直流光学电流互感器（共7篇）
直流光学电流互感器 篇1
摘要：针对智能电网中直流的检测,设计了反射式和透射式两种光路结构的光学电流传感器,采用不同厚度的永磁薄膜的石榴石磁光材料作为传感器的敏感元件进行直流电流监测实验,以此对传感器的灵敏性与稳定性进行研究。结果表明,以不同厚度的永磁薄膜的石榴石磁光材料作为传感器的敏感元件,两种结构的传感器测量灵敏度均较高,在反射式结构中厚度为2μm的石榴石材料与透射式结构中厚度为1μm的石榴石材料作为敏感元件时,传感器的偏振度变化幅度较小,表明系统的稳定性较好。
关键词：石榴石,光学电流传感器,稳定性
随着我国智能电网建设的快速推进，电力输电系统正朝着超高压、大直流等方向发展，在输电工程中，电流传感器是实现输电系统监视和保护的一种重要测量设备。采用电磁感应的传统电流互感器因为诸多缺点已无法满足智能电网中对电流检测的需求，而光学电流传感器具有无磁饱和以及铁磁谐振、较大的测量动态范围、良好的绝缘性和稳定性等优点，是未来智能电网中理想的电流检测设备[1,2,3]，其势必将取代传统电流互感器。本文基于偏磁矫正的光学电流传感器，采用镀有永磁薄膜的石榴石材料作为敏感元件，以保偏光纤作为传输介质，通过TXP偏振计检测入射偏振光与水平方向的线偏振光的振动面夹角变化来间接检测电流，并设计了反射式和透射式两种光路结构的石榴石型光学电流传感器[4,5,6]，并将制备好的永磁薄膜厚度分别为1μm、2μm、4μm、5μm、100 nm和500 nm的石榴石磁光材料作为传感器的敏感核心元件，进而对光学电流传感器的灵敏性和稳定性进行分析与研究，实验表明:同一光路结构的传感器的不同厚度的永磁薄膜敏感元件在实验测量过程中方位角与电流大小关系的线性度高，传感器有较高的灵敏度;同一光路结构的传感器的不同厚度的永磁薄膜敏感元件在实验测量过程DOP与电流的线性度差别较大，但在反射式光路结构中，2μm厚度的永磁薄膜作为敏感元件时其DOP与电流的线性度最好，系统稳定性好，在透射式光路结构中，1μm厚度的永磁薄膜作为敏感元件时其DOP与电流的线性度较好，改变幅度相对较小，系统稳定性好。
1 光学电流传感器测量原理与设计
1.1 光学电流传感器工作原理
石榴石型直流光学电流传感器的基本工作原理是Faraday效应，主要指偏振光在通过平行的外加磁场方向的磁光介质后外部磁场会使偏振光的偏振面产生旋转。其旋转角度β由式(1)决定[7,8,9]
其中，V为磁光材料的费尔德常数;B为通光路径方向的磁场强度;l为偏振光在磁光介质中的光程，即磁光材料的厚度。
测量时，将传感头固定在被测电流导线的一侧，使电流产生的磁场方向与光传播方向平行，假设电流导线中心到光轴的垂直距离为r。根据安培环路定律，通电长直导线在光轴上距电流导线水平距离x处的磁场强度为
式中，u0为真空磁导率;I为导线上电流大小。沿光轴方向的磁场强度为
将式(3)代入式(1)可得
由式(4)可知，偏振光的振动面旋转角φ和被测电流大小I成线性关系[10]。
TXP偏振计可通过测量偏振光的振动面和水平方向的线偏振光的振动面夹角来实现对偏振光旋转角度、斯托克矢量、偏振度等参数的测量，并通过软件对测量数据进行采集。假设入射到偏振计的偏振光的预偏角度为α，则
其中，θ为经电流调制后测得的偏振光的振动面和水平方向线偏振光的振动面夹角，调整好起偏器后入射偏振光预偏角度α为一固定值。固定好传感头位置后，该传感器的灵敏度为一常数，测量角度θ与电流I成线性关系。因此，通过TXP偏振计测量偏振光的旋转角度就可以间接测量出系统电流，改变传感头中石榴石的永磁薄膜厚度可以研究传感器的稳定性和测量精度。
1.2 光学电流传感器系统结构设计
