光学电流互感器（精选7篇）
光学电流互感器 篇1
摘要：准确度和稳定性是光学电流互感器(OCT)的主要性能指标。文中在自适应光学传感器的基础上进行研究和改进,提出采用新型的稳定性高的传感头设计与锁定放大器进行微弱光电信号检测相结合的方法,即在磁光传感系统中采用螺线管聚磁光路结构,并缩短磁光传感材料,提高OCT的长期运行稳定性,信号处理部分采用锁定放大器和与传统电流互感器互补结合的方法综合提高OCT的暂态和稳态准确度。最后通过虚拟仪器LabVIEW对检测系统进行仿真实验。
关键词：光学电流互感器,锁定放大器,运行稳定性,测量精度,输出信噪比
0 引言
随着数字化变电站的发展,以法拉第磁光效应[1,2]为原理的自适应光学电流互感器(AOCT)[3]逐步实现了实用化[4]。以往的AOCT传感部分通常采用顺磁性磁光材料以便于实现自适应光学传感过程[5],然而顺磁性磁光材料Verdet常数比较大,当AOCT测量暂态大电流时法拉第旋转角非常大,导致非线性误差及各谐波所引起的畸变比较大。为了进一步完善和发展AOCT,解决其存在的问题,本文在螺线管聚磁光学传感头中采用抗磁性磁光材料,并缩短磁光材料的长度,以减小AOCT的非线性误差及各谐波所引起的畸变,并进一步提高其长期运行稳定性。但此时AOCT测量小电流得到的光电信号主要被AOCT内部固有噪声影响,严重时会被湮没,其测量值存在较大误差。因此,如何有效地去除噪声的影响,同时得到高精度的数据以确保实现自适应光学传感过程是必须解决的问题。在原有AOCT的基础上,本文通过在信号处理部分采用锁定放大器(LIA),使得改进后的AOCT实现大范围电流的高精度测量,综合提高AOCT的暂态和稳态准确度。通过基于虚拟仪器LabVIEW的检测系统对本文提出的电流测量过程进行仿真实验。
1 AOCT的电流测量过程
根据对光学电流互感器(OCT)数学模型[4]的分析可知,被测电流包括50 Hz的基波电流及各次谐波电流,各种电流成分作用下的光学传感系统所表现的特性始终是一致的[1],而且外界对OCT的影响也不会由于电流成分的不同而有所变化。因此,基波电流与其他电流成分所对应的OCT的比例系数相同。AOCT的系统原理如图1所示。
图1中的稳态电流参考模型是以传统电流互感器为传感元件的电子式互感器,提供高精度的基波电流量测量。在电力系统稳态时,稳态电流参考模型的测量值经过横向滤波器组直接输出,同时光学传感元件OCT部分通过整周期累加平均法计算基本光强P0,利用稳态电流参考模型所测得的电流信号作为光学传感元件的锁定放大器部分的同频率基波参考信号,在稳态电流参考模型和光学传感元件所测得的电流信号经锁定放大器后应用自适应算法计算自适应校正系数。
由于采用基于电磁感应原理的电流互感器作为参考模型来提高其稳态测量精度,当电力系统发生故障时,稳态电流参考模型会因电流中出现的非周期分量产生磁饱和现象而导致严重的波形失真。因此,在电力系统出现故障后必须停止计算自适应校正系数,以避免稳态电流参考模型的失真波形影响OCT的输出,同时需要停止计算P0。由于电力系统中故障时间非常短,外界因素如温度等对光学传感元件的影响在暂态过程中是不变的,故障前后的自适应校正系数也就不变,此时系统采用故障前一时刻稳态所计算出的自适应校正系数,使故障后AOCT的准确度也达到参考模型稳态准确度的水平;同时可认为短时间内OCT中的P0不变,将稳态情况下计算出的P0代入,在后续电路中直接减去该值,通过滤波器组直接输出故障电流信息。故障后的校正参数并不是以故障后参考模型的输出为基础计算得到的,因此故障后由饱和等因素引起的参考模型输出误差不会影响AOCT的暂态准确度。另外,由于通过直接减去P0而得到故障电流,保留了非周期分量,解决了原OCT的单光源单探测器交流/直流法不能测量非周期分量的问题。
为了能将稳态测量期间所获得的自适应校正系数以及P0值应用到暂态测量中,以更好地消除温度、双折射等因素的影响,必须在电流突变瞬间就捕获突变时刻和突变量的大小。本文采用突变量检测方法,检测出电力系统由稳态向暂态转变瞬间会在被测电流中出现的奇异点,以闭锁基本光强的计算过程及校正参数的自适应算法。当电力系统发生故障时,通过突变量检测立即停止计算P0,利用暂态测量通道输出故障电流值,此时不经过稳态测量通道,因此停止计算新的校正参数,并采用故障前一时刻的P0和稳态所计算出的自适应校正系数,通过横向滤波器组直接输出,如图1中虚线所示。
需要指出的是,由于在稳态电流参考模型和光学传感元件的输出信号之后都采用了锁定放大器,因此改进后的AOCT有效地抑制了AOCT内部噪声,提高了信噪比。在保证AOCT的非线性误差及各谐波畸变很小的前提下,提高了改进AOCT对大范围电流测量的精确度和其暂态及稳态准确度。
2 锁定放大器
将锁定放大器应用到AOCT微弱信号系统中,对光电探测器中的噪声[6]有很好的抑制作用。本文采用了正交矢量型锁定放大器[7]进行AOCT微弱信号的检测,其系统结构如图2所示。
电力系统稳态运行时,在不考虑谐波输出的情况下,对于被测稳态电流i=Imsin(ωt+φ),光电探测器输出的电压信号为[4]:
u(t)=P0(1+2θ)=P0+2P0VImsin(ωt+φ) (1)
式中:θ为法拉第旋转角;V为磁光材料的Verdet常数。
经过整周期累加平均方法可得P0,在后续电路中减去该值,即可得到携带有用电流信息的交流量,通过带通滤波器(BPF)及前置放大器后的输出信号为:
式中:Vs=2k1P0VNIm。
忽略光电探测器中白噪声,通过BPF后变成的以ω为中心频率的窄带噪声为n(t),选择参考信号为Vr1(t)=sin ωt,Vr2(t)=cos ωt,则相敏检测器PSD1的输出为:
up1(t)=-0.5Vscos(2ωt+φ)+0.5Vscos φ (3)
相敏检测器PSD2的输出为:
up2(t)=0.5Vssin(2ωt+φ)+0.5Vssin φ (4)
通过LPF和GDC后,便可以得到同相输出I和正交输出Q:
根据
考虑窄带噪声n(t)的影响[8],n(t)可分解为:
式中:nc(t)和ns(t)是2个相互独立的低频平稳随机过程,它们的均值都为0,幅度分布为高斯分布,功率谱密度在-B/2~B/2带宽范围内恒定为N0/2,且nc(t)和ns(t)的功率相同,都等于n(t)的功率。
n(t)Vr1(t)=(nc(t)cos ωt-ns(t)sin ωt)sin ωt=
0.5nc(t)sin 2ωt+0.5ns(t)cos 2ωt-
0.5ns(t) (8)
n(t)Vr2(t)=(nc(t)cos ωt-ns(t)sin ωt)cos ωt=
0.5nc(t)cos 2ωt+0.5nc(t)-
0.5ns(t)sin 2ωt (9)
噪声的和频项被滤除后,其噪声分别主要表现为-0.5ns(t)和0.5nc(t),且由于nc(t)和ns(t)的均值都为0,通过长时间的积分作用后,可大大滤除噪声。
由此可见,虽然磁光材料的缩短会使得改进AOCT输入信噪比降低,但其非线性误差及各谐波的畸变很小,所受外界温度干扰的影响也大为降低,使得其长期运行稳定性大为提高;同时,通过微弱信号检测过程可看出在信号处理部分采用锁定放大器能有效抑制光电探测器的主要噪声,将信号从噪声中分离出来,输出最初正确的微弱电流信号,从而提高了改进AOCT的输出信噪比和测量精度。
3 AOCT交流电流检测实验
为了检验改进AOCT的测量性能,需要进行交流电流的检测实验。实验电路如图3所示。
实验采用的设备包括调压器、400匝螺线管、滑线变阻器(取值100 Ω)、47 μF电容器、用于测量线路电流的PROVA-11型微电流交直流钳形表、HKA0.5-NP霍尔小电流传感器、LXYA 100 V/3.5 V微型精密高精度变换器、NI USB-6251数据采集卡。由于在实验室中没有直接产生600 A~1 000 A的大电流发生器,为此采用提高安匝数的办法将通过螺线管的小电流等效放大,以达到发生大电流的效果。需要强调的是,在实验中所采用的螺线管不是前文所述的光学传感系统中通过一次大电流的聚磁螺线管。在实际应用中,AOCT光学传感系统中的聚磁螺线管的匝数通常是几匝。
