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光纤传感技术在智能电网中的应用

光纤传感器可以大致分为两大类,一类是用于电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等测量的单

点式光纤传感器,通常应用在电力系统中的发电、变电、配电等环节中的电气设备中。另一类是对长距离、

大跨距的输电线路进行温度、应力等物理量监测的分布式光纤传感器,主要用于输电环节,以保证输电线

路的安全、正常运营。

1-3-1单点式光纤传感器在智能电网中的应用

对电力系统中的高电压、大电流进行检测,可利用磁光效应制成光纤电流传感器。磁光效应指的是具有

固定磁矩的物质在外磁场的作用下,其电磁特性将发生变化,从而导致光波在其内部传输时特性也发生变

化。光纤电流传感器采用光纤作为传输介质,与传统的电磁感应式电流互感器相比,与被测装置没有电气连

接,可对电力系统中高电压、大电流进行测量,并具有明显优势:不含油,没有爆炸危险;绝缘等级高,运行

安全可靠;抗电磁干扰,测量范围宽;体积小,便于安装等[i,ii]。

基于Faraday磁光效应的OCT是利用线偏振光在放置于磁场中的物质传播过程中,与磁场方向相同的光

信号的偏振面会随磁场的变化而发生旋转,通过测量由磁场导致偏振面旋转的角度得到被测电流强度。其

LH[iii]

中,Faraday旋转角和光在磁光材料中传播的长度、磁场强度之间关系为:

CHdl(1.1)

v

L

根据安培环路定律:

HdlNI(1.2)

L

可得:

CNI(1.3)

v

NI

式中为光信号环绕待测电流传播的周数,为待测电流。

由式(1-3)可以看出,只要能够准确测量法拉第旋转角度,就可实现电流的测量,且被测电流与旋转角

之间有良好的线性关系。测量时传感头可采用块状光学玻璃和光纤两种结构,分别对应光学玻璃型电流

传感器和全光纤电流传感器。

光学玻璃型电流互感器(如图1所示)采用具有较高费尔德(Verdet)常数的块状光学玻璃作传感头,输

入光信号在玻璃中传播时经多次反射形成围绕待测电流的闭合光路,然而全反射过程中导致光矢量两分量

之间形成的相差,该相差引起光的偏振态发生变化产生双折射相应,从而影响光学玻璃型电流传感器的检

[iv]

测灵敏度。要想提高该类互感器的灵敏度必须克服全反射引起的双折射效应。可以采用双正交反射方案、

[v][vi][vii]

在光反射的界面上镀膜、采用临界角反射等偏正态保持方案,也可采用诸如正方、三角、圆等形状。

但总体而言,为获得高的测量精度,需要对反射面进行精心加工,同时测量结果容易受到信号光波长以及

环境因素的影响,因此不能很好的消除全反射引起的相差,限制了该类型的电流传感器在实际工业环境中

的应用。另外,用于电流测量的光学玻璃必须具有较高的费尔德常数,但费尔德常数越高,该玻璃受温度

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