石榴石型直流光学电流传感主要由激光器、起偏器、保偏光纤、镀永磁薄膜石榴石传感头、TXP偏振计等部分组成，其主要有透射式和反射式两种光路结构。传感器测量时只需使用固定夹具将传感头固定在通电导线附近，并使导线中电流产生的磁场强度B与光传播方向平行，激光器产生的激光经过分束器后通过起偏器后变为线偏振光入射到传感头并在磁场作用下产生偏振面的旋转，角度为β。出射偏振光通过透镜聚焦后经由TXP偏振计进行数据采集处理，获得偏振光预偏角α和线偏振光的振动面夹角θ以及偏振态DOP，由此便可建立测量角度θ、偏振态DOP与被测电流的关系，由此通过偏振计获取测量角度θ便可反推被测电流大小并可研究不同厚度的永磁薄膜对传感器性能的影响。传感器的系统原理如图1所示。
传感器采用石榴石或不同厚度的石榴石/Ta(50 nm)/Nd2Fe14B(500 nm)/Ta(50 nm)(偏磁薄膜)作为敏感元件。石榴石的尺寸为0.39 mm×3 mm×3 mm，偏磁薄膜采用直流磁控溅射法制备，条状薄膜间距为200μm，周期为400μm，激光从条状薄膜之间的石榴石穿过。偏磁薄膜能固定电流产生的磁场在石榴石中的方向，使得传感器的测量精度和稳定性提高，其结构如图2所示。
2 实验与结果分析
2.1 直流光学电流互感器灵敏度分析
为了研究不同厚度偏磁薄膜的石榴石作为敏感元件的传感器测试电流时的灵敏性和系统稳定性，将设计好的传感器在实验室条件下进行模拟大电流的测试，所用测试系统原理图如图1(b)所示，波长为1 550 nm的高稳定度光纤激光经过光纤耦合器耦合后再依次经分束镜、起偏器、敏感元件、透镜，最终到达TXP偏振计。电流大小由SLQ-82升流器控制，在实验中实现0～3 000 A区间精度为1 A的电流控制;电流产生磁场方向与光线路径一致;偏振仪的采样速率为333点/秒，光强分辨力0.1 nW/cm2。测试数据如图3所示，左图为采用反射式光路结构的直流光学互感器在实验中测得的方位角随电流变化曲线，右图为采用透射式光路结构的直流光学电流互感器的测量结果的关系曲线图。由图可看出，通过改变敏感元件到导线的距离可改变直流互感器的灵敏度，不同光路结构互感器的方位角的起始角度不同，且不同厚度的永磁薄膜敏感元件样品的方位角预置角度也不同，而同一光路结构互感器的不同厚度的永磁薄膜敏感元件样品，在实验测量过程中其方位角与电流大小关系的斜率基本相同，且线性度高。
2.2 直流光学电流传感器稳定性分析
偏振度(DOP)表示入射偏振光中线偏振光光强占总光强的比重，在采用光强探测法测量法拉第旋转角中DOP的改变会影响最终的测量精度。其计算公式为[11]
式中，S0、S1、S2、S3为斯托克矢量，其中S0=1，θ为方位角，β为椭圆率角。磁光材料的各向异性导致线偏振光通过置于导电板附近的石榴石磁光材料时其偏振态发生改变，而这种偏振态的改变能够使线偏振光转化为椭圆偏振光，这使得TXP偏振计采集到的偏振光中的线偏振光的比重降低，影响了光学电流传感器的测量精度以及长期运行的稳定性，为此文中有针对性地对采集了两种不同光路结构，且采用不同厚度的永磁薄膜的石榴石磁光材料作为敏感元件的直流光学电流互感器的DOP随电流改变的数据信息进行分析处理，实验结果如图4所示。
3 结束语
本文针对不同厚度的永磁薄膜的石榴石磁光材料作为敏感元件的直流光学电流传感器进行测试，并设计了两种不同光路结构，研究了不同厚度的永磁薄膜光学电流传感器的灵敏度和稳定性。试验结果表明，同一光路结构的传感器的不同厚度的永磁薄膜敏感元件样品在实验测量过程中方位角与电流大小关系的斜率基本相同，且线性度高、灵敏度高;而在反射式光路结构中，2μm厚度的永磁薄膜作为敏感元件时其DOP与电流的线性度最好，系统稳定性好，在透射式光路结构中，1μm厚度的永磁薄膜作为敏感元件时其DOP与电流的线性度较好，改变幅度相对较小，且系统稳定性较高。
直流光学电流互感器 篇2
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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浅谈光学电流互感器的测量与调试 篇3