NI USB-6251是一款高速多功能数据采集模块,在高采样率下也能保持高精度。通过DAQ Assistant软件可以实现数据采集并将模拟信号与所编写好的LabVIEW程序[9,10]相连。本文采取用传统电流互感器作为参考信号,经移相得到正交的参考信号,计算AOCT测量值与电流互感器测量值,并得到两信号在噪声情况下的测量误差。AOCT信号检测结构如图4所示。
由于实验在非恒温条件下进行,所采集的AOCT和传统电流互感器信号会受到温度变化的影响,因此需要在运行一段时间后重新计算其整定值。调节接触调压器输出所要测量的AOCT信号和电流互感器信号,采样率选择10 kHz,被测信号频率为50 Hz,采样点数为105时,连续运行400次,记录每次AOCT测量值与电流互感器测量值之间的电流幅值最大误差,如图5所示。
实验结果证明AOCT与电流互感器通过锁定放大器后的测量值误差在0.2%以内,检测系统能有效滤除噪声,提高了输出信噪比和测量准确度。
4 结语
本文在采用AOCT中的螺线管聚磁光学传感头的基础上,改用抗磁性材料并缩短磁光材料的长度,提高了OCT的长期运行稳定性。在信号处理部分采用锁定放大器和与传统电流互感器互补结合的方法综合提高OCT的暂态和稳态准确度。同时,利用LabVIEW对检测系统进行了仿真实验,证明检测系统能有效滤除噪声,提高了输出信噪比和测量准确度。
感谢华北电力大学校内博士学位教师基金的资助。
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光学电流互感器 篇2
关键词：互感器,光学电流互感器,磁路,磁场,磁光效应,集磁环,气隙,设计
光学电流互感器(OCT)作为电力系统电能计量和保护的重要设备,在电力系统的正常运行中发挥着重要作用[1]。提高OCT的测量精度、改善其各方面的性能是十分必要的。集磁环式OCT是OCT中的一种,它的传感机理是通过将磁场信息集中在光学材料上,进而提高OCT的测量灵敏度。因此,集磁环的结构及尺寸直接影响了集磁环式OCT的测量品质。确定其最优结构对于集磁环式OCT的研制有重要意义。本文利用Ansoft软件对集磁环式OCT进行仿真分析,对集磁环进行设计并对气隙尺寸进行讨论,结合工程需要确定与输入电流等级相匹配的集磁环式OCT的最优结构。
1 集磁环式OCT的工作原理
OCT的基本工作原理是法拉第磁光效应原理[2,3],即线偏振光通过位于磁场中的晶体时,其偏振角发生偏转,偏转角度为
其中,V为光学材料的菲尔德常数(rad/A);H为磁场强度(A/m);l为光程长度(m);θ为线偏振光的偏转角(rad)。
由安培环路定律可知:
其中,Ω为闭合积分路径(m);I为穿过闭合环路的电流(A)。原理图如图1所示。
集磁环式OCT磁光材料[4]周围加上了改变磁场特性的集磁环。其传感头的结构图如图2所示。
假定磁环的气隙很小,集磁环内部和气隙内磁场强度分布均匀,在磁路上气隙磁阻和集磁环磁阻相当于串联关系,等效模型如图3所示。其中,I为被测导线电流;Φ为磁通;Rg为集磁环气隙磁阻;Rr为集磁环磁阻。则可推导出气隙上的磁压降Fg与集磁环上的磁压降Fr之比为
由于空气的相对磁导率远小于集磁环的相对磁导率,故Rg≥Rr,K≥1,即气隙上的磁压降远大于集磁环上的磁压降。导线周围磁路的磁压降集中到集磁环气隙上,增强气隙内磁场强度,于是将被测电流周围磁场的环路积分转变为气隙内磁场的线积分,提高了互感器的测量灵敏度。
2 集磁环式OCT特性分析
2.1 灵敏度特性
由马吕斯定律得到集磁环式OCT的输入、输出的光强关系为
其中,PI为起偏器发出光强;Po为检偏器检测光强;准为起偏器发光端、检偏器检偏端夹角;θ为偏振光偏转角。令:
式(6)为集磁环式OCT的灵敏度公式,一般准取45°。由公式可知,在相同激励I的情况下,θ值越大,集磁环式OCT的灵敏度越高。灵敏度越高,集磁环式OCT的性能越好。
2.2 抗干扰特性
外电流产生的磁场对集磁环光学传感结构的干扰模型如图4所示。
此模型的等效磁路如图5所示,其中Iout为外场干扰电流,Φout为干扰电流产生的磁通,Φgo为干扰电流产生的经过集磁环气隙的干扰磁通,Φro为干扰电流产生的经过集磁环的磁通,Rout为外导线空间磁阻,Rgo为集磁环气隙磁阻,Rro为集磁环磁阻。
由等效磁路可推导出干扰电流产生的经过集磁环气隙的磁通与干扰电流产生的经过集磁环的磁通的比值为
该比值越小,集磁式OCT的抗干扰特性越好,对集磁式OCT的性能越有利。
2.3 磁特性
在忽略漏磁的情况下,被测导线产生的总磁势F=I,由式(2)得:
因此,降落在气隙上的磁势为
根据OCT的工作原理可知:Fg越大,测量越准确。
另外,磁介质的剩磁会造成去磁和磁化过程的磁导率发生变化,从而导致输出波形的畸变,因此减小剩磁对系统响应性能有着积极的意义。
3 计算模型的建立
气隙内磁场的分布是影响集磁环OCT精度和抗干扰性能的最主要因素,故可忽略涡流、集肤效应等附加效应。采用过程分析方法,将OCT瞬态特性简化为稳态特性分析[5]。所满足的麦克斯韦方程组:
其中,H是磁场强度,J是电流密度,B是磁感应强度。
静磁场是无源有旋场,引入矢量磁位A(x,y,z),使得B=▽A,最后得到泊松方程:
其中,A是矢量磁势,μr是材料的相对磁导率,μ0为绝对磁导率。
这是Maxwell 3D静磁场求解器进行有限元求解所使用的基本方程,静电场的边值问题求解可归结为给定边界条件下对泊松方程的求解。三维磁场相对磁导率采用张量形式表示。即
三维静磁场的计算方法与二维磁场不同。三维磁场计算以剖分单元边上的待求场量为自由度计算。
其中,φ为标量磁位;Hp为四面体剖分6条边上的磁场强度;Hc为永磁体上的磁场强度。
集磁环的整体结构设计对气隙内磁场有着直接的影响,进而影响集磁环式OCT的性能。基于实际安装限制等因素,本方案中:由于集磁环截面的形状选择圆形结构较方形结构的体积小,故选择圆形结构;集磁环式OCT气隙开口形状可选择图6所示的A型开口或B型开口,由于同尺寸晶体在B型开口气隙内的有效磁场强度积分数值少于A型,因此本设计的集磁环采用A型开口;沿导线周围积分环路的集磁环端面可以选择为圆形或矩形结构,为了减少加工难度及加工成本,本方案采用矩形端面。
初步确定了集磁环的基本结构后,利用Ansoft软件[7]搭建仿真模型之前还应该确定集磁环式OCT各部分结构的材料属性及边界条件[8]。
图2中所示集磁环式OCT的各部分结构对应的材料属性如表1所示。
综上所述,利用Ansoft有限元软件搭建集磁环式OCT的仿真模型如图7所示。
4 计算及结果分析
集磁环的气隙[9]开口尺寸、气隙矩形端面尺寸及集磁环半径的大小,对其灵敏度[10]、抗干扰性等特性的影响程度不同,进而影响着集磁环式OCT的整体性能,因此,本文借用Ansoft软件仿真分析确定集磁环的最佳尺寸,保证集磁环式OCT的最佳性能。
4.1 集磁环气隙开口尺寸的选择
根据实际工程需要,集磁环内所放的晶体尺寸为2 cm×2 cm×10 cm的长方体结构,晶体两端的起偏和检偏装置应预留出2 cm的空间,因此气隙的尺寸应≥12 cm。但是,由F=I及式(9)可得:
可见,气隙开口尺寸的增加,会导致气隙内磁场强度降低,这对OCT的灵敏度不利,也降低了系统的抗干扰性。
另外,对于整体结构而言,如图8所示,在集磁环内半径r1不变的情况下,气隙开口增大,会使集磁环整体结构同圆形差异较大,这导致气隙尺寸增大,也需要增大集磁环内半径,使得集磁环体积和质量进一步增加。因此,气隙开口尺寸不宜过大。鉴于此,本方案将气隙开口定为12 cm。通过仿真结果可知,该尺寸可满足集磁环式OCT各方面的性能。
4.2 集磁环气隙矩形端面尺寸的选择
根据实际应用可知集磁环式OCT的测量范围越大,应用越广泛。取不同的断面尺寸进行仿真,仿真结果如表2~4所示。表中,a、b分别代表断面的长和宽;磁场线性范围通过I1/(k I2)计算得到,其中I1是一次电流,I2是二次电流,k是互感器的变比。
