[发明专利]一种抗干扰电流传感光纤及由其制成的电流传感光纤环

说明书

技术领域

本发明涉及一种电流传感器中的抗干扰传感光纤及传感光纤环，具体属于一种用于高压输电线路中测量电流和进行继电保护的反射式全光纤电流传感器中具有抗外界电磁干扰的传感光纤或传感光纤环。

背景技术

全光纤电流传感器（或称互感器）作为高压输电干线的关键设备之一，已受到国际电力行业越来越多的青睐和重视。国内外著名电力设备厂家，如ABB、Alstom、南瑞航天、南瑞继保、中国电科院等，上百家企业及科研单位都投入了大量的人力、物力和财力竞相研究和开发。虽然经过长达几年甚至十几年的努力，已经取得一定的成果和经验，但是，2011年在中国国家电网公司的组织下，由武汉高压研究主持对国内外主要（光纤型）电流互感器厂家所提供的互感器进行了严格测试，测试的结果表明现有的互感器离实际应用还有相当的距离和不足。除系统的电器部分抗电磁干扰性能差之外，还存在传感器的整体性能不稳定、小信号的情况下噪声大以及温度重复性差等严重的不良特征。从技术角度来讲，这些问题主要来源于传感光纤环。因此，如何设计和使用正确而且可靠的电流传感光纤环成为了一个非常核心的议题。

依据公开号为CN202614975U的实用新型专利公开的内容，由法拉第定律可以得到环内磁场对圆偏振光所产生的相位变化可表述为其中S为该光纤的有效法拉第感应系数，该系数一般与光纤的位置有关；H为磁场强度；l为沿光纤长度的积分元。假定电流传感光纤是理想均匀的，那么可以认为S与光纤的位置无关，这样环内磁场对圆偏振光所产生的相位变化可简化为而对于环外的磁场，由于磁通量等于零，即所以这种设计从理论上来讲是抗外场干扰的。

此外，如公开号为CN201589873U中所描述的具有变速螺旋区（即起转段2）的双折射电流传感光纤及其做成的环特性，该变速螺旋光纤如果去掉螺旋，实际就是一根线双折射保偏光纤。以熊猫光纤为例，具体结构如图1所示，从功能上来讲可以分为三个区，A区为保线偏振光纤，其左端一般与信号处理系统中的线保偏光纤熔接在一起；B区是具有变速螺旋的双折射光纤，其左端螺旋速率为零，而右端螺旋速率达到设定的最高值，其长度一般在15至50公分之间；C区是螺旋速率为设定最高值的均匀螺旋的双折射光纤，其长度一般在2-20米或者更长。图1中的光纤特征已在专利文件中清楚描述，在此只作简单描述。所述B区光纤和C区光纤都具有法拉第效应，只是B区的法拉第效应随螺旋速率的增加而增加，即B区的有效法拉第感应系数是个变数，我们可以根据需要将其制作成随位置线性增加，如图1所示。而C区的法拉第效应是恒定的，即有效法拉第感应系数是个常数。如果用B区和C区光纤构成电流传感环，环内磁场对光波所产生的相位变化只能描述为因为B区光纤的归一化有效法拉第感应系数S沿B区光纤的长度是变化的。这样根据上一段的描述，环外磁场对光波所产生的相位变化这说明用这种光纤做成的电流传感光纤环是不抗外界干扰的。尽管可以通过一定的优化改善电流传感光纤环的一些抗干扰特性，但离电力系统要求千分之二的误差精度相距较远，其抗干扰特性随B区和C区的长度（假设B区光纤的长度为B，C区光纤的长度为C）之比B/C减小而增强，当B远小于C且差别在三个数量级以上，才能勉强达到电力系统要求的误差精度。

为此，专利CN202614975U提出了使用磁场屏蔽管来解决这个问题的方法，然而这种技术在实际的应用中仍存在一定的约束。第一，同一磁场屏蔽管的屏蔽能力随磁场频率的增加而增加，也就是说高频中的磁场屏蔽管的屏蔽效果较好，但对于低频特别是直流的屏蔽效果较差，这种现象就是常说的“趋肤效应”导致的，测试结果表明磁场屏蔽管即使对工频磁场屏蔽的效果达到了千分之二的精度，但是对直流而言离这样的精度还是存在很大的距离。第二，以额定工频电流为1200A为例，为实现千分之二的误差精度，磁场屏蔽管的壁厚需要2-3cm（直径达到4-6cm），以长度为35cm的磁场屏蔽管为例，光是磁场屏蔽管的重量就接近8公斤。另外，由于磁场屏蔽管的长度和直径的因素，也决定了传感光纤或传感光纤环的体积。为了解决上述几方面的不足，迫切需要有一种新的方法来改善电流传感光纤环的抗干扰性，既能不依赖于磁场的频率特性，又可以大幅减少重量和体积。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种抗干扰电流传感光纤及由其制成的电流传感光纤环，可以有效地抑制变速螺旋区光纤对磁场的敏感性，提高传感光纤环的抗干扰性，且与磁场的频率无关。