互感器是连接电力系统中一、二次设备的重要环节, 在电能的计量和继电保护方面起着至关重要的作用。其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。随着我国电力传输系统容量不断增加, 电网运行的电压等级也越来越高, 我国已将原来的220k V的骨干电网提高到500k V, 而且正在建设750k V~1000k V的输电线路进行电力的运输。
在我国电网中, 光电互感器在具有高低压完全隔离, 安全性高, 优良绝缘的性能和优越的性价比;没有铁芯, 不存在磁饱和、铁磁共振等问题;功能齐全, 测量精度高;频率响应宽, 动态范围大;没有因充油而潜在的易燃、易爆等危险;体积小、重量轻节约占地面积;无污染、无噪音, 具有优越的环保性能;适应了电力系统数字化、智能化和网络化的需要的诸多优点下得以广泛应用。
光学电流互感器 (optical current transformer以下简称OCT) 的传感原理与输出方式均不同于传统的电流互感器, 传统电流互感器二次输出一般为5A或1A, 而OCT直接输出数字信号或弱电信号, 在与数字式保护设备接口方面及现场调试的安全性方面有很大的优势。但是传统互感器的检测方法已经不适用于新型电流互感器。本文主要对OCT的构造、原理及现场检测调试方法进行简述。
二、光学电流互感器分类及简单原理
按高压侧的传感头是否需要工作电源, 可将光学电流互感器分为有源式和无源式两种。
1、无源式光学电流互感器
无源式光学电流互感器一般采用法拉第磁光效应原理, 即线偏振光在磁光物质中传播时, 光的偏振面在外磁场作用下发生旋转, 旋转角度与磁场强度的大小、光与磁场在物质中发生作用的长度和材料的性质有关。光纤将模拟光信号传输到低压端, 经光电探测器变为电信号, 然后经放大、A/D转换, 最终由微处理器得出待测电流信息。
2、有源式光学电流互感器
有源式光学电流互感器一般采用罗哥夫斯基线圈与精密电阻配合对一次电流进行采样, 将待测大电流信号转换为弱电信号, 然后经过电子电路调节成电信号, 再由光电转换元件转换成数字信号, 经光纤传至低压端进行解调。
三、OCT的现场检测设计
1、OCT的工作原理
以采用Rogowski线圈原理的有源式OCT为例:传感器将一次电流转变成电子电路允许测量的信号, 由采集器单元就地完成模数转换并调制成光信号, 通过光纤把一次电流电压数字量传送到位于集控室的合并器单元。合并器再将收集到的数据按照统一的通信规约对数据进行编码后, 通过光纤以太网提供给保护、测量等设备。采集器与合并器制之间通过两根光纤进行能量和数据的传递。
2、OCT的测量条件及方法
对于OCT的现场测量方法有多种, 这里以典型测量方法举例说明。如图4所示, 待测OCT与标准电流互感器串接于同一电流回路。标准电流互感器应比待测OCT高至少两个准确度级别, 其实际误差应不超过待测OCT误差限值的1/5。升流器输出一次电流, 标准二次侧通过一个高精度电阻将电压模拟值送入误差比较装置的模拟输入端。待测OCT传感器将二次输出通过光纤送入合并器, 再由合并器按照统一通讯规约编码后将二次值以数字形式通过光纤由数字输出端送至误差比较装置的数字输入端, 然后由误差比较装置标将前后两者的数值进行比较计算得出误差值 (角差、比差) 。图4中时钟脉冲发生器的作用尤为重要。因为标准CT的二次值是连续的模拟量信号, 误差比较装置对其进行实时采样。而待测OCT的二次输出则是以数字包的形式按照一定的频率由合并器发送至误差比较装置的, 此时为了保证送入误差比较装置的标准值与待测OCT的实际值为同一时刻的数值, 特加入此设备。当一个时钟脉冲发出时, 分别送至合并器和误差比较装置, 两个装置同时记录此时间点。合并器在此时间点发送出与待测数值, 而误差比较装置收到此时间脉冲时会自动记录此时间点接收到的标准数值, 然后再与待测值进行比较。
四、合并器的调试
与传统电流互感器二次输出多组电流值不同的是, OCT二次输为数字信号或是弱电信号, 再经过合并器处理后传送至信号小母线, 供各个保护柜读取使用。那么OCT在与保护装置的接口方面, 尤为重要的就是合并器对传感器输出信号的编码及输出。