可见,集磁环端面边长增加,集磁环式OCT的线性范围的顶端阈值得到明显提升。同时气隙开口尺寸不变时,边长增加将使漏磁的比例降低,气隙内光通路上的磁场积分将增加,保证了OCT线性范围的低端阈值没有变化。因此边长的增加会使OCT线性范围增加,同时保证其灵敏度不降低。
可见,集磁环端面边长增加,集磁环式OCT的线性范围的顶端阈值得到明显提升。同时气隙开口尺寸不变时,边长增加将使漏磁的比例降低,气隙内光通路上的磁场积分将增加,保证了OCT线性范围的低端阈值没有变化。因此边长的增加会使OCT线性范围增加,同时保证其灵敏度不降低。
电力系统短路电流通常是额定电流的20~40倍,为保证在大短路电流下集磁环不饱和,就要针对不同容量的系统选用不同规格的集磁环。仿真可知端面为5 cm×5.5 cm的集磁结构可以使用在额定电流为1 200 A的系统;端面为4 cm×4.4 cm的集磁结构可以使用在额定电流为500 A的系统。
4.3 集磁环半径的选择
集磁环内半径增大会导致集磁环整体重量增加,因此集磁环尽量选用较小的半径尺寸。通过仿真了解到,小半径集磁环的积分值更高,灵敏度更高。另外,考虑到集磁环气隙开口最小尺寸为12 cm,集磁环内半径过小又会导致集磁环整体圆形结构遭到破坏。本方案需测量导线的直径为8 cm,考虑到导线的外包裹层厚度和集磁环固定装置的尺寸,将集磁环内半径选为12 cm。
5 结论
a.集磁环式光学电流互感器将磁光材料与集磁环结构相结合,提高了OCT的测量精度,有实际应用意义。通过磁路方式定性分析了影响集磁环式OCT的灵敏度、抗干扰性能和其线性测量范围的因素。
b.利用Ansoft有限元软件建立了基于电磁场的计算模型,分析漏磁状态下的集磁环气隙磁场特性,磁场沿光路传播方向的积分同实际电流有着固定的比例关系,此比值波动范围很小,满足实用化要求。
c.根据实际工程需要和结构、性能分析结果,确定了本次方案集磁环的整体结构为圆形,气隙端面为矩形,气隙端面采用平行结构,气隙开口端面距离为12 cm,内半径为12 cm,端面为5 cm×5.5 cm的集磁结构可以使用在额定电流为1 200 A的系统;端面为4 cm×4.4 cm的集磁结构可以使用在额定电流为500 A的系统。
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光学电流互感器 篇3
关键词：光学电流互感器,稳定性,可靠性,温度,光学器件
0引言
光学电流互感器凭借其无饱和、绝缘好、抗电磁干扰等优点在电力系统中得到了广泛的应用, 尤其在智能电网项目中, 光学电流互感器以其具有数字化接口为电能计量和继电保护提供极大的方便。然而, 在实际运行中不断发现光学电流互感器的测量精度和长期运行稳定性都会受到环境温度的影响, 当环境温度变化时, 光学电流互感器的运行可靠性下降, 甚至会导致光学电流互感器失去测量电流的能力[1,2]。光学电流互感器是由几种光学器件通过光学胶粘合组成的光路系统, 光学器件的温度特性也就决定了光学电流互感器的温度特性。为此, 本文主要是对构成光学电流互感器的光学器件进行分析, 得出器件与温度相关的特性参数, 结合光学电流互感器的输出光强表达式, 分析其受温度影响时, 光学电流互感器的长期稳定运行状况与其器件直接的关系。
基于法拉第磁光效应的光学传感头在光路结构上是由光源、起偏器、磁光玻璃、检偏器组成, 图1为光学传感头的光路结构示意图, 光源发出的光经过起偏器输出的线偏振光Ei的光强为Ji, 经过磁光玻璃之后, 线偏振光在被测电流产生的磁场作用下, 线偏振光的偏振面发生偏转, 其角度大小为法拉第旋转角ϕ, 再经过检偏器即可得到输出光强Eo, 在不计光路损耗的情况下, 检偏器输出光强的大小Jo1等于光源输出的光强Ji。但实际上, 光路系统中存在一定的损耗, 所以在光路系统中输出光强并不能完全等于输入光强。
利用各个光学元器件的琼斯矩阵连乘的方式即可得到输出光强表达式:
δ为法拉第磁光玻璃的线性双折射;
ϕ为法拉第旋转角, 其单位为弧度;
θ是预偏角。
1光学材料折射率与温度的关系
为了分析环境温度对光学电流互感器的影响, 对光学材料而言, 折射率不能视为不变的常数, 事实上, 光学材料的折射率n不仅是波长λ的函数, 而且还与环境温度及所处的应变状态存在着一定关系。在光学研究中, 一般用光学材料折射率状态函数n (λ, T, ξ) 来描述折射率与相关变量之间的关系[3]。
通常将零压力状态下, 某一固定波长和恒定温度下的折射率记为n (λ0, T0) , 因为折射率变化很小, 所以可以在该特定波长值附近展开为:
基于以上模型, 给定光源中心波长、参考温度, 就可以测试出该波长和相应温度下的折射率, ∂n/∂T是光学材料在某一波长下的折射率温度系数。
2光学材料的光弹性效应
构成光学电流互感器的光学材料由于受热不均, 而存在温度差异, 材料各处受热膨胀或遇冷收缩而导致的变形不一, 就会产生相互约束的应力。对光学器件施以压力或者张力, 光学器件就会呈现出单轴晶体的特性, 即有效光轴都在压力方向上, 并且所引起的双折射与施加的应力成正比[4]。施加应力后, 光波在水平Ex和Ey分量上的折射率分别为n1、n2, 通过晶体的光弹性效应可知应力与位相差的关系为:
其中p11、p12是光弹性系数, 不同材料具有不同的数值, n是材料的折射率, 所以光学器件受外界作用力的影响, 将会产生形变, 而材料的形变就会使得折射率变化, 这也是产生双折射现象的部分原因。
3构成光学电流互感器的光学器件特性分析
3.1偏振器工作稳定性分析
偏振器件的传输矩阵不仅仅与其的固有特性, 如透过系数有关, 而且也与器件的放置有关, 考虑到器件受温度影响而使得位置改变的因素, 起偏器的琼斯矩阵表达式应为:
绝大多数研究都选取理想情况下, 起偏器参数消光比ε为0, θ为45°, 得出光学电流互感器的输出结果为:Uout=sin 2ϕ, 在法拉第旋转角ϕ很小的情况下, 化简为Uout≈2Vϕ。
但在实际中, 起偏器的消光比并不为0, 且数值还会与外界环境变化有关。当ε≠0, θ为45°时, 输出为:
可以得出, 由于起偏器受到外界环境的影响, 光学电流互感器输出信号中引入了大小为 (1-ε2) / (1+ε2) 的交流尺度因子, 以及大小为2ε/ (1+ε2) 的直流分量。
相关研究指出, 交流尺度因子可以通过信号处理电路消除这方面的影响, 而直流分量可以通过隔离电容来消除, 然而直流分量能够反映光学器件的实际运行性能, 根据直流分量的特征可以判断光学电流互感器所用偏振器件受温度影响情况。3.2单模光纤准直器的耦合损耗分析
单模光纤准直器是由四分之一节距的自聚焦透镜和单模光纤组成, 温度对其影响主要表现在器件之间的耦合效率方面, 由于温度变化, 导致光纤准直器出现一定程度的失配, 造成单模光纤间的耦合损耗[3,4]。
光纤间的失配主要有三种模式:偏轴、偏角和间距。
准直器之间的耦合效率公式分别为:
(1) 偏轴距离d
(2) 轴倾斜角β
() 轴向间距l
式 (7) 、 (8) 中a是光纤半径;NA是光纤的数值孔径, f是与折射率相关的常数。
在外界条件没有发生变化的情况下, 耦合损耗是确定的, 不会对光学电流互感器的稳定性产生影响。然而, 温度的改变必然会引起光路结构参数的变化, 从而导致耦合损耗的改变。通过实验表明轴倾斜角β受温度影响较敏感, 而缩短光程是提高光学电流互感器稳定性的有效方法。
3.3法拉第磁光玻璃工作稳定性分析
磁光玻璃对光学电流互感器运行可靠性的影响分为两方面, 首先是磁光材料的选取, 即选用Verdet参数受温度影响较小的磁光材料, 是提高光学电流互感器运行稳定性的有效办法。
对磁光玻璃的研究, 其次主要集中在双折射现象, 即一束线偏振光, 在光学玻璃中沿Z方向传播时, 可以分解成为两束分别沿着X和Y方向振动的线偏振光, 理想情况这两束偏振光具有相同的传播速度, 不会产生双折射现象, 但由于光学玻璃受到外界应力而导致其折射率不等, 所以就会产生双折射现象[5,6]。
