纤传感环中产生的与电流成正比的相移则是非互易的，因而这种光纤电流互感器能排除大多数干扰较好地探测出电流信息。然而传感光纤环中存在的线性双折射会对系统探测电流信息产生干扰。传感光纤内部的结构不对称，如光纤截面的椭圆度及包层纤芯的不同心度均会产生线性双折射，传感光纤在导体周围的弯曲，受到张力和外部不对称应力等也会产生线性双折射。因而传感光纤中不可避免地存在着线性双折射。理论和实际应用都表明，传感光纤中线性双折射的存在会对光纤电流互感器的精度产生较大影响。而且一旦温度改变，线性双折射也随之改变，量化和消除线性双折射很困难。因此，线性双折射不仅影响全光纤电流互感器的精度，而且会影响其长期稳定性。这也是决定全光纤电流互感器性能好坏的关键所在。

为减小传感光纤中线性双折射的影响，目前见报道的有以下几种方法：

1、对传感光纤进行退火处理，消除应力以期尽可能消除线性双折射。但经退火处理后的传感光纤变得易碎，很容易折断，其长期实用性有待考验。

2、在制造光纤拉丝的过程中同时快速旋转光纤预制棒，制成Spun fiber，引入大量圆双折射抑制线性双折射的影响。但这种光纤引入的圆双折射在长期使用过程中会有退化现象。其长期稳定性有待解决。

3、将单模光纤沿光纤轴扭转从而引入大量圆双折射，这种方法同样存在圆双折射随时间退化的问题。

参考文献：

[1]实用新型专利CN 2638071Y反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器

[2]US Patent NO.5270791Fibre optic measuring device，rate gyro，stabilizationsystem and magnetic field or current sensor

[3]K.Bohnert，P.Gabus，J.Nehring，H.Temperature and VibrationInsensitive Fiber-Optic Current Sensor.J.OF Lightwave Technology，Vol.20，NO.2，Febr.2002 pp267～276

[3]姜中英，张春熹，徐宏杰，王夏宵，线性双折射对光纤电流互感器影响的研究光学技术Vol.32 Suppl.2006年8月pp218～223

[4]刘彬张君正光纤电流Sagnac环的研究仪器仪表学报Vol.24No.32003年6月，pp324～326

发明内容

本发明的目的是：提供了一种更简便可靠地抑制全光纤电流互感器光纤传感环中线性双折射引起的误差方法，通过比较简单的途径准确地在光纤电流互感器的光纤传感环中引入满足一定条件的特定数量的可持续存在的圆双折射来抑制线性双折射对光纤电流互感器误差的影响。

本发明的技术方案：一种抑制线性双折射对全光纤电流互感器影响的方法，通过将传感光纤以螺旋状形式绕在载流导体周围的圆箍上形成光纤螺线管，并选择合适的螺旋角和半径来准确控制传感环的圆双折射，引入满足式1的T＝178°持续存在的圆双折射，抑制线性双折射引入的误差。

$M={\sin }^2\left(\frac{1}{2}\alpha \right){\cos }^2\left(\chi \right)=0$式1

其中：$\alpha =2\sqrt{T^2+{(\Delta /2)}^2},$$\tan \left(\chi \right)=\frac{2T}{\Delta }$

M是圆双折射T的衰减振荡函数，决定了光纤电流互感器的比例因子误差大小；T是传感光纤中存在的圆双折射(单位是度)；Δ是传感光纤中存在的线性双折射(单位是度)。

并通过选择传感光纤制成的螺旋管的螺旋角和半径满足式2，来实现传感光纤中引入圆双折射T＝178°：

式2

其中：θ是螺旋角(单位是度)，R是螺旋管半径(单位是米)，N₁是光纤螺旋管圈数；T是传感光纤螺旋管的圆双折射。

其中，引入圆双折射T＝178°时，传感光纤在圆箍上绕的圈数N₁小于10圈。

其中，缠绕在圆箍上的传感光纤可以是低双折射光纤或普通单模光纤，并且采用不同光纤时，光纤螺旋管的螺旋角和半径参数一样。

本发明的有益效果：本发明可以简单准确地控制光纤传感环的圆双折射满足T＝178°来抑制线性双折射引起的误差，能有效地提高光纤电流互感器的精度和稳定性，避免了其它抑制线性双折射的影响的方法的复杂性和不可靠性。

附图说明

图1为本发明中因子随线性双折射Δ和圆双折射T变化的函数关系图；图中：线性双折射Δ/°，单位是度；圆双折射T/°表示，单位是度。

图2为全光纤电流互感器的比例因子误差在不同线性双折射Δ时与圆双折射T的函数关系图；

图中：比例因子误差，单位是％；表示圆双折射T/°，单位是度。

图3为在光纤传感环引入可控大小的圆双折射的方法示意图

图中：20-螺旋管结构；21-载流导体；22-起始端λ/4波片；23-光纤螺旋管；24-末端反射镜；25-圆箍。

图4采用其他方法的全光纤电流互感器比例因子误差和温度随时间变化图；

图5采用本发明方法的全光纤电流互感器比例因子误差和温度随时间变化图。

图4和图5中：比例因子误差，单位是％；温度，单位是℃；时间，单位是小时。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