合并器是对传感模块传来的三项电气量进行合并和处理, 并将处理后的数字信号按特定的格式提供给隔级设备使用的装置。合并器的输出格式符合IEC 60044-8、IEC 61850-9-1、IEC 61850-9-2要求。合并器具有的基本功能是:
(1) 可接收来自多路电子式互感器采集器的采样光信号, 汇总之后按照IEC 61850规约以光信号形式对外提供采集数据。
(2) 以光能形式为电子式互感器采集器提供工作电源。
(3) 接收来自站级或继电保护装置的同步光信号, 实现采集器间的采样同步功能。
(4) 可以接收传统互感器的模拟信号, 进行A/D转换。
一般来讲, 合并器的配置方案将决定系统的安全性与可靠性, 配置原则是保证一套系统出问题不会导致保护误动, 也不会导致保护拒动。电子式互感器或就地采集单元的二次转换模块需要冗余配置, 转换器中电流需要冗余采样, 分别用于测量、保护启动和保护动作, 数据合并器冗余配置, 并分别连接冗余的电子式互感器模块。
1、合并器无效位机制与自检测试
(1) 测试目的。为了使保护装置更合理的对无效采集数据处理, 最大限度的减少数据无效对保护的影响, 对合并器输出数据中无效标志进行了相应的要求。某采集通道异常时, 只置分通道无效标志, 不置总无效标志;装置异常时, 置总无效标志及所有无效标志。
(2) 测试方法。如图5所示接线, 断开其中一个采集单元与合并器光纤链路, 或调低采集单元电源电压, 观测发送数据的状态字变化情况, 同时观测液晶自检报警界面信息。
(3) 测试标准及结果。数据异常时, 数据报文中通道对应分无效标志置1总无效标志置。其中, 链路中断时, 液晶自检菜单中数据异常计数器增加。
2、切换告警逻辑测试
(1) 测试目的。合并器应能正确判断隔离开关的位置状态, 并正确告警。在双触点继电器位置异常与两个母线隔离开关均闭合时, 延时10s并通过硬触点告警隔离开关切换异常。隔离开关都断开是不告警。 (不同厂家的合并器的逻辑有所差异, 这里以上述逻辑为例)
(2) 测试方法。DC220V模拟隔离开关开入触点, 检测硬触点开出是否满足原理逻辑。
(3) 测试标准及结果。表1所示。
测试结果
3、合并器电磁兼容测试
(1) 测试目的。检测电子式互感器在电磁干扰情况下输出采样数据的有效性, 了解数据无效产生的原因, 并通过实验确定判据的合理性以及是否需要增加新的判据。一次电流在额定电流的5%上下调节, 考察采集单元电源切换过程中是否会出现数据无效位。合并器输出数据无效判据如下: (1) 远端模块电压越限; (2) 采集器与合并器通讯链路中断; (3) 合并器接受采集器数据错误。
(2) 测试方法。如图6所示, 通过相关测试仪器对一次导体、空心线圈、低功率线圈、取能线圈、合并器、测控装置、故障录波器施加电磁干扰信号, 观察错误标及产生原因。主要测试干扰包括:a脉冲群干扰。b静电放电干扰。c辐射电磁场骚扰。d电快速瞬变抗扰度。e浪涌抗扰度。f射频场感应的传导骚扰抗扰度。g工频磁场抗扰度。h脉冲磁场抗扰度。i工频抗扰度。
(3) 测试标准及结果。装置应能承受上述相应标准的干扰试验。
3、合并器高温测试
(1) 测试目的。检测合并器在高温环境下运行是否会出现内部时序配合导致输出数据无效的现象。
(2) 测试方法。如图7接线。一次通流, 高温箱模拟高温环境, 运行一段时间观察合并器输出。
五、结语
直流光学电流互感器 篇4
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。
参考文献
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直流光学电流互感器 篇5