磁光玻璃是在室温下完成封装的, 因此, 选择室温为参考温度, 当温度高于室温时, 光学玻璃和外部环氧树脂挡板由于膨胀而相互挤压, 所以会产生应力, 使通过光学玻璃中的线偏振光产生双折射现象。线偏振光进入磁光玻璃后, X、Y方向上的折射率差为:
式 (9) 中v是材料的泊松系数;p11、p12是光弹性系数, 不同材料具有不同的数值;n是材料的折射率, 是随温度变化的参量;E是杨氏模量;PX为热应力, 是与温度有关的量。
光在磁光玻璃中传播距离d后, 所产生的线性双折射为:
由此可见, 在设计光学传感头时, 磁光玻璃的长度也是影响光学电流互感器稳定运行能力及测量精确度的重要因素。
单位距离线性双折射为:
所以由上面公式可知相对室温情况下, 线性双折射的变化量为:
由光学电流互感器输出总光强表达式及交直流分量表达式可知, 法拉第磁光玻璃的线性双折射δ与以上各值都有直接关系, 参量δ的变化会影响光学电流互感器的测量精度以及长期运行稳定性的能力。
4基于多信息的光学电流互感器运行状况判断
通过以上对光学电流互感器的构成器件分析得知, 某些参量可以反映光学电流互感器构成器件的运行状况, 诸如消光比ε是反映偏振器件特性的重要参量, 线性双折射δ与磁光玻璃的运行特性紧密相关, 衰减系数是光路耦合的直接相关参数。而这些参量在输出光强表达式中都各有体现, 所以可以通过分析输出光强的变化特性来判断光学电流互感器的运行状态[7,8]。
由光学电流互感器的输出光强可以定义以下几种特性光强, 不同定义的光强可以反映不同的光学元器件运行特性。
4.1静态工作光强的特性分析
由光强输出表达式可以得出静态光强的表达式为:
其中α为衰减系数, 与光路结构有关。静态工作光强是光学电流互感器稳定工作的基础, 因为其能反映直流光载波的信息, 在光源工作稳定的状态下, 静态工作光强的变化将直接反映光路系统的结构变化情况, 通常温度变化或器件振动都会引起光学器件之间的耦合关系, 这样就会导致衰减系数α发生变化。所以可以通过分析静态工作光强的变化情况, 研究光学电流互感器的准直器与其他器件的耦合问题。
4.2法拉第效应光强的特性分析
由光强输出表达式可知, 其中一部分分量是与被测电流相关的, 即包含由被测电流引起的旋转角分量, 所以将这部分分量定义为法拉第效应光强, 其表达式为:
通过该表达式可知, 法拉第效应光强包含有被测电流信息, 通常Verdet常数对该光强会有一定的影响, 但通过选用温度系数小的磁光玻璃就可以避免光学电流互感器的测量精度受温度的影响。
4.3双折射光强的特性分析
输出光强中有一部分是与线性双折射δ有关的, 可以将其定义为双折射光强, 其表达式为:
双折射光强主要与线性双折射δ有关, 入射角θ变化也将引起该光强的变化, 当入射角固定不变时, 影响该光强的主要参量是线性双折射率。通过前面对光学元器件的分析得知, 线性双折射产生的原因是磁光玻璃的折射率受环境温度的影响, 所以该光强的变化情况结合法拉第光强的变化可分析磁光玻璃的运行性能。
通过对试验采集到的数据分析, 光学电流互感器输出的双折射光强与短期温度特性曲线如图3所示。
由曲线可知, 相同温度下, 不仅不同日期的双折射光强不同, 而且同一天的温度上升段和下降段的双折射光强也存在很大的差异。所以表明双折射光强与温度大小和温度变化率均有关, 也就是说温度上升与温度下降所导致的线性双折射是不同的, 所以线性双折射光强不同。
4.4交直流光强的特性分析
由光学电流互感器的输出光强表达式可知, 有一部分光强是与所要测量的电流相关, 即包含法拉第旋转角ϕ分量, 所以将这部分光强定义为交流分量, 另外一部分则与被测电流无直接关系, 将其定义为直流分量, 即:
直流分量由静态工作光强和双折射光强组成, 静态工作光强能够反映系统的光载波信息, 所以直流分量是能够反映光学电流互感器的基本运行状况, 当光路的衰减系数增大时, 静态工作光强要减小, 直流分量也会变小, 严重的情况会使光学电流互感器失去工作能力。双折射光强能够反映系统的调制信息, 在基本静态工作光强的基础上, 随着温度、外力等条件的变化而有所波动。所以, 光学电流互感器在正常工作情况下, 输出的直流分量应该是基本恒定的, 而在外界干扰的条件下有所波动。通过前期的试验数据表明, 直流分量的变化与温度变化呈现正相关的特性, 且由于光学传感头外部有屏蔽罩的作用, 直流分量变化对温度变化具有延迟性。
通过实验得出直流分量与温度变化的关系如图4、5所示。
通过以上分析得出器件运行状况与输出光学电流互感器输出信号及其内外因, 如表1所示。
根据以上分析所得出的结论, 即可以利用监测设备得到光学电流互感器的输出信息, 结合所采集到的实时环境温度变化、振动情况, 就可以分析出光学电流互感器的元器件运行状况与可靠性水平。
5结论
光学电流互感器的长期运行稳定性与其光学器件特性有着密切的关系, 而温度是诱发其特性变化的其中原因, 通过以上分析得出以下结论:
(1) 光学电流互感器的主要元器件都在不同程度上受到温度变化的影响, 导致其工作特性及其参数发生变化;
(2) 结合数据采集到的双折射光强信息, 分析其与温度、温度变化率的关系, 得出双折射光强的变化特性规律;
(3) 提出了通过分析光学电流互感器的输出量信息和温度变化曲线进行判断具体光学器件的工作状态, 从而得出光学电流互感器的运行情况。
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光学电流互感器 篇4
1) 绝缘结构复杂、体积大、成本高。
2) 存在磁饱和。造成电流互感器二次电流数值和波形的严重失真而导致继电保护误动作。
3) 电流测量线性范围小。当电流过大或过小时,比差和相差等测量误差会加大。
4) 互感器二次侧输出开路时,二次侧的感应电动势有可能达到数千伏。这不但危及人身设备安全,还有可能使二次绕组和二次设备的绝缘遭到损害,甚至使铁芯因过热而损毁。
5) 过载能力差。电流互感器二次侧负载超过所容许的数值时,励磁电流会大大增加,使得铁芯进入饱和状态,从而影响测量精度。长时间运行还会使铁芯损耗增大、发热严重甚至烧坏绝缘。当绝缘和散热介质为矿物油时,还存在因绝缘击穿而可能导致的燃烧、爆炸的危险。
6) 输入功率大,功率损耗大。
7) 无法保证暂态测量的精确度,给继电保护的可靠性和灵敏性构成威胁,这也是目前变电站综合自动化系统中测量和保护不容易实现数据完全共享的主要根源。
基于光学传感技术的光学电流互感器(Optical Current Transformer, OCT)与罗氏线圈或低功耗铁芯线圈式的电子式电流互感器(Electrical Current Transformer,ECT)一直受到国内外的广泛关注和深入研究。OCT与ECT均具有无磁饱和、安全性高等特点,被公认为是替代电磁式电流互感器的理想产品。按照敏感环方式的不同,OCT又可分为磁光玻璃式和全光纤式两种型式。二者基本原理一致。全光纤式(Fiber Optical Current Transformer, FOCT)采用全光纤光路通过一个相位调制器实现电流信号的闭环检测,从而大大提高了传感器的测量精度和长期稳定性,性能比磁光玻璃式好,成为国际上OCT发展的主流方向。
本文在介绍FOCT原理及特点的基础上,着重分析了FOCT在工程应用中所面临的问题并提出了解决措施。
1 FOCT的原理、特点及研究现状
1.1 磁光法拉第效应
磁光法拉第效应是指当一束线偏振光沿着与磁场平行的方向通过磁光材料时,线偏振光的振动平面将产生偏转(见图1)。线偏振光振动平面偏转角θF与磁场强度和光在磁场中所经历的路径距离成正比,用数学公式表达为
θF=∫VHdl (1)
式中:θF为通过介质的光的振动平面偏转角的大小;V为维尔德(verdet)常数;H为磁场强度;l为光在磁场中所经历的路径距离。
如果敏感路径是闭合环路,那么穿过敏感环路的电流所产生的磁场将作用于闭合环路,根据安培环路定律,可得:
式中:Nl为敏感路径的圈数(或匝数);I为通过环路的总电流数。
