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摘要：全光纤电流互感器具有很多优势，绝缘性好、抗电磁干扰能力强、动态范围大、频带宽、重量轻、体积小、安全性高，以及可测交直流信号等优点。它适应了电力系统数字化、智能化和网络化发展的需要，成为数字化变电站电流信号采集装置的首选，因此进一步加强对其的研究非常有必要。基于此本文分析了全光纤电流互感器温度误差分析与温度误差补偿。
关键词：全光纤电流互感器;温度误差;温度误差补偿
中图分类号：TM933文献标识码：A
1、全光纤电流互感器系统组成和工作原理
光学电流互感器自20世纪70年代诞生并应用以来，其性能非常优越。如果按照实现方式可以将光学电流互感器分为两种类型，即磁光玻璃式电流互感器和全光纤电流互感器，该文即对后者进行重点研究和分析。全光纤电流互感器（F0CT）是以光纤为主要载体，用于电流传感，在整个系统中，每一个元件的装置都是采用光纤溶解的方式来进行连接，没有独立的元件存在，是一个完整的系统。FOCT相较于传统的电磁式电流互感器，具有结构完整简单，可靠性高，稳定性好等特点，因为是在光纤的基础上来制作和装置光学元件，因此整个系统表现出良好的一致性，工艺上也趋于成熟，抗振性好。FOCT光纤传感安全灵活简便，体积小，重量轻，可在多种设备中组合应用，在直流测量中应用效果也良好，适应性很强，应用范围十分广泛。因为FOCT没有其他有源电子式互感器所必须安装在户外的电子元件，这使得其可靠性得到大幅提升，更容易满足电网建设的要求。基于这些优势，FOCT自应用以来受到业内广泛关注和认可，逐渐成为现代电子式电流互感器的主流产品。
反射式FOCT系统的组成如图1所示，其工作原理为：光源发出的平行光经起偏器变为线偏振光，经过45°熔接点后分为两束偏振方向相互垂直的线偏振光，被相位调制器被调制后，在λ/4波片处分别变为左旋和右旋圆偏振光，受到电流产生的磁场的作用两束光的偏振面会发生旋转，两束光偏振面的旋转角度大小相等、方向相反，其相位差为两倍的法拉第相移，即F=2NVI，两束光被反光镜反射后偏振态互换，沿着原光路返回再次受到磁场的作用，由于法拉第效应具有非互易性两束光按原光路返回时法拉第相移加倍，即F=4NVI，最终携带相位信息的光到达光电探测器产生电信号，被信号处理部分解调后计算出被测电流的大小。
2、FOCT温度误差分析
温度对FOCS的影响主要体现在对Verdet常数的影响和导致温致线性双折射。温致线性双折射主要是由于传感光纤纤芯和包层的热膨胀系数不同，温度波动时，纤芯和包层伸展量或收缩量不一致而产生剪切应力，而剪切应力作用在传感光纤上会进一步引起线性双折射。Verdet常数随温度变化和温致线性双折射共同作用会影响FOCS的精度，最终造成FOCS比差随温度漂移。
2.1温度对Verdet常数影响
传感光纤的Verdet常数是光纤感应磁场能力的1个重要参数，它反映了单位长度的传感光纤感应外磁场的能力，与FOCS的比差密切相关。然而Verdet常数也会受温度影响，使其数值V随着温度波动而发生改变，其温度特性为
由式（2）可见，Verdet常数与温度成线性关系。
2.2温度对温致线性双折射的影响
温度波动引起热胀冷缩，纤芯和包层会随着温度的变化而导致其长度改变。由于纤芯和包层的热膨胀系数不同，长度变化也不同。然而纤芯和包层熔接在一起，其长度时刻保持一致，从而使得纤芯和包层受到轴向应力，当该轴向应力作用在不同材料接触面上，就会在接触面上产生剪切应力。
2.3线性双折射对互感器的影响
由于传感光纤主要采用单模光纤，而单模光纤中存在固有线性双折射和由于温度、外力等外部原因引起的双折射。固有线性双折射主要是由于光纤中残余内应力或者纤芯不圆等原因引起的，不会随着外界的影响而改变。而温度变化导致的线性双折射实质上也是应力双折射的一种，会随着外界温度的波动而改变。
3、FOCT温度误差补偿技术