针对电网检波系统的特点,目前的锁相技术还存在着有待进一步研究的问题[1,2,3,4,5,6,7,8],比如:被锁信号的动态范围较大,即输入信号的频率和幅值可能时刻发生变化,小信号时系统难以锁定;其次,以时间为度量,对高频信号(kHz～MHz)的锁相相对易于实现,采用常规模拟锁相电路只需微调旁路的电阻、电容等参数,锁相精度即可达到微秒量级甚至更高。而对于50 Hz左右的低频信号,即使从信号提取脉冲抖动只占0.1%周期,也会出现20μs左右的偏差,这样的抖动会导致锁相环(PLL)的输出产生误差;另外,在低频区会出现不同谐波的干扰,对环路的滤波电路配置要求较高;最后,鉴相器鉴相时的零位相判断,对被锁信号的上升沿时间要求较高,而原始的低频信号往往很难提供。
基于此,提出了一种新的提高锁相精度的方法。首先,被锁信号进入锁相环之前,经过窄带滤波器和由运放构成的两级过零比较器。其次,对锁相环内部的电阻、电容参数进行了优化,使锁相电路的中心频率向电网频率逼近。采用该方法前后锁相精度的对比分析结果表明:锁相精度由之前的0.3%周期提高到0.03%周期(1°变为6'),且锁相的稳定性、响应速度和抗干扰性也有了显著提高。
1 锁相环工作原理
锁相环是指能够完成2个电信号相位同步的自动控制闭环系统,它是由存储式边沿触发鉴频鉴相器(PD)、压控振荡器(VCO)及环路低通滤波器(LPF)组成的相位负反馈闭环电路[9]。
如图1所示,PD的外部输入信号Ui与VCO的输出Uo进行相位比较,得到误差输出电压UΦ,其值正比于Ui与Uo的相位差Φe(此处,Φe=Φi-Φo)。再经LPF滤除高频分量后,得出一个平均值电压Ud,其值朝着减小VCO输出频率和输入频率之差的方向变化,直至2个信号的频率相同或保持恒定的相位差,称之为相位锁定[10]。锁相环入锁时还具有“捕捉”信号的能力,即当输入信号频率在其捕捉范围内变化时,锁相环能捕捉到该频率,并强迫VCO锁定在此频率上。若要求输入信号与VCO输出信号的频率保持一定比例或差值关系,则只需外接一个分频或倍频器,即可满足不同工作的需要。
2 低频高精度锁相环
对交流量进行数据采集时,通常把电网频率当作准确的工频50 Hz,以固定采样频率进行采集。而实际上,电网频率会在50 Hz上下波动,因此根据固定频率采集的数据计算出的结果必然存在误差,解决的方法是使采样频率始终跟踪电网基准频率的变化,确保采样周期的准确性。
锁相环是频率无差调节控制系统,它能实现对输入信号的相位和频率的自动跟踪。采用二阶环路可以实现对电信号频率无相位误差的稳态跟踪,稳态时可消除同步误差。采用软件方法实现的数字锁相环由于捕捉时间较长,不能准确提取输入信号每一周期的相位变化,不适用于数显装置的动态测量[11],目前采用硬件实现的模拟锁相应用更为广泛。
针对光学电流互感器OCT(Optical Current Transduce rs)测试系统,设计的高精度锁相环同步采样系统原理如图2所示。被测OCT信号首先经过隔直流提取出交流信号,再经过带通滤波滤除工频以外的噪声,通过过零比较电路之后得到电网信号的实时周期值,最后进入锁相频率合成电路。其中,鉴相器的2个输入信号进行相位比较产生的相位差,使VCO的输出频率经分频器后快速逼近被测的电网工频,直至消除频率误差、环路锁定。而分频器的分频系数N则由采样频率决定,直接用VCO的输出信号去触发DSP的采样中断,启动ADC进行工作。这样就可以使N个采样点均匀分布在被测电网信号的1个整周期内,消除了同步误差,进而实现了无相位差的同步采样。同时当相位锁定后,VCO能在一定范围内自动跟踪输入信号的频率变化,在频率有畸变的情况下也能确保数据的同步采样,以保证系统测量精度。
图3为锁相环频率合成电路,锁相功能由集成芯片CD4046实现,其特点是电源电压范围宽(为3～18 V),输入阻抗高(约100 MΩ),动态功耗小,在中心频率为10 kHz下功耗仅为600μW,属微功耗器件,最高频率为1.2 MHz(UDD=15 V)[12]。频率合成功能由CD4046和12位的二进制计算器CD4040组合完成,CD4040相当于分频器,Qx的时钟频率是时钟脉冲CLK的2x分频。当锁相环锁定后,计数器输出信号频率和锁相环输入信号频率相等,从而在计数器时钟输入端(VCOout)得到倍频输出信号。
