全光纤电流互感器精度影响因素及抑制方法研究

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  摘要:电流互感器器是电力系统中的测量元件,部分绕组甚至是计量元件,对于其精度的各级标准中有明确要求。这些误差的要求在全光纤电流互感器上是相同的,部分误差是系统误差无法避免,如法拉第旋光效应带来的误差,部分误差是结构误差或者是方法误差,如线性双折射,这是光纤自身就存在的误差,但由于检测的物理量也是双折射,这两种双折射产生了叠加效果,而磁致圆双折射和残余双折射没有明显的差异,在检测过程中无法区别,增加了检测误差,应用在小电流检测场景时,由于磁场的强度与电流大小呈正相关,因此法拉第效应产生的圆双折射量级较小,由电流产生的磁致圆双折射几乎被线性双折射所湮没,无法避免光强受线性双折射扰动,电流测量值引起得波动对结果干扰明显,为了提高精度,降低直至克服线性双折射是关键环节,这直接影响全光纤电流传感器的应用。
  关键词:光纤互感器;精度分析;影响因素
  1引言
  电流互感器器是电力系统中的测量元件,部分绕组甚至是计量元件,对于其精度的各级标准中有明确要求。这些误差的要求在全光纤电流互感器上是相同的,部分误差是系统误差无法避免,如法拉第旋光效应带来的误差,部分误差是结构误差或者是方法误差,如线性双折射,这是光纤自身就存在的误差,但由于检测的物理量也是双折射,这两种双折射产生了叠加效果,而磁致圆双折射和残余双折射没有明显的差异,在检测过程中无法区别,增加了检测误差,应用在小电流检测场景时,由于磁场的强度与电流大小呈正相关,因此法拉第效应产生的圆双折射量级较小,由电流产生的磁致圆双折射几乎被线性双折射所湮没,无法避免光强受线性双折射扰动,电流测量值引起得波动对结果干扰明显,为了提高精度,降低直至克服线性双折射是关键环节,这直接影响全光纤电流传感器的应用。
  在工程应用中,特别是在配电网络中,互感器常年工作在户内外、敞开环境下,气候环境恶劣,寒来暑往,昼夜交替,自然条件下温度的变化是剧烈的,线性双折射的影响程度与温度的起伏变化关系密切,降低温度产生的波动对测量精度和测量结果的重复性有深刻的意义。降低线性双折射变化对互感器测量结果的影响,提高光纤电流传感器的温度稳定性,是提高互感器测量精度的主要途径,也是制造互感器技术路径的选择依据。同时利用逆磁材料降低光纤对温度影响系统测量的敏感性,提高测量的稳定性,也是在材料选择方面的关键步骤。
  2线性双折射的成因
  相对于理想全光纤电流传感器模型,应用中的测试光纤受外界多种因素影响影响,这种影响与需要测量的电流磁场叠加在一起,改变类理想模型下其光纤双折射振值,甚至掩盖了电流磁场产生的效果。理论分析中提及的單模光纤,其横截面结构应该是完全的轴对称圆形,在此前提下,将任意偏振光分解为两束正交偏振光,这两束正交偏振光在单模光纤中传输时其初传播常数是相同的,不存任何关联情况,因此在理想的传播过程中,两束偏振光之间的状态不会改变,最终合成输出时偏振态应该没有变化。但限于光纤的制造工艺、光纤在布防过程中受到的不均匀力、以及扭曲、热变形、压力等多种实际条件,光纤中传波的两束正交偏振模光会出现:耦合、相位变化等问题,这种两个正交偏振光模传播常数不同的现象被称为光纤双折射。通常,光线在光纤中传播时有很多种折射的分类方法,一般较为常见的是线性双折射和圆双折射:线性双折射主要引起正交的线偏振光传播常数不同;圆双折射则引起正交的左右旋圆偏振光传播常数不同。光学材料的折射率的各向异性分布将导致光传播的线性双折射发生在这种光学材料中,线偏振光的情况也与此相似,由于两个正交电场传播速度不等,演变为光线经光纤中的传播后相位差变化,原本以线偏振光形态传导的光线,在上述影响下发生变化,部分以椭圆偏振光的形式传导。