式(2)表明,通过磁光材料(光纤或者磁光玻璃)线偏振光振动平面的偏转角大小,与光学环路的匝数及穿过光学环路的总电流成正比。如果能够检测到光信号的偏振旋转角,也就能得到对应的被测电流值,这就是磁光法拉第效应电流互感器的基本原理。
1.2 FOCT的组成及工作原理
FOCT的工作原理如图2所示,光源发出的连续光经过耦合器到达偏振器后被转化为线偏振光,以45°角进入相位调制器,分解为两束正交的线偏振光,沿光纤的两个轴(X轴和Y轴)传播。在相位调制器上施加合适的调制算法,两束受到调制的光波进入了光纤线圈,在电流产生的磁场的作用下,两束光波之间产生正比于载体电流的相位角。经反射镜反射后两束光波返回到相位调制器,到达偏振器后发生干涉,干涉光信号经过耦合器进入光电探测器,探测器输出的电压信号被信号处理电路接收并运算,运算结果通过数字接口输出。当汇流排没有电流时,两束光信号的相位差为零,信号处理电路输出也为零。当有电流通过时,两束光信号存在一个相位差Δφi=4NVI,其中,N是光纤的匝数;V是维尔德常量;I是被测电流。信号处理电路对相位差进行解调,得到被测电流的数字值并输出。
此电流检测方案的优点在于:①“全对称”的互易光路设计,互易是指两束光波走过的是同一条路径,如基于萨格耐克(Sagcac)效应光纤陀螺光路。此方案通过一个反射镜可以使两束光波在同一条路径上严格“同步”,这就是“全对称”光路,可以大大降低温度、振动对光路的影响,使得光路稳定性提高;②可以利用自动控制、滤波等算法,通过数字处理系统对相位调制器进行负反馈控制,保证整个系统的工作点稳定,从而实现了高的灵敏度以及在大测量范围内的精度;③可以通过软件增加多个附加控制模块来抑制由于光电器件随时间老化带来的误差,提高系统的长期稳定性和工作寿命。
1.3 FOCT的主要特点
与传统电磁式电流互感器相比,FOCT存在以下优点。
1) 绝缘性能好、安全性高。
FOCT一次侧与二次侧之间通过绝缘性能很好的光缆连接,使其绝缘结构大大简化,也不存在电磁式电流互感器二次开路带来的安全隐患。实际应用中,电压等级越高,其优势越明显。而且也没有因充油而产生的易燃、易爆炸等危险。
2) 动态范围大、测量精度高。
在电力系统中,故障电流往往是正常运行电流的几十倍。传统电磁式电流互感器由于存在磁饱和问题,难以实现电流在大范围内的精确测量。OCT具有很宽的动态范围,可同时实现测量和继电保护的需要,免除采用电磁感应式互感器时需多个测量通道的复杂结构。一个测量通道额定电流可测到几十至几千安培,过电流范围可达几万安培。FOCT采用了闭环检测技术,在全量程范围内均能保证很好的测量精度(样机型式鉴定试验中,50 kA电流信号下的复合误差达到0.8%)。
3) 频率响应范围宽。
FOCT闭环系统传递函数是一阶惯性环节,是完全线性的,其3 dB带宽达10 kHz,可以准确地进行电网暂态、高频大电流与直流的测量,这对简化继电保护判据、提高保护的可靠性、快速性具有十分重要的意义。
4) 敏感环制作柔性强,适用面广。
与磁光玻璃式OCT不同,FOCT敏感环制作是在非磁性金属骨架上绕制光纤,制作柔性强,敏感头仅数公斤,适用于传统的绝缘支柱式、悬挂式应用,还可组合到GIS、断路器高压设备中,共用支撑绝缘子,由此可减少变电站占地面积和工程费用。
5) 绿色环保、成本潜力大。
FOCT与传统电磁式电流互感器相比,金属耗材少、占地面积小(组合式甚至不占地方)、重量轻、无充油气、符合绿色环保要求。连接通过少量光缆,使电缆沟和电缆大为减少,占地可减少15%,一次投资可减少20%,寿命周期成本可降低25%以上[1],给用户较高综合性价比。
由于FOCT的绝缘结构简单,因此FOCT在110 kV以上电压等级中,已经具备很强的价格竞争力。目前FOCT的价格在110 kV及以下电压等级中与传统电磁式电流互感器相比较贵。但是,虽然采购成本高一些,其综合成本并不高,而且,FOCT是一项光、机、电一体化的新技术,随着产品成熟度和产量的增加,产品成本还会逐渐降低。
6) 能适应电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流。
FOCT一般以弱功率数字量输出,适应日趋广泛采用的微机保护、电力计量数字化及自动化发展的潮流。
FOCT有传统电磁感应式电流互感器无法比拟的优点,符合未来电站、变电所发展的需要,是传统电流互感器较为理想的更新产品。
1.4 国内外对FOCT的研究现状
国外对OCT的研究工作开展较早,20世纪90年代瑞典ABB、德国西门子等公司研制成功了开环方案的磁光玻璃式OCT并得到一定的应用,但由于其测量精度的长期稳定性和产品的可靠性存在较大隐患,ABB公司又开始了技术更为先进的FOCT的研发工作。2004年,加拿大Nxtphase和ABB分别报道了其研制的新型闭环光纤电流互感器的研究成果。通过解决光路稳定性和数字处理等多项关键技术,他们开发的系统产品均通过IEC的相关标准,并在多处发电厂、输变电站完成了挂网试运行,并在运行过程中表现出了高可靠性和高精度。
国内对OCT的研究始于20世纪90年代初期,由于磁光玻璃式OCT实现较为简单,其光路设计和相应的数字处理比较容易,多家研究机构对此方案开展了大量的研究工作。而FOCT由于数字闭环处理过程相对复杂,国内只有个别单位开展了研究工作,南瑞航天(北京)电气控制技术有限公司所研制FOCT产品于2008年初通过了武汉高压研究院的电子式互感器型式鉴定试验并进行了挂网试运行。
2 FOCT对继电保护的有利影响
1) 促进继电保护新原理的研究。目前的保护算法多基于采用电流的工频分量,这需要经过滤波,就不可避免地会产生延时。为了提高保护动作速度,可采用故障后的暂态分量构成高速保护。传统的电磁式电流互感器由于频响范围较窄而不能完全再现一次电流波形,而FOCT测量的频响范围宽,能够真实地反映一些高频信号,为暂态量保护提供可靠的数据,促进高速保护的发展。
2) 提高继电保护的可靠性。电流互感器饱和一直是影响保护正确动作的重要因素。例如, 在保护出口短路时,常规电流互感器可能会在一次侧大电流下饱和,使得二次电流不能正确反映一次电流而使保护拒动。由于FOCT在大的动态范围内能保持良好的线性,其二次侧能正确地反映一次电流的值,从而提高继电保护的可靠性。
3) 为保护提供新的功能。由于FOCT的动态范围大,正常和故障时均可较准确地反映一次大电流的值,因此许多测量的功能可在保护中实现。另外,由于FOCT频率特性好,可以记录故障初瞬间和断路器预分合时刻的波形,从而具有录波和断路器状态监视的功能。
4) 提高现场的安全性。进出FOCT的都是弱的光信号,因此二次侧开路时不会产生危险的高电压,提高了现场人员的安全和设备的可靠性。
5) FOCT 的稳态精度和暂态精度都可达到0.2级,使继电保护的灵敏度、选择性和快速性得到显著提高,从而提高故障测距的精度。此外,由于稳态测量精度和暂态测量精度相同,从而可以建立厂站统一的综合数据网,保护系统与测量系统共享数据也为保护下放提供了方便的条件。
6) FOCT 的输出信号为数字信号,容易与数字式保护/仪表接口,省去了微机保护装置中的小电流互感器及模数转换模块,使得微机保护装置的硬件显著简化,也降低了成本。
3 FOCT在工程应用中存在的问题及解决途径
与传统电磁式电流互感器相比,FOCT在理论上存在着较大的优势,但在工程实际应用中所面临诸多新问题,阻碍了FOCT的实用化进程。国内经过多年的理论研究及工程实践,摸索出解决这些问题的一些行之有效的措施,为FOCT的工程应用奠定了技术基础。以下为针对这些主要问题并给出已证明是较为有效的解决途径。
3.1 FOCT的使用寿命
制约FOCT使用寿命的有光学元器件、电子元器件及光路工艺。目前,光学元器件在光通信中广泛应用,其使用寿命普遍可在10 a以上,大量的加速寿命与可靠性试验也验证了这一点。而电子元器件可使用寿命为10～15 a。FOCT采用全光纤光路,各断点处采用专用熔接设备进行熔接并采取保护措施因而具有较高的可靠性。事实上,寿命不仅和设计有关,和材料元器件选择,生产过程的工艺和质量控制也密切相关。