由锁相环路的工作原理可知,图3电路中的锁相精度主要取决于环路VCO的固有振荡频率、以及被锁信号的上升沿和信噪比等3个因素。针对这3个影响因素,分别采取VCO振荡频率参数优化、两级过零比较和带通滤波的方法来提高锁相精度。图4为锁相环入锁信号前级调理电路。
由于该系统实现了频率无差相位跟踪,通过锁相环电路提取了被测信号的过零点信息(即0°相位)。而ADC采样中断则由与被测信号同相位的VCO输出信号来触发,换言之,它保证了ADC起始采样的时刻,始终处于被测信号周期的起始0°相位,也就保证被测信号1个周期内的512点ADC采样时刻的准确性。
2.1 锁相环内部参数优化
当锁相环路2个输入的固有频差太大时,通过频率的逐步牵引也可能始终进入不了“锁定”状态,这时就处于“失锁”状态[13]。而VCO作为PLL的重要组成部分,也是PLL噪声的主要来源之一。为了实现低抖动和宽捕捉范围,就要求产生时钟信号的VCO具有极高的稳定性和抑制噪声的能力,其固有振荡频率就成为了一个关键参数[14]。
图3中,通过调节参数Cm和R67,即可改变压控振荡器的固有振荡频率fvco。对于本OCT测试系统,固定采样周期为每周期采512个点,因此分频器分频系数N设为512。结合CD4046在不同外部元件参数下的特性曲线,要使得VCO的输出频率经过512分频后与被锁信号的频率一致,即fvco/512=fi。实验证明,当C111=400 pF和R67=11kΩ时,锁相环路VCO的固有振荡频率fvco最接近于25.6 kHz,注意此处必须考虑到芯片的内部阻抗。
2.2 两级过零比较电路
由于CD4046锁相环路的工作原理是对2组数字信号进行比较,因而对电网交流信号进行采样测量时,需要进行过零比较,将其转换成数字信号。实验证明鉴相器输出的控制信号与2个输入信号的占空比无关,只与它们的边沿有关,换言之,2个输入信号的上升沿情况会直接影响相位跟踪的精度[15]。因此,加大入锁信号的上升沿斜率,提高过零比较的精度,将有利于锁相精度的提高。
典型的过零比较器为一开环运放,如图5(a)所示。由于运放的失调电压U0S不为零、开环放大倍数Av和转换速率vSR不为无穷大,并且存在输入等效电容等因素,过零比较的实际输出波形如图5(b)所示。
图5(b)中的变量表示如下:Uim为Ui的幅值;T为Ui的周期;为U0的正、负输出最大值,即运放的饱和值;Δt1为从Ui过零时刻到U0从开始上升时刻t1的延时时间;Δt2为从U过零时刻到U0过零时刻t2的时间。
开环运放构成的过零比较具有以下3个特点。
a.Ui的f一定时,Uim越大,Δf1、2越小,对应的相位误差Φ1、2越小,其中,Φ1、2=360°×(Δt1、2/T)。
b.Δt1与过零点处的斜率有直接关系,即与下式有关:
f与Uim成反比。例如,适当增大f,并减小Uim可获得与原始信号相同的Δt1值。
c.对于同一运放,恒有Δt=Δt2-Δt1,即Δt与Uim、f无关。从图5(b)看出Δt为U0从上升到零所需的时间,此处,近似等于正负电源电压。由于运放的转换速率vSR=(0-)/Δt,可见转换速率与输入信号的频率和幅值无关。
对于OCT测试系统,采用专用快速比较器的响应时间仅为纳秒级别,理论上可以满足要求。然而,当输入信号为缓变的正弦波时,由于高增益和大带宽等特点,导致在信号的过零交叉点附近容易产生自激振荡,影响锁相精度。
经上述分析,针对OCT工频信号,为了加大入锁信号上升沿的斜率,从经济和效果2个方面考虑,用运放构成2次过零比较不仅能获得较短的上升沿时间,也避免了自激振荡,效果更为理想。两级过零比较电路(图4)中,第1级比较器将输入信号进行前置放大,进而减小Δt值,再进入第两级过零比较。
