Feasibility and Application Study of Optical Voltage/Current Sensors Using FBG

This paper concludes the case study work on the optical sensor, which is a new method for voltage and current measurement. Fiber Bragg gratings (FBG) have been developed and used for decades in the telecommunication industry. In recent years, FBG sensors have found wide applications in monitoring strain, temperature, voltage and current across all industries. As the process of constructing a robust smart grid, thousands of miles of optical-fibers have been deployed along the power transmission lines for the purpose of power production communication. This paper focuses on using the power optical fiber as voltage/current sensors instead of those copper wired traditional current transformers. By using piezoelectric layers, the optical sensor is able to transform voltage/current magnitude into optical signal, as well as transmit the signal through the optical fiber. The application of using optical fiber will significantly reduce the cost of deploying traditional current transformers all around the power grid. Moreover, the optical sensor is more stable, more accurate and faster, with such characteristics, the smart grid monitoring system could be much better. The application of combining the optical composite low-voltage cable (OPLC) and the optical current sensor in the distribution network for smart distribution monitoring has been analyzed.

A Passive Optical Fiber Current Sensor Based on YIG

A research on passive optical fiber current sensor based on magneto-optical crystal and a new design of light path of the sensor head are presented. Both methods of dual-channel optical detection of the polarization state of the output light and signal processing are proposed. Signal processing can obtain the linear output of the current measurement of the wire more conveniently. Theoretical analysis on the magnetooptical fiber current sensor is given, followed by experiments. After that, further analysis is made according to the results, which leads to clarifying the exiting problems and their placements.

Stochastic noise identification in a stray current sensor

The Allan variance analysis method is used to identify the stochastic noise in the stray current sensor. The stray current characteristic is firstly introduced. Then the optical configuration and the signal processing method of the stray current sensor are illustrated. Moreover, the cause of the stochastic noise in the stray current sensor is analyzed. The calculation method of the stochastic noise coefficient is presented in detail. And the feasibility of the stochastic noise identification with the Allan variance analysis method is evaluated. Furthermore, the zero-drift signal acquisition experiment is conducted to identify the stochastic noise in the stray current sensor. According to the experimental result, the bias instability noise, the quantization noise and the white noise are identified as the major stochastic noise. Finally, the experiment on the direct-current signal acquisitions is conducted, whose results indicate that the signal drift of the measured direct-current is mainly caused by the major stochastic noise. And the suppression methods of the major stochastic noise are proposed.

线性双折射色散对OCS灵敏度影响的理论研究

以琼斯矩阵为数学工具 ,利用理论分析和计算机仿真的方法研究了线性双折射的色散特性及其对光学电流传感器灵敏度的影响 在光学电流传感器系统中 ,光源的驱动电流与环境温度改变 ,都会造成光源峰值波长移动 由于光学玻璃材料线性双折射的色散特性 ,会使光学电流传感器的灵敏度随光源波长的变化而改变 研究结果表明 ,线性双折射的色散特性会对输出曲线的尺度因子产生影响 ,但是影响很小可以忽略

反射相移色散对OCS灵敏度影响的理论研究

以琼斯矩阵为数学工具 ,利用理论分析和计算机仿真的方法研究了单层保偏反射膜反射相移的色散特性及其对光学电流传感器灵敏度的影响 在光学电流传感器系统中 ,光源的驱动电流与环境温度改变 ,都会造成光源峰值波长移动 由于反射膜上产生的反射相移的色散特性 ,会使光学电流传感器的灵敏度随光源波长的变化而改变 研究结果表明 ,反射相移的色散特性会对输出曲线的尺度因子产生明显的影响 因此 ,光源的恒温控制与光源驱动电流的恒流控制是必要的

集磁式OCS磁特性随温度变化的研究

温漂问题是制约集磁式光学电流传感器实用化的瓶颈之一,目前研究集中在光学器件温度特性分析与补偿方面,缺乏对传感头磁特性随温度变化的分析。实际应用中磁导率和气隙长度随温度变化,使气隙磁场强度改变并影响测量准确度,因此有必要对传感头磁特性随温度变化情况进行分析。本文分析了铁磁材料磁滞回线随温度变化的情况,并在J-A模型的基础上建立带温度系数的磁滞模型;提出热膨胀系数和磁致伸缩系数的近似表达式,修正了热膨胀和磁致伸缩对气隙长度的影响;最后建立集磁环附加温度参数和气隙参数的磁滞模型,分析磁特性随温度变化情况。基于该模型提出一种具有稳定温度特性的传感头设计方法,以铁基非晶合金为例进行了仿真和实验验证,二者结果吻合,证明了模型和设计方法的有效性。