3.2 温度的影响
温度变化对光源、光纤光路、敏感环以及由此对光学器件及光纤光路带来影响,并最终体现在测量误差中。对这些影响采取如表2中措施,最终准确度可控制在0.2级以内。
3.3 长期运行稳定性
互感器在长期运行中均面临稳定性的难题,对任一种OCT来说,电子器件、光学器件性能的缓慢变化将影响互感器的测量准确度,如放大电路缓慢漂移,光源功率的衰减,光路损耗的增大,敏感材料双折射的缓慢变化,以及FOCT调制器效率的漂移等。FOCT的长期稳定性是其实用化必须解决的问题,也是很多家研究单位遇到的难题。我们通过多项设计和工艺处理,较好地解决了稳定性问题。
4 结语
光学电流互感器OCT和电子式互感器ECT与传统电磁式电流互感器相比,均具有明显的技术优势,随着OCT与ECT广泛的工程应用,替代传统电流互感器的趋势已很明显。其中,全光纤电流互感器FOCT以其更为先进的技术特点和使用优势成为新型电流互感器发展的主流方向。
摘要：介绍了全光纤电流互感器(FOCT)的基本原理、主要特点,并与罗氏线圈、磁光玻璃式电流互感器进行了较为详细的对比。分析了FOCT的广泛应用对继电保护带来的有利影响,还分析了FOCT在工程应用中所面临的主要问题,并提出了解决措施。
关键词：全光纤电流互感器,特点,工程应用
参考文献
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光学电流互感器 篇5
关键词：偏振光学,比较式光学电流互感器,偏振态分析,偏振器,双输入双输出
1 引言
光学电流互感器(Optical Current Transformer,OCT)是利用Faraday磁光效应进行电流测量的一种新型电流互感器。由于它具有测量频带宽、本征电气绝缘性好、抗电磁干扰能力强、体小质轻等优点,被认为是传统电磁式电流互感器(Current transformer,CT)的理想替代品[1,2,3]。但是OCT因传感头内部存在线性双折射,磁光材料的Verdet常数对温度敏感等原因,其性能容易受到环境因素的影响,在变电站恶劣的运行环境下,OCT的灵敏度表现出相对时间的长期漂移。为此设计了一种新的OCT补偿方法——比较式OCT,它将光学测量法与比较测量法相结合,可以实现对线性双折射和Verdet常数的同时补偿,从而改善OCT的整体稳定性。
偏振器(包括起偏器和检偏器)是OCT传感头中的核心部件之一,偏振器的不完善会对互感器的性能会产生不利影响。对这些不完善因子对比较式OCT的影响机理进行分析并针对性地采取改进措施,对提高比较式OCT的整体性能十分重要。
2 比较式OCT
2.1 比较式OCT实现补偿的原理
比较式OCT是在原有OCT的基础上,引入永久磁铁产生的恒定磁场HN作为参考磁场,通过将被测电流产生的磁场Hx与参考磁场进行比较,实现OCT的补偿,如图1所示。
根据Faraday磁光效应,并考虑线性双折射及振动的影响,入射线偏振光经传感臂1后发生的Faraday旋转可以用下式表示[5,6]:
式中:L为由振动引起的光强的损耗,V为材料的Verdet常数,为被测电流在传感臂1上产生的平均磁场强度,当传感臂与被测电流母线的相对位置固定时,它正比于被测电流大小;l为传感臂1的长度,δλ为由于传感臂内线性双折射δ的存在引起灵敏度下降的系数。
将传感臂2置于与传感臂1相同的振动场和温度场中,同理可以得到传感臂2的Faraday旋转ϕN为
式中:为永久磁铁在传感臂2上产生的平均磁场强度,当永久磁铁与传感臂的相对位置固定时,HN是一定值。将两偏转角进行比较:
可以看到,将比较测量法与光学测量法相结合后,比较式OCT的最终输出是一个和电流ix大小成正比,与材料Verdet常数[7,8]、线性双折射无关的量,它只与参考磁场的稳定度有关。实用中选用剩磁大、矫顽力大、温度稳定性好的稀土永磁铁作为参考磁场源。
2.2 比较式OCT的特殊解调方法
针对直流量ϕN,由于它对应的是一个恒定的直流磁场,在频域内无法将它与本底光强分开,因此提出了双输入双输出的解调方式[9,10]。它在传感臂入射处设置两个LED光源I1、I2,两光源的起偏方向相互垂直,两只输出检偏器的透光轴与两只起偏器的透光轴之间的夹角分别为±45°、∓45°,如图2所示。
两光源交替发光,考虑光路及电路的不一致性,I1发光时,两路输出:
I2发光时,两路输出:
将采集到的4路输出光强信号进行如下处理:
这种解调方法虽然光路结构略为复杂,但是对交、直流量都适用,而且克服了光源波动、电路通道间的不一致及光路耦合效率随时间和温度变化的影响,亦可作为其它偏振型量的精确测量方法。
3 偏振器的不完善对比较式OCT性能的影响分析
由上述可知,起偏-检偏器是比较式OCT传感头的核心部件之一,偏振器的性能对比较式OCT传感头的性能有较大的影响。偏振器的不完善主要包括两个内容:偏振度p的不完善和消光比e的不完善。理想偏振器p=1,消光比e=0,即自然光通过偏振器后变成线偏振光,经起偏器检偏后无光强损失,实际可用的偏振器不可能做到,p<1,e>0。此外,对于OCT而言,传感头中起偏器和检偏器的配对使用引起了另一个不完善的因素——起偏器与检偏器的偏置角误差。
3.1 偏振度p
偏振度的影响主要体现在起偏器上,由于p<1,光线经起偏器后会发生部分椭偏,假设由此引起的入射光椭偏的椭偏度为ε,则由于Faraday效应并不改变偏振态,如果椭偏光的长轴旋转了角度ϕ,则输入、输出光强Ii、Io之间的关系为[11]
对于比较式OCT,当考虑起偏器的椭偏度,假定两路入光的椭偏度分别为ε1、ε2,讨论被测交流磁场或参考直流磁场为零(即ϕ=0)的情况,此时式(4)～式(5)变成:
代入式(6)得到的最终输出为
由此可见,双输入双输出的解调方式,消除了由偏振度p不完善造成的系统误差。
3.2 消光比e
消光比的影响主要体现在检偏器上,通常用偏振分束器实现对两路信号的输出检偏,假设检偏器透射与反射方向上的消光比分别为et、er,则考虑消光比作用时的传感头的透射、反射出光It、Ir分别为[12]
经过推导发现,与偏振度一样,由消光比引起的系统误差也可以通过双输入双输出的解调方法消除。
3.3 起偏器与检偏器之间的偏置角误差
理想状态下,起偏器与检偏器的透光轴之间的预置角为45°,入射的两路光矢量与出射的两路光矢量的关系如图3中实线所示。实际制作传感头过程中,不可避免的存在一定的角度偏差α,根据马吕斯定律,在零输入情况下,传感头的各路输出为
代入式(6)得到的最终输出为
由于α相对固定,所以Sα是一直流量。由此可见,由于夹角偏离了45°,即使不施加外磁场,传感臂的输出也不再为0,而是增加了一个直流分量。
对于传感臂1而言,由于被测对象是与被测电流同频的工频交流量,在软件计算中可以用滤波或傅立叶分析的方法方便的去掉该直流零点,因而它不会对测量通道产生不利影响;但对于传感臂2而言,它将叠加在参考直流磁场值上,使得作为参考的直流磁场值失准,此时再进行比较,无法得到较好的温度、振动补偿效果,造成测量的误差。
4 改进方法及试验结果
为了减小偏振器的不完善引起的直流零点对比较式OCT整体性能的影响,可以采用3种方式进行改进:
1)减小α值。减小α值的关键是改进传感头加工工艺,进行精确定位。目前国内的定位法大多采用光强监测法。先固定起偏器,通过调整检偏器的偏振轴方向,使输出光强最大,即认为此时的起偏器与检偏器的夹角为45°。很显然这种方法难以达到较高的精度,需要改进。当夹角的偏差从1°减小至0.1°时,由夹角偏差造成的直流零点可减小90%。
2)增大ϕN值。增大ϕN量值,使α所占比例减小,同样可以起到增加参考直流测量准确度的效果。这可以通过增加材料Verdet常数、增大传感臂长度或者增大永磁体磁场来实现。这里通过增加永久磁铁的根数来增大永磁体磁场,在传感头参考臂周围分别放置2、3根永磁体时,温度试验的结果如图3所示。