  分析传感光纤中的线性双折射产生的主要原因,可以归纳为以下几个方面:不均匀应力产生的双折射,拉制过程中冷却不均匀以及某一方向上的外力使包裹层产生形变,这些细微的因素都将不可避免的带来双折射,产生这类双折射的准用称谓为本征双折射,或残余双折射,主要原因是制造工艺,在批量生产中控制工艺的差别,造成了光纤固有的隐疾;外部条件的变化,如振动、温度变化也会导致产生双折射,特别是温度的变化也会产生线性双折射,因为温度的变化是光纤受力不均,内部产生应力,形变会进一步造成使折射率发生变化,且这种折射率的变化分布不均匀;还有一些装配环节会带来误差,传感头组装、环形结构绕制,难免会让光纤受到到了来自于垂直和弯曲两个平面上的力,两个力合成后会产生不均匀的受力的结果。线性双折射对整个测量过程都影响很大,特别是多个光纤部件级联使用,其影响因子会连乘在一起,误差会产生累计产生放大的效果,必须采取有效措施,针对性降低或者减少线性双折射的影响,保证测量精度。
  3线性双折射的抑制方法研究
  3.1线性双折射的抑制途径
  为降低残余线性双折射,优先选择的是使用超低双折射光纤来代替普通的单模光纤,这种性能更加优良的光纤可以大幅降低双折射的影响,普通单模光纤的线性双折射在103°/m左右,而一般用做传感光纤的低双折射光纤,国内可以达到≤2.6°/m,国外可以达到0.75°/ m 的水平;还可以在材料使用上进行改进,选择光纤内部双折射发生几率较小的光纤,如双折射光纤、超低光纤等,同时还有光纤传导方面研究结论显示,当光纤中的圆双折射增加后,特别是大量引入圆双折射,光纤中的线性双折射的数量就会降低,抑制效果佳。
  提高圆双折射的方法有很多种,但较为有效的有两种方法:改变光纤的传感器的绕制结构,使其成为环形结构,这样的结构保证了可以获得一定量的圆双折射;另一个常用的方法高圆双折射光纤,这种光纤是经过特殊工艺处理,高折射率高,材料选用的同时在加上特殊的旋扭工艺,双管齐下提高圆双折射效果,但这样做也有两方面的缺点,一是单纯的旋转会使光纤硬度提高,弯曲半径增加,容易发生断裂;二是高圆双折射光纤对温度敏感性很强,一旦外界温度发生变化,光纤的性能会随之发生变化,需要良好的温度补偿措施,需要温度补偿措施。所以,可以综合以上两种方法,采用超低双折高园射光纤,将其布置为圆形结构并在径向扭转的方式来提高园折射,消除部分线性双折射的影响。   3.2逆磁光纤温度补偿机理
  使用上节的环形互感器结构,采取上节采用的方法提高园双折射抑制线性双折射,但高圆双折射光纤受温度影响的弱点也暴露出来。前期进行此种方案尝试时,也多在温度补偿方面留下不足。今年来,随着基础材料物理的进展,逆磁光纤的发现解决这一问题。
  朗之万是量子物理学的奠基人之一,它的理论能较为准确的解释物质具有抗磁性的原因。1905年朗之万在洛伦兹经典电子理论的基础上首次对抗磁性做出了定量解释。Kittel结合朗之万的相关理论,从而发展出成熟的抗磁性理论。在自旋状体的电子,受到外施加磁场作用会产生感应磁距,影响电子轨道磁距和自旋磁距等状态,当这种自身状态的变化的产生抵消外施磁场影响,即诱导磁化强度与外磁场方向相反,这就是抗磁性现象。究其产生的原因,是复杂的量子态过程,利用宏观模型类比,磁力线穿过电子运动的轨道,产生了使电子加速的效果,电子带负电,加速运动产生了新的磁场,与外施磁场方向恰好是逆向,磁化率为负,抵消了外施磁场的效果,在宏观上表现为物质不受磁场影响。量子力学理论下,一切物体都具备上述现象特性,但在有些现象中它们表现出磁化效果,是因为非抗磁化物质,磁化效应更强烈,总体表现出来的是磁化效果,但将观察尺度缩小,直至原子、离子尺度,这种抗磁现象显现出来。
