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.

GMM-FBG光纤电流传感器结构优化及温补模型

为解决FBG中心波长和GMM磁致伸缩系数温度敏感而影响GMM-FBG光纤电流传感器交流响应灵敏度和准确度的问题,提出在GMM-FBG传感模型中引入温度参数校准电流输出值的方法。依据法拉第电磁理论,采用有限元分析方法设计提高GMM磁耦率和均化磁场分布的磁路结构。构建波长解调系统实验平台,测试温度在20~70 ℃范围传感器不同电流对应的波长响应幅值,实验研究表明:GMM-FBG电流传感器灵敏度随温度升高而下降,且与被测电流值大小正相关。在分析传感器温度响应特性基础上,利用数学拟合方法建立了具有温度补偿系数的GMM-FBG电流传感数学模型,且将该模型用于40 ℃时60 A电流检测实验,电流检测准确度提高了4.8%。

杠杆式GMM-FBG电流传感器的仿真设计

为了提高GMM-FBG电流传感器的电流响应灵敏度,设计了一种新型杠杆式GMM-FBG光纤电流传感器。应用杠杆原理,使布拉格光纤光栅受力增大,从而提高GMM-FBG电流传感器的灵敏度。构建了传感器的理论模型,对传感器性能进行了分析;采用COMSOL有限元数值分析法,建立了传感器三维模型,针对传感器的关键参数进行仿真优化。仿真结果表明,当设计传感器中GMM是半径为1mm,高度为26mm的圆柱,不锈钢条的尺寸为32mm×1.4mm×2mm时,在0~100A输入电流范围内,线性度为0.999,灵敏度0.0406nm/A;当FBG解调仪的分辨率为1.64pm时,传感器最小可测的电流为0.04 A。

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.

一种面向复杂电力系统的GMM-FBG光学电流传感器设计

为提高测量电流的实时性和准确性,设计了适用于振动、应变、磁场和温度等多物理场的GMM-FBG光学电流传感器。分析了光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感特性,构建了超磁致伸缩材料(GMM)的一维非线性模型和磁热耦合模型。组合封装GMM和FBG的传感探头,构建磁路系统和解调系统,校正了传感器的相位误差,设计并实现了GMM-FBG光学电流传感器实物。分析了温度特性,从不同磁场方向进行电流响应实验,验证了温度补偿方法。GMM-FBG光学电流传感器取消了温度换算,降低了计算量,实现了传感器的温度补偿,提高了实时测量精度。该研究面向数字化、智能化的复杂电力系统,为新型光学电流传感器的开发与优化提供了技术参考。

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.

直流大电流综合试验装置校准方法探讨及不确定度解析

直流大电流综合特性试验装置是用于检测直流低压电器过流保护电器的脱扣动作特性的仪器,指在低压电器行业用于对直流产品进行长延时、短延时、瞬时脱扣试验和短路试验的测试设备。随着直流低压电器产品在有色冶金、氯碱化工、低压配电、直流输配电、新能源以及轨道交通等领域的广泛应用,用于直流电器产品检测的直流大电流综合特性试验装置需要定期溯源,以满足试验检测能力的准确度要求。在计量校准领域内展开相关校准方法的现状分析,梳理了现阶段此试验装置校准方法的研究方向。根据试验装置对应产品,依据国家标准,提出新的校准参数,针对直流大电流装置的校准问题,提出使用光纤电流传感器测量方法进行测量,并对其产生的数据进行不确定度评定分析。

线性双折射对光学玻璃电流传感器输出特性影响的理论分析

对线性双折射及入射起偏角对光学玻璃电流传感器输出特性的影响进行了理论推导与分析 ,给出了光学玻璃电流传感器在非理想状态下线性双折射对输出电压的调制函数的数学表达式 ,并给出了入射起偏角对系统影响的数学表达式及其对系统有无影响的条件 结果表明 ,线性双折射会以Sa(δ)函数 (抽样函数 )的形式调制理想光学玻璃电流传感器输出信号的尺度因子 ,同时以-sin2 (δ/ 2 )为影响因子决定入射起偏角对系统影响的大小 ;当入射起偏角取某些特殊值时其对系统的影响为零 该工作结果对于光学玻璃电流传感器的研究。