综合上述FOCT温度误差分析可知，温度误差的2个主要来源是：①λ/4波片的初始相位延迟角引入的误差;②维尔德常数变化引入的误差。那么是否存在一个合适的φ0，使得在每一个温度点波片引入的温度误差正好与维尔德常数引入的温度误差大小相近，正负相反，从而实现系统温度误差的相互补偿。
同时为了減小折射的影响，可采取以下措施。1）减小光纤固有双折射。可采用低双折射率光纤，该光纤在制造过程中，将普通光纤的预制棒绕轴向旋转，旋转速度达到每分钟几千转，可大大减小光纤的不对称性，从而减小光纤的固有双折射。2）沿轴向扭转已制好的传感光纤，在光纤中引入大量的圆双折射来抑制线性双折射，使系统保持较高的测量灵敏度和温度稳定性。3）采用将传感光纤圈退火的方法可以有效消除弯曲产生的线性双折射;其缺点是由于高温退火，使光纤变得异常脆弱，对退火光纤的封装提出了很高的要求。4）采用与光纤膨胀率相近的封装材料对传感光纤圈进行封装，减小温度变化引起的线性双折射。
另外，试验过程中设定温度控制箱的温度变化范围为-40℃～60℃，温度控制箱内的温度从20℃开始每分钟变化2℃，当温度达到整十数温度值时保温5min，将λ/4波片相位延迟角初始值为86°的光纤传感环放入温度控制箱内进行循环测试。直流稳流电源输出的电流分为两路，一路通过其数据接口与数据采集卡直接相连，用数据采集卡直接采集电源输出的数字电流信号并将此路电流信号作为基准;另外一路使用FOCT测量电源输出到载流导线上的电流，然后通过数据采集卡采集FOCT输出的电流信号，两路电流信号通过数据采集卡进入Labview上位机程序进行分析，计算出电流测量值的相对误差。
总之，目前，制约FOCT应用的主要因素之一是环境温度对其测量精度的影响，因此，减小环境温度对FOCT测量精度的影响对其实用化具有重要的意义，需要重点加强对其的研究。
参考文献
[1]王志，初凤红，吴建平.全光纤电流传感器温度补偿研究进展[J].激光与光电子学进展，2014，51（12）：52-61.
[2]李威.全光纤电流互感器温度补偿算法探讨[J].供用电，2015，32（11）：66-69+74.
[3]张鑫.光纤电流互感器中信号检测与处理[D].山东大学，2012.
[4]程嵩，郭志忠，张国庆，等.全光纤电流互感器的温度特性[J].高电压技术，2015，41（11）：3843-3848.
关键词：全光纤电流互感器;温度误差;温度误差补偿
中图分类号：TM933文献标识码：A
1、全光纤电流互感器系统组成和工作原理
光学电流互感器自20世纪70年代诞生并应用以来，其性能非常优越。如果按照实现方式可以将光学电流互感器分为两种类型，即磁光玻璃式电流互感器和全光纤电流互感器，该文即对后者进行重点研究和分析。全光纤电流互感器（F0CT）是以光纤为主要载体，用于电流传感，在整个系统中，每一个元件的装置都是采用光纤溶解的方式来进行连接，没有独立的元件存在，是一个完整的系统。FOCT相较于传统的电磁式电流互感器，具有结构完整简单，可靠性高，稳定性好等特点，因为是在光纤的基础上来制作和装置光学元件，因此整个系统表现出良好的一致性，工艺上也趋于成熟，抗振性好。FOCT光纤传感安全灵活简便，体积小，重量轻，可在多种设备中组合应用，在直流测量中应用效果也良好，适应性很强，应用范围十分广泛。因为FOCT没有其他有源电子式互感器所必须安装在户外的电子元件，这使得其可靠性得到大幅提升，更容易满足电网建设的要求。基于这些优势，FOCT自应用以来受到业内广泛关注和认可，逐渐成为现代电子式电流互感器的主流产品。
反射式FOCT系统的组成如图1所示，其工作原理为：光源发出的平行光经起偏器变为线偏振光，经过45°熔接点后分为两束偏振方向相互垂直的线偏振光，被相位调制器被调制后，在λ/4波片处分别变为左旋和右旋圆偏振光，受到电流产生的磁场的作用两束光的偏振面会发生旋转，两束光偏振面的旋转角度大小相等、方向相反，其相位差为两倍的法拉第相移，即F=2NVI，两束光被反光镜反射后偏振态互换，沿着原光路返回再次受到磁场的作用，由于法拉第效应具有非互易性两束光按原光路返回时法拉第相移加倍，即F=4NVI，最终携带相位信息的光到达光电探测器产生电信号，被信号处理部分解调后计算出被测电流的大小。