图3中蓝色曲线e1为未经补偿的测量结果的误差-温度曲线,红色曲线e2为经过比较法补偿过的测量结果的误差-温度曲线。从图中3(a)可知在18℃～47℃温度范围内,∆1e≈8%,∆e2≈4%,ϕDC0与ϕN相当,导致直流中接近一半的量值未起到补偿作用,因此∆e 2=1(/2)∆e1;而当磁铁根数增加到3时(图3(b)),ϕN的增加使得补偿效果更进一步,∆e 2=1(/3.)4∆e1。
3)软件修正。由于直流零点相对固定,所以通过软件修正去掉直流零点也十分可行。
采用上述2)、3)方式后得到的试验结果如图4所示。
由图可见,在50℃的温度变化范围内,两个误差的变化量分别为∆1e≈16%,∆2e≈0.7%。
5 结论
比较式光学电流互感器是以提高普通OCT的整体稳定性为目标,将光学测量法与比较测量法相结合,实现对线性双折射和Verdet常数的同时补偿的一种新型OCT。偏振器是比较式OCT的核心部件之一,它的性能会对OCT的整体性能产生影响。通过对偏振器的各个不完善因素进行分析,结果表明,由于比较式OCT采用的特殊的双输入双输出传感头结构,使得偏振度、消光比的不完善不会影响到OCT最终的性能;但是传感头起偏器和检偏器之间的偏置角误差,会给比较式OCT的参考臂引入附加的直流零点,从而削弱了比较式OCT的补偿效果。针对该因素引起的测量误差,提出了改进传感头加工工艺、增大直流参考磁场以及软件修正的改进措施,对改进后的比较式OCT进行了实验,实验结果证实了改进措施的有效性,并且在50℃的温度变化范围内,互感器的误差变化量不超过0.7%,较之采用比较式补偿方法之前的误差变化量16%,温度性能得到了显著的提高。
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光学电流互感器 篇6
光学电压互感器(Optical Voltage Transducer)是利用光电子技术和电光调制原理来实现电压的测量的。它利用光代替传统的电作为敏感信息的载体,光纤代替传统金属导线传递敏感的信息,光信号经光电变换后用电子线路和计算机处理。在电力工业高速发展的今天,迫切需要不断完善这样的新型电压互感器,使其得到更广泛的应用于推广。
1 光学电压互感器的原理
某些晶体物质在外加电场(电压)的作用下发生双折射,且双折射两光波之间的相位差与电场强度(电压)成正比。这一现象被称之为Pockels效应。基于该效应,典型的光学电压互感器的工作原理是:LED发出的光由光纤传入起偏器,将光变成线偏振光,经1/4波片后又变成圆偏振光,当光透过电光晶体时,在电场或电压的作用下发生双折射,双折射两光波之间的相位差与被测电压成正比。经检偏器后,输出光强与被测电压之间具有线性关系。经电光转化和信号处理之后即可测量出电压。
由晶体Pockels效应引起的双折射两光束的相位差可用下式计算:
式中,n0为BGO晶体的折射率;γ41为BGO晶体线性电光系数[1]。
我们可以看到,在描述基于晶体Pockels效应的电压互感器的原理时,所分析的是BGO晶体,由于它在电压传感方面具有优良的性能,许多OVT均采用它作为敏感元件。该晶体是一种透过率高、无自然双折射性和自然旋光性、不存在热电效应的电光晶体。
2 琼斯矩阵描述晶体的光学性质
在理想情况下,即电光晶体2个相互垂直的感应主轴与起偏器的透光轴成45°夹角,外电场和双折射同时存在时BGO晶体的琼斯矩阵推导如下:
设有角频率为ω的平面单色光波沿Z轴方向通过具有多种双折射的BGO晶体,利用Lee KS.所著的《应用光学》一书中介绍的方法[2],可得有双折射时BGO晶体的琼斯矩阵为
若不考虑晶体中的干扰双折射,晶体在外电场E作用下的电光张量为
上式中取外电场引起的晶体沿Z轴方向的双折射率B1l=n03γ41 E。
可得不考虑干扰双折射时晶体在外电场E作用下的琼斯矩阵为:
设BGO晶体在主轴方向的方位角偏差为θ,检偏器输出的线偏振光的琼斯矩阵为[3]:
式中JD1,JC,JP分别为检偏器、BGO晶体在外电场作用时和1/4波片的琼斯矩阵;Ei为入射光经起偏器后的琼斯矢量。R(θ)为旋转矩阵。将式(5)代入得:
从上式可以看出,有r41=3.22×10-12m/v,l=666nm,折射率n0=2.15[4],通光长度l设为单位长度。因此,变量仅有角度偏转角度θ和外加电场E,即可分析该琼斯矢量与角度偏转角度θ和外加电场E的关系。
3 用介电张量描述晶体的光学性质
现在以BGO晶体在外电场的作用下的感应主轴为参照坐标系(X,Y,Z),并使光束沿Z轴传播,则此时晶体的介电张量可表示为
式中,N和M分别为晶体中存在的线性双折射的总数,可得在外电场和干扰双折射同时存在时BGO晶体的介电张量为
当晶体沿其主轴方向旋转时,晶体的介电常数为
而当晶体三个方向都有旋转时
其中,A(α),B(β),C(γ)分别为z,y,x轴方向的旋转矩阵。
上述分析即为晶体旋转变化后介电张量的表达,其中未考虑因晶体旋转电场对其介电张量的影响,相当于不论晶体怎么旋转,电场始终是与晶体主轴垂直的,由此时的介电常数可推导BGO晶体角度偏转一定角度后的琼斯矩阵。
4 结论
光学电压互感器各个器件都可能影响其稳定性。本文分析了BGO晶体的光学特性,利用琼斯矩阵和介电张量,计算了晶体沿其主轴方向旋转时的输出偏振光的介电张量的变化,讨论了晶体角度偏转后的琼斯矢量、偏转角度、外加电场三者之间的关系。当晶体有偏转时,由于其介电常数在改变,并且改变量复杂,所以推导晶体在任意角度下偏转后的琼斯矩阵并且分析其性质有很大的难度,这也将是需要进一步完成工作。由于琼斯矩阵能够清晰的表述外加电场与偏振产生的相位差及偏转角度的关系,所以极具研究价值,在光学电压互感器误差的研究中起到了重要作用。
摘要：文章介绍了基于Pockels效应的光学电压互感器。由于电光晶体是光学电压互感器的核心敏感元件,所以其性能直接影响到光学电压互感器的测量准确性、稳定性和灵敏度。讨论了在外电场作用下,由于晶体的切割或放置问题而发生角度偏转时,其偏振特性及介电张量的改变情况,分析了晶体有角度偏转时的输出线偏振光的琼斯矢量。
关键词：光学电压互感器,Pockels效应,BGO晶体,琼斯矩阵,介电张量
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光学电流互感器 篇7
1 实验
以组装有一套白光LED(YAG+InGaN蓝光芯片)的32 in(1 in=2.54 cm)直下式入光的液晶电视模组作为实验对象,在两种电流控制模式下,通过调节选单中的背光调节比例,逐步调节LED的平均电流。其中模拟调光为电流峰值调节,而数字调光为峰值不变(440 mA),通过调节占空比来调节LED的平均电流。图1为相同平均电流400 mA条件下,数字调光和模拟调光的电流波形。
在室温25℃条件下,将机器通电在白场画面点亮30 min后开始测试。用KONICA MINDLTA CS2000(配套数据处理系统为CS-10W)测试液晶模组白场的亮度、色坐标数据,使用Agilent Dso 6054A监测电流波形和数值,使用YOKOGA-WA MX100监控测试机器内LED焊脚的温度。电流值每隔20 mA测试记录一组数据,每个电流值稳定10 min后进行亮度、色坐标、温度的读值。
2 结果和讨论
2.1 亮度对比
液晶电视模组点亮30 min后,整机系统内以及机器与环境基本已达到热平衡。通过用户选单调节背光的电流,得出两种电流控制模式下不同平均电流下的亮度数据。如图2所示,随着电流的降低,亮度呈线性降低,并且相同平均电流下,数字调光模式下比模拟调光模式下亮度要低,并且随着电流的降低,数字调光模式下的亮度降低幅度比模拟调光模式下亮度降低幅度要大得多。如420 mA平均电流下,数字调光模式下比模拟调光模式下亮度低6.4%,而到160 mA平均电流时,这个值达到49%。
图3为400 mA与260 mA平均电流两种电流控制模式下的光谱图。由于液晶玻璃的彩色滤光膜CF的RGB三色穿透波谱半高宽大于LED波谱,系统内膜片组件对光谱的吸收亦有限,故它们对测试点的光谱影响在此可以不作考虑。
光功率Xe计算公式如下
式中:Xe为380～780 nm可见光范围内的总辐射功率;p(λ)为单位波长的辐射功率。