  进一步的深入研究,一些表现出逆磁效果的物质,如逆磁玻璃、逆磁纤维,其原子结构中不存在永久的电子轨道磁矩,因此外加磁场后,只会产生很小的诱导磁矩,且方向与磁场方向相反。相对而言,普通玻璃的组成原子,是以网络形成体和网络修饰体离子形式存在的,它们的机构类似惰性气体的电子层结构,没有未配对的电子,如四价硅离子、钠离子、钙离子、二价铅离子、二价钡离子等,体现出逆磁性。1985年,Kazuo Shiraishi等人研究温度在10~90℃FR-2 逆磁玻璃和FR-5 顺磁玻璃费尔德的温度关联性,并以图像的形式阐释了变化趋势,FR-5体现出明显变化趋势,Verdet常数与温度有线性变化关系,为逆相关;逆磁玻璃FR-2与其表现相反,如图1所示,Verdet常数基本未发生变化,尽管温度同样变化剧烈。
  进一步研究逆磁玻璃的Verdet系数特性,热膨胀会影响其数值的变化,值受温度影响很小,这是一种良好的光纤制备材料,以此为材料的光纤,不会受温度的影响,特别是加长光纤的长度后也不会产生Verdet常数的大幅变化,这是材料科学进展为设备制造带来的变革。
  3.3提高逆磁光纤的Verdent常數
  通过研究锗硅酸盐玻璃中不同PbO成分变化与Verdet系数大小的关系,有了这样的结论:PbO含量与Verdet系数大小正相关。随后对几种玻璃效果较为优异磁光玻璃组分分布进行研究,发现Verdet常数变化与金属氧化物的含量变化的趋势也是相同的,但在BCG 三元系统中,这种增加的趋势是逐渐趋于减小的,逐步趋向于稳定值,;在BPGB四元系统中结论却不成立。工程实践中,选取TeO2、PbO和H3BO3三种化合物,H3BO3 的摩尔比例固定为2%(H3BO3主要作用的粘合剂),TeO2和PbO按不同的比例混合均匀,放入马弗炉中烧制,多次烧制,确定合适的温度;同时也确定最佳TeO2、PbO的摩尔比,经检测,最终确定的摩尔比为(4:6)98%。
  光纤制备主要分为多模光纤和单模光纤两个部分。一是制作多模光纤,反射层直接用聚乙烯材料。这种方式简单,成本低,但是纤芯比较粗,保护层与纤芯直接接触,光纤在弯曲或者受力时,容易断裂,曲率半径比较大。但是作为电流互感器的传感光纤,传感部分本身半径就比较大,光纤被固定在传感环内部,产生的双折射现象通过后面信号处理单元补偿,所以不影响整体的使用。二是制作单模光纤,反射层与纤芯都是逆磁玻璃成份,但折射率小于纤芯。这种制作方式要在传统光纤拉丝技术上改进,先用MCVD方法制作预制棒,对预制棒尺寸等进一步加工,拉丝塔工作参数的调正,比如,拉丝环境温度、湿度、马达速度等。这种光纤优点是曲率半径小,不易被折断,损耗小。
  本世纪光纤的价格大幅下降,主要是光纤的制造工艺有了大幅提升,成品提高,其中较为成熟的工艺方法是利用不同温度下物质沉积作用,在气态对光纤预制棒进行制造,如图2所示,典型的“one、two”制造工艺。
  在芯棒拉丝前必须对其进行处理,这是众所周知的,强度和强度分布的预拉伸纤维强烈地依赖于初始纤维预制件的质量,特别是其表面质量。预制棒表面难免会存在杂质粒子,不少还有细微的裂纹,不处理直接高温拉伸后,会遗留缺陷,这些缺陷会留在光纤的表面,光纤表面裂纹和微晶就是在这个环节未处理好而遗留的拉成后的缺陷。因此,为了克服这一问题,为了制备连续长度和高强度的光纤,需要在拉拔工艺之前对这些表面缺陷进行修复和消除。要生产复合使用要求的预制棒,就需要对光纤预制棒现行处理,主要的处理的部分是其外表面,处理的方案主要有三个步骤:采用有机溶液(Etoth、Meoh、丙酮等有机溶液)预处理,完成后再经酸蚀后,最后完成火焰抛光工艺。
  4总结
  本文主要分析了在分析光纤电流传感器测量精度的影响因素,温度、震动及线性双折射。分析了线性双折射产生的原因、带来的危害,分析了利用提高圆折射抑制性双折射的方案;在解决温度对测量影响方面,采取了使用逆磁材料制备光纤的方案,采用重金属碲酸铅为基质玻璃,掺杂稀有元素制造磁光光纤,提高温度不相关性的同时,也提高了法拉第效应。
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