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1、2012-07-19################2012-07-19#####2#0#1#2-07-19########光纤光栅大电流传感研究3常瑞周次明陈留勇姜德生(武汉理工大学光纤中心,武汉430070)摘要利用电磁力的原理,提出了一种测量高压大电流的方法,将高压大电流母线缠绕成单匝或双匝螺线管,产生吸引力,使光纤光栅产生应变以此来测量大电流。通过实验使用多匝螺线管和小电流进行了模拟大电流测量。模拟实验结果表明,光纤光栅波长对电流大小的灵敏性逐步增强,特别适合于大电流的测量。关键词光纤光栅传感;电流传感器;电磁力中图
2、分类号文献标识码ATP212.14光纤光栅传感技术在近几年取得了快速的发展,并在石化、交通和军事等领域得到广泛应用。在光纤光栅电流传感研究方面,有少量利用磁致伸缩材料和电致伸缩材料,乃至有电流热效应进行光引言1随着电力工业的发展,输变电线路电压等级和电流强度越来越高,对电流和电压传感器的性能要求也更趋严格。目前应用在超高压(100～500kV)线路中的电流传感器是传统的电流互感器,制造复杂,绝缘比较困难,维护费用高,而且还有引入高电压进入安全区域的危险,因此大电流测量技术的研究成为当前电流测量领域的一个前沿课题[1]。光纤电
3、流传感方法由于其固有的优点,近20年来,国内外学者做了大量的研究工作,提出了许多设计方案,也取得了一定的成果。利用马赫2曾德尔干涉仪测量的光纤电流传感器,由于受光纤本身长期性能稳定可靠性及外界干扰等因素的制约比较严重,使得研究应用难以深入[2];利用法拉第效应的电流传感器设计简单,容易加工,但其受光纤本身的线性双折射影响极大[3],实用化比较困难;利用磁致伸缩效应的光纤电流传感器主要问题在于磁致伸缩材料本身对被测磁场也有一定的影响,而且在实用中受温度影响较大,效果并不理想[4]。目前只有光电混合式的光学电流传感器在小范围内进
4、行了实用化,但是传感器中有些器件需要提供电源成为这项技术进一步推广的关键问题[5]。[5]纤光栅电流传感的报道。本实验利用电磁力的原理,提出将高压大电流母线缠绕成单匝或双匝螺线管,产生吸引力,带动光纤光栅产生应变,并通过对光纤光栅波长的测量,实现对此待测高压大电流测量的方法,并使用多匝螺线管和小电流进行了模拟大电流测量。2基本原理光纤光栅栅距的变化,将引起布拉格波长的变化。若波长变化量与被测物理量间存在某种联系,利用光纤光栅波长解调器观测波长变化值,即可获得该被测物理量。环境温度不变时,轴向应变ε引起光纤光栅的波长的相对移动
5、值为[6]ΔλB/λB(1-ρe)ε(1)=其中,ρe为有效光弹系数,ΔλB为光纤光栅波长的变化量,λB为光纤光栅的波长值。应变可表示为ε=ΔL/L=F/EA(2)其中,ΔL为光纤光栅的伸长量,L为光纤光栅的有效长度,E为弹性模量,A为光纤的横截面积,F为2012-07-19################2012-07-19#####2#0#1#2-07-19########光纤在轴向上所受到的外力。联立式(1)和式(2)得ΔλB/λB=(1-ρe)F/EA(3)可见光纤光栅波长的移动量与受力的大小成正比。本文提出将高压大
6、电流母线缠绕成单匝或双匝螺线管,产生吸引力带动光纤光栅产生应变,并通过对光纤光栅波长的测量,实现对待测高压大电流的测量。当气隙δ很小时,通电螺线管的电磁吸力[728]图1光纤光栅电流传感器实验结构示意图Fig.1Sketchmapofopticfibergratingelectriccurrentsensorexperimentstructure1U2dΛδFδ=-δ(4)2dδ其中,U为电压,Λδ为气隙磁导,负号表示Fδ向δ减小的方向,当气隙δ很小时,可以近似地认为气隙磁导本实验中螺线管匝数为2000匝,电阻为7Ω,使用型
7、号为LightwaveLDC23744B的可调谐恒流电源为螺线管提供工作电流,电流强度调谐精度80μA,可提供最大电压10V。光纤光栅波长读出机构为用F2P腔原理制成的波长解调器,其波长的解调精度达到10-2nm。光纤光栅的长度为8mm,自由状态下波长为1300.680nm,为了使数据更准确,螺线管通电前,给光纤光栅施加预张力,布拉格波长移到1301.928nm。螺线管与电磁衔铁间气隙为2.3mm,取ρe=0.22。Λδ=-μδ(5)δ2其中,μδ为磁导率,忽略铁磁阻和非工作气隙的磁阻,Uδ就近似地等于通电线圈的总磁动势,所
8、以(6)Uδ=INR其中,N为线圈的匝数,将式(5)、(6)代入式(4),得到电磁吸力Fδ与电流I的函数关系1μδN2I2(7)Fδ=2δ2实验结果在电流传感模拟实验前,测量了螺线管产生电磁力与电流之间的关系。给线圈通入电流,通电线圈产生电磁力,随着电流的增大,电磁力也随之增大。记录电磁力