由图3及式(1)得出,平均电流均为400 mA条件下,数字调光模式下测试点波谱强度值比模拟调光模式降低,光功率计算值比模拟调光模式低5.8%。平均电流均为260 mA条件下,数字调光模式与模拟调光模式测试点波谱强度差异值进一步放大,B波段半高宽缩小,光功率计算值比模拟调光模式低17.7%。
通过对机器内LED焊脚的温度测试发现,数字调光比模拟调光模式下焊脚温度要高。表1为400 mA平均电流条件下(电流波形如图1所示,其中,数字调光占空比为89%),数字调光和模拟调光两种模式下的LED焊脚温度Ts情况。
式中:Ti为芯片温度;P为LED功率;Ts为LED焊脚温度;Rth为热阻,400 mA与260 mA时功率接近1 W,热阻可看作常数[1],本样品值为15 K/W。
由表1及式(2),模拟调光下,400 mA时计算芯片结温为351 K,数字调光模式下400 mA结温为353.8 K,数字调光模式下焊脚温度平均要高2.8 K(室温25℃)。260 mA平均电流条件下,模拟调光模式下计算芯片平均结温为329.5 K。理论上260 mA条件下数字调光模式ON状态下瞬时温升与400 mA时差不多,此点温度要比模拟调光模式下260 mA产生的热量高很多。但260 mA时数字调光模式下OFF状态时有足够的时间将热在时间上平均(占空比为53%)。由于PWM的响应时间为纳秒级别,而温升测试系统的响应时间为秒级别,所以现有条件无法检测低占空比下的瞬时温度,但利用下节能带温升公式反推可得出260 mA时数字调光模式下比模拟调光模式LED芯片温度高约6.5 K。
InGaN蓝光芯片属于Ⅲ-V族半导体材料,随着温度的升高,材料的能带发生变化,电子能量升高占据导带中能量高些的电子态[2],电子空穴对发生辐射复合的几率变小。另有报道,根据物体的发射率关系[2,3]关系,光子辐射跃迁几率是温度的减函数。也就是温度的升高降低了辐射复合率,引起发光效率的降低。如上数据分析,相同平均电流不同电流控制模式下亮度的差异,主要由两种电流模式下LED温升差异引起。下一步将通过能带和波长与温度关系的变化做进一步分析。
2.2 色度对比
液晶电视模组点亮30 min后,通过用户选单调节背光的电流,得出两种电流控制模式下不同平均电流下的xy色坐标数据。如图4所示,随着电流的降低,CIE xy坐标升高,对应色温降低。并且,x坐标值模拟调光模式下趋势比较平缓,变化值为0.001 9,数字调光下变化值为0.002 4,差异值不大。而y坐标值则在数字调光模式下趋势比较平缓,变化值为0.003,模拟调光下为0.003 7,差异值比较大。
结合表1,随着电流的降低,温度的降低,色坐标的x值和y值都增加。这与谭艳娥[4]等人对冷白样品的实验数据基本一致。王劲[5]等人认为波长与峰值半波宽变化引起了色坐标的变化。CIE xy坐标变化主要由波长-光强比决定,以下从波长变化、RGB光强比例变化方面进行分析。
2.2.1 光强变化
由XYZ三刺激值式(3)可知,X值中R波段影响最大,y值中G波段与R波段影响最大。坐标xy值是XYZ对应比例值。
由图5及图3可看出,R波段随着电流降低,相对其他两波段来说光强变化范围较小,峰值半高宽变化也不明显,所以x值仅在0.002范围内变化,但是数字调光模式下光强变化比模拟调光稍微明显,对应x坐标的变化也比模拟调光下明显。G波段峰值半高宽变化不明显,光强变化比例在三波段中居中,比R明显,数字调光模式下降低也比较明显。但对于Y值,R波段的贡献是负值,且对数值的占比比较大,直接影响到了Y值结果。GR波段都属于蓝光激发的光致发光(PL),直接受蓝光光强大小的影响,并且PL发光功率有限,温度也是由芯片的热量决定,所以相比于B波段由芯片电致发光引起的光强变化,自然要轻微得多。
B波段随着电流的降低,整体上强度降低幅度比RG波段明显,并且,数字调光模式下光强变化比模拟调光模式下剧烈。数字调光模式下,260 mA平均电流时“ON”状态下的导通电流依然为440 mA,单从电流方面考虑,xy值应该比较稳定[6],实际测试数据则呈现出差异。随着电流降低,波长光强度线性降低是正常现象,但两种模式下线性降低的幅度差异,可以从材料的主波长与温度、电流之间的关系方面解释。
2.2.2 波长变化
从实验数据来看,平均电流从420 mA降到260 mA,模拟调光模式下蓝光B波段的主波长从445 nm降到444.5 nm,数字调光模式下B波段的主波长从445 nm降到444 nm,出现了蓝移现象。但两种模式下G波段主波长稳定在534 nm,R波段稳定在602 nm。
主波长由材料的能带决定。据报道,蓝光芯片In组分为x的InGaN禁带宽度与温度的关系为[7,8]
式中:T是温度,单位为K;为InGaN芯片中InN绝对零度时能带,为0.8 eV[7],为GaN零度时的能带,为3.42 eV。
模拟调光下,400 mA时计算芯片结温为351 K,260 mA时计算芯片结温为329.5 K。只考虑热效应时,峰值波长与结温呈现较好的线性、正比关系[9,10]。假设取x为0.725,联立以上公式,得出模拟调光下电流从400 mA降低到260 mA蓝光波长蓝移1.5 nm。庄榕榕等人[9]线性拟合的峰值波长偏移的温度系数为0.077 0 nm/K,400 mA与260 mA LED芯片温度相差21 K,按此计算电流降低蓝光主波长蓝移1.6 nm。与上面的计算结果基本吻合。从以上公式可以反推出260 mA时数字调光模式下比模拟调光模式,LED芯片温度高约6.5 K。
对于蓝光芯片InGaN基而言,影响Ⅲ族氮化物多量子阱器件发射光谱的能隙间隔,除了热效应带来的变化外,还应考虑自发极化和压电极化效应带来的影响。在大电流密度下,会屏蔽极化场,而显示出载流子屏蔽效应,所以随着电流密度的减小,波长会出现红移。但从实验数据来看,平均电流从420 mA降到260 mA,模拟调光模式下蓝光B波段的主波长从445 nm降到444.5 nm,数字调光模式下B波段的主波长从445 nm降到444 nm,结果上还是出现了蓝移现象。可见除了电流密度的影响之外,芯片温度的影响更大些,并且因为数字调光模式下温度更高,所以温度的影响更明显。绿波G和红波R属于蓝光激起的光致发光(PL),因为PL能激发的载流子较少,对主波长的影响不大,两种模式下G波段稳定在534 nm,R波段稳定在602 nm。
3 结论
1)相同平均电流下,液晶电视模组数字调光模式下比模拟调光模式下亮度要低,并且随着电流的降低,数字调光模式下的亮度降低幅度比模拟调光模式下亮度降低幅度要大得多。
2)相同平均电流下,数字调光模式下液晶电视模组系统中LED芯片的温度比模拟调光模式下高。
3)随着电流的降低,CIE xy坐标中x坐标值模拟调光模式下变化趋势比较平缓,变化值为0.001 9,数字调光下变化值为0.002 4,差异值不大。而y坐标值则在数字调光模式下趋势比较平缓,变化值为0.003,模拟调光下为0.003 7.
4)以上现象的主要原因为半导体材料能带与温度的负指数关系形成。数字调光模式下LED芯片的温度高引起材料的能带、主波长和发光效率变化。随着电流的降低,数字调光模式下占空比减小,导致温差进一步放大,引起两种模式下的亮度、色度差异放大。
摘要：对LED液晶模组,采用模拟调光ADIM和数字调光PWMDIM两种电流控制模式,对比测试了模组的亮度、CIE色坐标、LED焊脚温度数据。实验数据表明,相同整机系统下,平均电流相同时模拟调光比数字调光亮度高、LED芯片温度低。随着平均电流的减小,数字调光的亮度下降幅度比模拟调光明显。数字调光模式CIEγ坐标变化比模拟调光小,但x坐标差异不大。通过对以上两种模式下光谱图中RGB各波段的光强变化比以及主波长情况进行分析,认为半导体材料温度变化引起的能带差异以及电光转换效率不同是主要原因。
关键词：模拟调光,数字调光,LED,电流,亮度,色坐标
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