2、FOCT温度误差分析
温度对FOCS的影响主要体现在对Verdet常数的影响和导致温致线性双折射。温致线性双折射主要是由于传感光纤纤芯和包层的热膨胀系数不同，温度波动时，纤芯和包层伸展量或收缩量不一致而产生剪切应力，而剪切应力作用在传感光纤上会进一步引起线性双折射。Verdet常数随温度变化和温致线性双折射共同作用会影响FOCS的精度，最终造成FOCS比差随温度漂移。
2.1温度对Verdet常数影响
传感光纤的Verdet常数是光纤感应磁场能力的1个重要参数，它反映了单位长度的传感光纤感应外磁场的能力，与FOCS的比差密切相关。然而Verdet常数也会受温度影响，使其数值V随着温度波动而发生改变，其温度特性为
由式（2）可见，Verdet常数与温度成线性关系。
2.2温度对温致线性双折射的影响
温度波动引起热胀冷缩，纤芯和包层会随着温度的变化而导致其长度改变。由于纤芯和包层的热膨胀系数不同，长度变化也不同。然而纤芯和包层熔接在一起，其长度时刻保持一致，从而使得纤芯和包层受到轴向应力，当该轴向应力作用在不同材料接触面上，就会在接触面上产生剪切应力。
2.3线性双折射对互感器的影响
由于传感光纤主要采用单模光纤，而单模光纤中存在固有线性双折射和由于温度、外力等外部原因引起的双折射。固有线性双折射主要是由于光纤中残余内应力或者纤芯不圆等原因引起的，不会随着外界的影响而改变。而温度变化导致的线性双折射实质上也是应力双折射的一种，会随着外界温度的波动而改变。
3、FOCT温度误差补偿技术
综合上述FOCT温度误差分析可知，温度误差的2个主要来源是：①λ/4波片的初始相位延迟角引入的误差;②维尔德常数变化引入的误差。那么是否存在一个合适的φ0，使得在每一个温度点波片引入的温度误差正好与维尔德常数引入的温度误差大小相近，正负相反，从而实现系统温度误差的相互补偿。
同时为了減小折射的影响，可采取以下措施。1）减小光纤固有双折射。可采用低双折射率光纤，该光纤在制造过程中，将普通光纤的预制棒绕轴向旋转，旋转速度达到每分钟几千转，可大大减小光纤的不对称性，从而减小光纤的固有双折射。2）沿轴向扭转已制好的传感光纤，在光纤中引入大量的圆双折射来抑制线性双折射，使系统保持较高的测量灵敏度和温度稳定性。3）采用将传感光纤圈退火的方法可以有效消除弯曲产生的线性双折射;其缺点是由于高温退火，使光纤变得异常脆弱，对退火光纤的封装提出了很高的要求。4）采用与光纤膨胀率相近的封装材料对传感光纤圈进行封装，减小温度变化引起的线性双折射。
另外，试验过程中设定温度控制箱的温度变化范围为-40℃～60℃，温度控制箱内的温度从20℃开始每分钟变化2℃，当温度达到整十数温度值时保温5min，将λ/4波片相位延迟角初始值为86°的光纤传感环放入温度控制箱内进行循环测试。直流稳流电源输出的电流分为两路，一路通过其数据接口与数据采集卡直接相连，用数据采集卡直接采集电源输出的数字电流信号并将此路电流信号作为基准;另外一路使用FOCT测量电源输出到载流导线上的电流，然后通过数据采集卡采集FOCT输出的电流信号，两路电流信号通过数据采集卡进入Labview上位机程序进行分析，计算出电流测量值的相对误差。
总之，目前，制约FOCT应用的主要因素之一是环境温度对其测量精度的影响，因此，减小环境温度对FOCT测量精度的影响对其实用化具有重要的意义，需要重点加强对其的研究。
参考文献
[1]王志，初凤红，吴建平.全光纤电流传感器温度补偿研究进展[J].激光与光电子学进展，2014，51（12）：52-61.
[2]李威.全光纤电流互感器温度补偿算法探讨[J].供用电，2015，32（11）：66-69+74.
[3]张鑫.光纤电流互感器中信号检测与处理[D].山东大学，2012.
[4]程嵩，郭志忠，张国庆，等.全光纤电流互感器的温度特性[J].高电压技术，2015，41（11）：3843-3848.