光源谱宽通过Verdet常量的色散对OCS输出影响的理论分析

费尔德(Verdet)常量是衡量磁光玻璃材料性能的重要参数之一.它是光波长的函数,因而存在色散特性.当光学电流传感系统采用具有一定谱宽的光源时,会因材料的Verdet常量对不同波长的光具有不同的量值而对系统的输出产生影响.迄今为止对该问题的研究尚罕见报道.文中先求解了ZF-7玻璃Verdet常量色散特性公式中磁光系数的大小,然后对光源谱宽通过Verdet常量色散对输出的影响进行了理论分析和计算机仿真.研究结果表明,光源谱宽在60 nm范围内通过Verdet常量的色散特性对OCS系统输出的影响小于万分之四,因此在理论研究中若不考虑其他光学参量的色散效应,用单色光模型处理光源具有一定谱宽的系统的做法是合理的与可行的.此结果可供从事光学电流传感器研究的同行参考.

新型可用于FOCS光检测的放大器的分析与设计

介绍了一种新型应用于 FOCS (光纤电流传感器 )的 PIN光检测放大器的设计 ,并提出了一种新型的双 T型选频网络电路 ,对放大器各级的设计原理也进行了详细的理论分析。理论与实践都证明这种新型光检测放大器信噪比较高 ,能对微弱的

新型可用于FOCS光检测的放大器的分析与设计

文中介绍了一种新型应用于FOCS(光纤电流传感器 )的PIN光检测放大器的设计 ,并提出了一种新型的双T型选频网络电路 ,对放大器各级的设计原理也进行了详细的理论分析。理论与实践都证明这种新型光检测放大器信噪比较高 ,能对微弱的PIN光信号进行有效地检测和放大。

光源谱宽通过光纤色散对AOCS输出的影响

基于光纤色散引起的脉冲展宽效应，在理论和实验上研究了有源光学电流传感器（AOCS）中宽带光源对系统输出的影响．理论结果表明：对于长度为500m的光纤，当光源谱宽在40—60nm之间变化时，多模光纤传输下的脉冲展宽范围在0．5～0．8ns，单模光纤传输下的脉冲展宽范围在2×10^-5～4×10^-5，信号衰减量对系统输出影响很小，且随光源谱宽的增加而有微弱的增加，实验与理论相符合．

线性双折射的波长积累效应对OCS的影响

线性双折射的波长积累效应涉及到用单色光模型替代复色光系统是否合理与可行的问题,因此有必要予以研究.文中先给出了适用于ZF-7玻璃的线性双折射的色散特性公式,再对线性双折射的波长积累效应进行理论分析和计算机仿真.研究结果表明,线性双折射的波长积累效应对OCS系统影响甚微,因此在理论研究中若不考虑其他光学参量的波长积累效应,用单色光模型处理宽带系统的做法有其合理性与可行性.此结果可供从事光学电流传感器研究的同行参考.

宽带源系统中反射相移对BGOCS影响的理论分析

提出了适用于采用具有一定谱宽光源的BGOCT的理论分析方法,对不同光源谱宽通过反射相移的色散对系统输出的影响进行了理论研究.结果表明,光源谱宽在60 nm范围内,宽带系统输出相对单色系统输出变化小于万分之二.在理论研究中若不考虑光源线宽对其他光学参量的影响时,用单色光模型处理宽带系统的做法是合理的与可行的.

ABB FOCS大电流传感器装置在电解铝行业中的应用

本文介绍了ABB FOCS大电流传感器装置的工作原理、组成部分,以及其在400 kA电解铝企业的应用情况。并结合中国铝业公司下属企业使用ABB FOCS-400大电流直流传感器装置的情况,简单介绍了ABB FOCS-400大电流互感器的运行维护,及其一般故障处理措施。

NPBS参量温度特性及其对OCRCS影响的理论研究

为获得无偏振效应分束器（NPBS）光学参量对正交共轭反射镜电流传感器性能的影响的规律并为该种传感器设计提供理论依据，用实验方法获取了NPBS反射相移和分光比的温度特性，并用理论方法研究了其对正交共轭反射镜电流传感器性能的影响．结果表明，尽管当温度在5℃～40℃范围内变化时，NPBS的分光比和反射相移均发生了变化，但只有分光比的温度特性影响系统输出的灵敏度的稳定性；通过对尺度因子进行温度补偿可保证系统输出的温度稳定性．

Experimental and Theoretical Analysis of an Optical Current Sensor for High Power Systems

A magneto-optical sensor, using a dual quadrature polarimetfic processing scheme, was evaluated for current metering and protection applications in high voltage lines. Sensor calibration and resolution were obtained in different operational conditions using illumination in the 1550-nm band. Results obtained indicated the feasibility of interrogating such sensor via the optical ground wire （OPGW） link installed in standard high power grids. The polarimetric bulk optical current sensor also was theoretically studied, and the effects of different sources of error considering practical deployment were evaluated. In particular, the interference from external magnetic fields in a tree-phase system was analyzed.

