摘 要

随着电力系统的发展，传统的电流测量器件在现代电力系统中缺点越来越明显，如：传统电磁式互感器已经不能满足高压下大电流的检测需要，因此寻求合适的替代产品势在必行。与些同时，光纤传感技术在电流的检测和整个电力系统的继电保护都具有明显的优势，所以人们对光纤传感技术在电流测量中的应用加倍重视。本文介绍的光纤电流传感器正是以光纤传感技术为基础的电流测量器件，它具有抗电磁干扰、重量轻、体积小、结构稳定、灵敏度高等特点，适用于现代电力系统中高压下的电流检测，应用前景十分广泛。

首先，本文论述了基于法拉第效应的光纤电流传感器的基本原理、基本结构、检测原理以及光纤电流传感器的分类；在此基础上，对影响光纤电流传感器性能的关键性因素进行了分析；最后，对降低或克服影响关键性因素的方法或措施进行了研究及总结。

本文的特色：对前人关于光纤电流传感器影响因素研究中提出的新思想、新概念、新方法等的总结和阐述；有助于对光纤电流传感器研究工作的整理、再认识；更有利于弄清某些在光纤电流传感器研究中似是而非、没有完全明白的问题；可望对光纤电流传感器的高速发展起到一定的参考作用，并针对减小影响光纤电流传感器准确度的影响因素提供指导方法。

关键词：光纤电流传感器；法拉第效应；线性双折射；温度；振动

Abstract

With the development of power system, the shortcoming the of traditional current measurement devices is increasing obviously in modern power system, for example: the traditional electromagnetic transformer cannot meet the needs of current measurement with high voltage, so, it is imperative to find a substitute. At the same time, the advantages of optical fiber sensing technology are gradually increasing in the detection of current and the relay protection of the whole power system, thus, people pay more attention to the application of optical fiber sensing technology in current measurement. In this paper, OCT based on optical fiber sensing technology is introduced, which is the current measurement device, the sensor has many strong point, such as: anti-electromagnetic interference, light weight, small volume, stable structure, high sensitivity, thus it is very useful for the current detection for in high voltage of the modern power system and its application prospect is the very broad.

First, this paper discusses the basic principle, the basic structure, detection principle and classification of OCT based on Faraday effect; on this basis, the key factors affecting the performance of OCT are analyzed; finally, to reduce or overcome the effect of method of key factors or measures are summarized.

The characteristics of this paper: explains and studies about the influencing factors of the OCT is proposed in the new ideas, new concepts and new methods such as summing up; contribute to the research of OCT arrangement and recognition; more conducive to clarify some research on OCT in the specious, do not fully understand the problem; the rapid development of OCT is expected to play a certain reference role, and provide guidance for the influence factors to reduce the influence of OCT accuracy.

Key Words：OCT；Faraday effect；Linear birefringence；Temperature；Vibration

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 传统电磁式电流互感器暴露的缺陷 1

1.1.2 新型光纤电流传感器具有的优势 2

1.2 研究情况 3

1.2.1 国外研究情况 3

1.2.2 国内研究情况 3

1.3 研究目的及意义 4

1.4 本文的主要工作及章节安排 5

第2章 光纤电流传感器的工作原理 6

2.1 基本原理 6

2.2 系统结构 7

2.3 检测原理 8

2.4 分类 9

第3章 关键性影响因素分析 10

3.1 影响因素 10

3.2 关键因素的影响机理及影响结果 10

3.2.1 温度 10

3.2.2 固有线性双折射 12

3.2.3 振动 12

3.2.4 噪声 13

第4章 消除或减小关键性影响因素的措施 14

4.1 温度补偿 14

4.1.1 1/4波片的温度补偿 14

4.1.2 Verdet常数的温度补偿 15

4.1.3 改进光纤线圈结构的温度补偿 15

4.1.4 相位调制器的温度补偿 16

4.2 噪声抑制 17

4.2.1 电源噪声抑制 17

4.2.2 光电检测电路噪声抑制 18

4.2.3 输出信号噪声抑制 19

总结与展望 20

参考文献 21

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 研究背景

光纤传感器问世于上世纪的六十年代，经过数十年的发展，光纤传感技术是如今发展最快的顶尖技术。它从一个侧面反映着国家的科技发展水平，与通信技术和计算机技术构成现代信息产业的三大支柱，三大技术分别完成对被测量的信息检测、传输和处理环节。其中，信息检测是随着半导体光电技术以及传感检测技术的进步而得以同时发展的一种光纤传感技术。此技术的高端之处在于它的信息传播是依靠光波来进行传输的，而融入了特殊编码的光波在光纤中以极高的速度进行信息数据的通讯，在到达另一端之后再利用特殊的解码器把含在其中的数据信息再分析出来，最终完成了信息和数据的传输，这种新型的技术使得其装备更轻、具有稳定的外形和结构、尺寸也被逐渐压缩的更小、同时不怕电磁辐射环境对信号的干扰，由于它所具有的这些优势和特点使它在恶劣环境中被广泛应用^[1]。正是因为它有着如此之多的长处，所以它一出现就被行业内的专家所青睐，并迅速的应用到多个领域之中，而本论文所探讨的光纤电流传感器（Optical Current Transducer，OCT）就是其在电力系统中最典型的应用之一。

1.1.1 传统电磁式电流互感器暴露的缺陷

据了解，对每一个环节和不同层次的电力系统来说，电流测量是必要的，它包括电流测量、电流控制、电流调节和电流保护。显然，电流测量是确保用户获得高安全性和高品质的电力的关键。因此，电流传感器是电力系统电流测量的重要设备，电力系统中的高端的精密控制技术都依赖并建立在其采集信息精准性的基础上。如今，电流互感器（Current Transformer，CT）在对电流信号进行测量的领域当中可谓是用的最多的器件之一。随着社会经济不断发展，我国无论是工业建设、经济发展还是家庭民用对于电能的依赖程度以及对其用量都在与日俱增。据有关数据显示，我国的整体用电水平和发电机组的容量都呈现出了高速上升态势。为此我国国家电网等相关部门为满足这种需求，加大了电流的配送以及同时提高了电压等级，以达到提高电能输出能力的目的，在这种情势之下为了减少在线路上的损耗，也是为了减少输电线路的截面积节省投资成本，所以我国的输送电网络的电压等级在不断的提高，由此一来，必须要有与之电压等级相匹配的高精度检测元件。在这种电力系统额定电压等级和传输容量大幅度提升的测量环境下，传统电磁式电流互感器已暴露出不少缺陷^[1][4][6]：

（1）高耐压难以实现。通常的高压电流互感器为了实现高耐压，使用绝缘油来实现但是容易出现故障，尤其应用于越高的电压场合（500 kV）也就越难实现，因绝缘带来的生成成本也不断增加；