图6为引入2次过零比较前后的信号边沿对比图,此时未加入带通滤波电路。波形1、2、3分别对应于图4中的Pol(原始正弦信号)、Po2(1次过零比较输出)、Po3(2次过零比较输出)测试点的波形。波形1由于加大示波器分辨率后,正弦信号近似显示为一直线。测试数据如下:波形2的上升沿时间为26.78μs,波形3的上升沿时间为7.899μs。实验表明,2次过零比较后将信号上升沿时间为二十几微秒减少至几微秒(小信号时上升沿更宽),当锁相环试图跟踪时,锁相输出的抖动范围明显变窄。
2.3 二阶有源带通滤波电路
当电网信号为小信号时,由于信噪比降低,凸显出的噪声干扰使得在过零比较时,零点附近输入值会发生抖动,过零比较器容易把这些抖动误判为多次过零,这会直接影响锁相的精度;另一方面,电网工频噪声对信号的测试精度影响也非常大。因此,有必要设计一个带通滤波器,滤除工频噪声,从而有效提高系统的测试精度。
数字滤波是采用软件的方法实现,虽然其硬件成本降低,但其速度问题成为选择它的一个障碍。设计的二阶有源带通滤波电路如图4所示,它具有中心频率可调、可获得一定的增益、可实现频率补偿等优点[16],可以满足要求。
经频域响应分析可得:
为了计算方便,若取C1=C2=C,则式(2)(3)可变为
假设R1、R2、R3的取值范围都在千欧数量级,C取值在微法数量级,根据公式(4)和(5),由f0=50 Hz,设计出满足要求的一组参数值如下:
C1=C2=1μF,R1=1.5 kΩ,R2=10 kΩ,R3=7.6 kΩ
此时:品质因数Q=|H(w)|max=R3/(2R1)≈2.5,fL=36 Hz,fH=80 Hz,图7(a)(b)分别为实测的带通滤波器的幅频和相频特性曲线图。
3 性能对比分析
采用该新型锁相环技术后,系统的锁相精度得到了明显提高。首先,对锁相环内部参数进行了优化,调节了VCO的固有振荡频率,使之经过512分频后与被锁信号频率基本保持一致,即fo/512=fi,提高了相位跟踪的准确性。其次,引入了两级过零比较,将被锁信号的上升沿时间从几十微秒提升到几微秒,在最大程度上减小了锁相误差。最后,设计了36～80 Hz的二阶有源带通滤波器,让50 Hz的电网工频顺利通过,滤除其余噪声,提高了进入锁相环信号的信噪比,同时电路增益对信号起到了一定的放大作用,将入锁的上升沿时间变为了几百纳秒,进一步提高了锁相精度(当小信号时更为明显)。
图8为新型高精度锁相环与典型锁相环的对比分析,针对被锁信号的上升沿和锁相精度这2个性能指标。其中,图8(a)是在传统的1次过零比较、未加入带通滤波条件下测得的,图8(b)为新型高精度锁相环下测得的。标注的波形1、波形2分别对应于入锁信号(Pin14)、锁相跟踪信号(Pin3)。
图8中,用a、b 2条线的间距表示锁相环的相位抖动误差。测试数据如下:图8(a)中,a、b线间距Δt1=10.2μs;图8(b)中,a、b线间距Δt2=5.59μs。
4 结论
所设计的低频高精度锁相环电路以CD4046芯片为核心,被测信号进入锁相环之前,采用运放来形成2次过零比较,克服了快速比较器带来的自激振荡因素,同时缩短了入锁信号的上升沿时间;设计了二阶有源带通滤波器,滤除工频以外噪声;将锁相环路中压控振荡器的固有中心频率进行了参数优化,使得2个输入的固有频差在理论上最小。通过对比分析得出,引入该方法前后的锁相精度由0.3%周期提高到0.03%周期(1°变为6'),且锁相的稳定性和抗干扰性也有了显著提高。该电路完全达到了电网检波系统中锁相功能的要求,通过参数的适当调整即可应用于其他相关领域。
直流光学电流互感器 篇6
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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直流光学电流互感器 篇7
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
参考文献
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