塑壳断路器可靠性试验电源的光纤校准技术研究

针对塑壳断路器可靠性试验电流的大幅值、短时、交直流混合等特点以及现场复杂工况对大电流标准传感器的严苛要求,提出了基于光纤电流传感技术的塑壳断路器可靠性试验电源现场校准方法。根据光纤电流传感器的闭环检测原理建立了系统的动态模型,分析了阶跃响应和频率响应特性,仿真结果表明:通过调节系统的前向增益及滑动滤波器阶数,传感器的上升时间优于9.09μs,-3 dB带宽可达39.91 kHz,证明了光纤电流传感器对塑壳断路器可靠性试验电流的跟踪响应能力。基于等安匝法对光纤电流传感器进行校准,评定了校准结果的不确定度,结果表明:在2.5~60 kA范围内,传感器的直流、工频电流测量准确度优于0.2%。对塑壳断路器可靠性试验电流进行了现场测试,为塑壳断路器可靠性试验电源的现场校准提供了一条技术途径。

基于轴向电涡流效应的高精度长位移传感器

为了实现大行程精密光学调焦组件的高精度实时检测,研究基于轴向电涡流效应的高精度长位移传感器。建立了长位移电涡流探头仿真模型进行线性度测试,搭建电涡流传感器测试系统进行精度实验,并将长位移电涡流传感器接入精密光学调焦组件。实验结果表明:在可测量位移达到24 mm的同时,线性度优于1%,分辨率优于0.5μm,精度优于1μm,高精度长位移电涡流传感器符合精密光学调焦组件的需求。

基于法拉第效应的宽频光学电流传感器研制及其性能研究

当前智能电网和新型电力系统中存在大量高频暂态电流分量。高频暂态电流是反映电力系统扰动及故障过程的重要信息,对其波形、频率、幅值等信息参数进行实时观测是预防和确保电网安全稳定运行的前提。而传统电流测量方式存在频带窄、易受电磁干扰、绝缘配合难度大等问题,难以对暂态电流进行有效检测。故提出并设计了一种具有抗干扰能力的螺线管式宽频光学电流传感器,基于传感器性能测试平台,研究了传感器的灵敏度、线性度以及频率特性,结果表明目前传感器的灵敏度为62.57 mV/A且带宽可以达到1 MHz以上;此外搭建了直流电弧实验平台对直流电弧进行了测量。试验结果表明,该传感器可实现对直流至高频电弧分量的有效测量,其测量结果与标准电流探头的线性相关度可达0.9971,多次实验结果表明相关系数的相对变化率小于2%,具有一定工程使用价值。

光电复合缆载流量监测系统光电子器件可靠性分析

针对构成光电复合缆载流量监测系统的分布式光纤温度传感器(DTS)和全光纤电流互感器(FOCT)的运行可靠性问题,基于可靠性框图法,对其中的关键光电子器件及信号处理模块建立可靠度、失效率和平均寿命分析模型,仿真分析了使用环境、运行时间和管芯温度对系统可靠性的影响。结果表明,DTS和FOCT系统中关键光电子器件的失效率均随管芯温度的增加而增加,可靠度随管芯温度和使用时间的增加而降低,平均寿命随管芯温度的增加而降低,且使用环境越恶劣,整体可靠性越低,在光源管芯温度为50℃,运行时间为31500 h,使用环境良好的条件下,DTS和FOCT系统的失效率、平均寿命及可靠度估计值分别为9.84×10^(-5)1/h、10160.96 h、0.2342和1.026×10^(-5)1/h、97434.947 h、0.65316。

Fiber structures and material science in optical fiber magnetic field sensors

Magnetic feld sensing plays an important role in many felds of scientifc research and engineering applications.Benefting from the advantages of optical fbers,the optical fber-based magnetic feld sensors demonstrate characteristics of light weight,small size,remote controllability,reliable security,and wide dynamic ranges.This paper provides an overview of the basic principles,development,and applications of optical fber magnetic feld sensors.The sensing mechanisms of fber grating,interferometric and evanescent feld fber are discussed in detail.Magnetic fuid materials,magneto-strictive materials,and magneto-optical materials used in optical fber sensing systems are also introduced.The applications of optical fber magnetic feld sensors as current sensors,geomagnetic monitoring,and quasi-distributed magnetic sensors are presented.In addition,challenges and future development directions are analyzed.