磁流体的光学特性及其在光电信息传感领域中的应用

详细介绍了磁流体的光学性质,包括磁流体的热透镜效应、磁光效应、磁流体折射率的可控性以及磁致分色效应。由于磁流体的光学性质具有可调谐性,这为磁流体在新型光子器件与光纤传感器的设计和研究提供了新原理、新材料。论述了应用磁流体设计的多路复用器、光开关、光纤调制器、可调谐磁流体光栅与可调谐滤波器,以及基于磁流体的光纤电流传感器原理和结构。

Verdet常数色散对光学电流传感器灵敏度影响的理论研究

为了加深对灵敏度问题的理解,这里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重火石玻璃的Verdet常数色散特性及其对块状玻璃光学电流传感器灵敏度的影响.在块状玻璃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.传感头光学材料的Verdet常数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,Verdet常数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,对光源采取恒温恒流控制或者对结果进行校正是必要的.该研究结果可为光学电流传感器的研究设计人员提供有用的参考.

数字闭环全光纤电流互感器信号处理方法

介绍了全光纤电流互感器(allfiber-optic current sensor,A-FOCS)的工作原理。针对输出信号特点,应用方波调制提高系统响应灵敏度,相关解调提取相位信息。在此基础上,引入阶梯波反馈技术,在2束相干偏振光间叠加一个与法拉第(Faraday)相移大小相等、方向相反的非互易相位差,实现闭环检测。提出三倍频方波调制方法,提高检测速度、增大闭环系统检测带宽。测试结果表明,闭环系统在-40^+60℃范围内标度因数变化小于±0.25%,接近IEC标准0.2s级(±0.2%);系统带宽大于6kHz;分辨能力小于0.5A。试验结果证明了信号处理方法的正确性。

光学组合互感器的研究

基于电光晶体的Pockels效应和磁光玻璃的Faraday效应，研制出一种新型的可同时测量高压输电线电流及电压的组合互感器。这种互感器绝缘结构简单，电压测量与电流测量间无相互干扰。实验表明，此互感器的非线性误差小于03%，在24～33℃温度范围电压传感器24h内的波动在±03%以内。文中结合实验分析了温度对电压传感器的影响。

空气间隙放电物理参数测量研究进展

随着我国特高压输电建设的深入,空气间隙放电的机理研究日益迫切,针对空气间隙放电的电场、电流、流注放电形态等关键物理参数的测量研究最新进展进行了介绍。重点介绍了国内外光电电场测量系统的研究进展,通过测试证实自主研制的瞬态电场测量系统理论测量范围可达24kV/cm,雷电冲击与ns冲击下的时域动态响应试验证实电压与电场的相关系数为0.9946。采用同轴电阻与光电调制传输系统构成的放电电流测量系统,实现了放电起始几十ns级瞬态电流的准确测量,并建立了高速摄像系统研究放电形态。搭建了试验平台,并就流注放电起始阶段空间电场的跃升、瞬态放电电流、流注形态等进行了初步研究,结果表明,研制的测量系统能够满足放电关键物理参数的测量要求,为今后深入开展放电机理研究奠定了坚实的基础。

超大电流量值传递用光纤电流传感技术

面向工业、国防及重大科学研究领域超大电流在线计量的迫切需求,提出基于光纤电流传感器量程自扩展特性实现超大电流计量标准的量值传递。基于微分琼斯矩阵方法,建立了光纤敏感环路的数学模型,揭示了线性双折射对传感器量程自扩展特性的影响机理,并证明了采用椭圆双折射光纤的电流传感器具有良好的量程自扩展能力,可通过光纤圈数对Faraday效应的比例放大作用,利用小电流实现传感器在超大电流下的等效校准。研制了干涉式数字闭环柔性光纤电流传感器,可在不断开载流母线的情况下直接形成敏感环路,实现在线计量。样机性能测试结果表明:在直流等效10~210 k A范围内,样机的测量准确度优于±0.1%;在工频额定等效25 k A条件下,样机的比差准确度满足IEC60044-8 0.2 S级要求;样机的带宽大于10 k Hz。