由图1可知，在传感光纤中存在的线性双折射Δ一定时，M是圆双折射T的衰减振荡函数，而在线性双折射Δ变化较大范围内，圆双折射T一定时，M均接近0。因而在圆双折射T取特定值时，可以抑制线性双折射的影响。当M＝0时，由式1可得圆双折射T对应的三个解约为：T₁＝178°，T₂＝359°，T₃＝539.5°，而且在T≥700°，在较大的线性双折射Δ(42°)时，M仍接近0。

T₁，T₂，T₃三点对应的正是如图2圆圈所指出的三点，即当光纤传感环引入的圆双折射为T₁＝178°，或者T₂＝359°，或T₃＝539.5°时，比例因子误差约为0，线性双折射引入的误差可以消除。而且在T≥700°时，即引入大量圆双折射时，线性双折射引入的误差也能基本消除。

M＝0的三个解中，T₁＝178°是很容易实现的。把传感光纤扭转6，7圈即可使T₁＝178°。可以把传感光纤环做成如图3中20所示螺旋管结构来引入圆双折射。在光纤电流互感器中的通电导体21周围传感区域放置一个由非导体材料如塑料、玻璃等制成圆箍25，传感光纤螺旋状地绕在这个圆箍上。为使光在通电导体周围走过的路经是闭合的，得使圆箍上缠绕的光纤螺旋管23的末端反射镜24和起始端λ/4波片22位置尽量接近。

通过选择传感光纤制成的螺旋管的螺旋角和半径满足式2，来实现传感光纤中引入圆双折射T＝178°：

式2

其中：θ是螺旋角，R是螺旋管半径，N₁是光纤螺旋管圈数；T是传感光纤螺旋管的圆双折射。

很容易通过选择螺旋角和螺旋管半径，来实现在传感光纤中引入圆双折射T＝178°。使光纤电流互感器的输出不再受线性双折射的影响，提高了其精度和稳定性。这种光纤螺旋管中产生的圆双折射不会随时间变化而退化，其稳定性较好。显然，这种把光纤电流互感器传感环螺旋状绕在圆箍上形成光纤螺线管，并选择合适的螺旋角和半径来准确控制传感环的圆双折射的方法也可实现引入大量圆双折射(T≥700°)从而抑制线性双折射的影响。采用这种方法时，对传感光纤要求降低，不需要性能很特殊的扭转光纤，可以是低双折射光纤或者普通单模光纤。使用普通单模光纤可以很好地降低光纤电流互感器的成本。采用不同光纤时，虽然引入的线性双折射不一样，只要光纤螺旋管的螺旋角和半径参数一样满足引入的圆双折射为T＝178°，则不同大小的线性双折射均能得到有效地抑制。

光纤电流互感器工程化面临的最大问题是其精度受环境温度影响很大，本发明提供的方法能较好地解决这一问题。为验证这种通过抑止线性双折射提高光纤电流互感器精度的方法，先把一套光纤电流互感器的传感光纤(低双折射光纤)在非导体圆形支架，即圆箍25上绕制成环状即做成光纤螺旋管23，围绕住载流(通电)导体21的周围，由于此圆形支架半径约35cm左右，光纤传感环中引入的圆双折射较小，不能满足T＝178°。在一次导体中通上约200A电流，并控制光纤电流互感器传感环温度在-40℃～+50℃范围内变化进行约9小时的实验，全光纤电流互感器比例因子误差(Scale Factor Error，也称为比差，)和温度(Temperature)随时间变化如图4。可见光纤电流互感器精度随温度变化较大，约有-3.5％～+3％，不能满足电力系统的精度要求。

如果按本发明所述的方法，把同样一套光纤电流互感器的传感光纤在直径约为35cm的圆箍25上，把光纤绕成半径约5cm的光纤螺旋管23，圈数控制在8圈，使光纤传感环中引入的圆双折射满足T≈178°，则此时在一次导体中通上约200A电流，并同样控制光纤电流互感器传感环温度在-40℃～+50℃范围内变化，同样实验9小时，其比例因子误差和温度随时间变化如图5。此时光纤电流互感器精度随温度变化很小，约为-0.15％～+0.15％，能很好地满足电力系统的精度要求，精度达到0.2S级。可见本专利所述方法能较好地改善全光纤电流互感器的温度试验结果，能很明显提高全光纤电流互感器的精度和稳定性。