2　无源OCT

  

　　无源OCT就是传感头部位没有电源供电的光电电流测量装置。无源OCT多采用法拉第磁光效应和干涉原理，以前者为主。无源OCT的特点是：整个系统的线性度比较好，灵敏度可以做得较高;绝缘性能好。它的难点是精度和稳定性易受温度、振动的影响。利用法拉第磁光效应实现的无源OCT有全光纤式、光电混合式和块状玻璃式。全光纤式的OCT，光纤本身就是传感元件，结构比较简单，但光纤线性双折射的问题一直是困扰着它的主要难点;光电混合式的精度受到一定的限制。目前使用最为普遍的是块状玻璃式无源OCT，国外挂网实验运行也都是此类型，它是最有实用化可能的类型之一，故而我们也采用此方案。

  

　　采用法拉第磁光效应进行电流测量的原理是磁光材料在外加磁场和光波电场共同作用下产生的非线性极化过程。当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的偏振面就会线性地随着平行于光线方向的磁场大小发生旋转;通过测量通流导体周围线偏振光偏振面的变化，就可间接地测量出导体中的电流值。用算式表示为：

  

                (1)

    

　　式中：θ为线偏振光偏振面的旋转角度;V为磁光材料的Verdet常数;l为磁光材料中的通光路径;H为电流I在光路上产生的磁场强度。

   

　　由于磁场强度H由电流I产生，式(1)右边的积分只跟电流I及磁光材料中的通光路径与通流导体的相对位置有关，故式(1)可表示为：

  

θ=VKI　　　　　　　　　　　　 (2)

    

　　式中　K为只跟磁光材料中的通光路径和通流导体的相对位置有关的常数，当通光路径为围绕通流导体1周时，K=1，故只要测定θ的大小就可测出通流导体中的电流。

  

　　由于目前尚无高精确度测量偏振面旋转的检测器，通常将线偏振光的偏振面角度变化的信息转化为光强变化的信息，然后通过光电探测器将光信号变为电信号，并进行放大、处理，以正确反映最初的电流信息。一般采用检偏器来实现将角度信息转化为光强信息。

   

　　闭环式块状玻璃传感头结构如图2所示。经过对多种磁光材料的实验、分析比较[3]，最后选用温度特性好、Verdet常数较高的ZF6重铅玻璃作为传感头磁光材料。在传感头结构设计上主要考虑2个问题：一是线偏振光在2种不同界面上发生全反射时，电矢量相互垂直的2个分量之间产生相位差，即所谓的“全反射相位差”，影响测量精确度;二是温度、应力等环境因素对互感器的影响。对于第1个问题采用几何相位补偿法[4]，让光在改变光路方向时经过2次全反射，前后2次全反射的入射面相互垂直，使相互垂直的2个分量经过2次全反射后相移的大小相同，而总的相位差恰巧被抵消为零。对于第2个问题采用下列措施解决：①用刚性的热良导体材料封闭玻璃传感头，良导体对外界温度的变化能起到均匀的作用;②在良导体壳体与块状玻璃头之间采用与ZF6热膨胀系数相近的材料作为过渡介质，这样既可避免外壳与玻璃传感头膨胀系数不一样带来的应力问题，又可降低传感头与外界的热量交换速度;③选择适当的基准面，采用柔性的固定方法，消除固定形变应力[5]。

   

    

图2 磁光无源OCT传感头结构图 

    

Fig.2　Configuration of magnetoopticnon-active OCT sensing head

         

　　原理图如图3所示，实验结果如图4、图5所示。图中曲线是在额定电流为1200 A时与标准0.1级TA比较所得的比差和角差结果。电流在80 A～2　　300 A、额定电流为1200 A时，比差值在0.2级精度，电流小于80 A时比差变差。这主要是噪声及互感器灵敏度所限。同时把传感头放在-20 ℃～70 ℃的温度范围内，它的比差变化均小于0.3%。无源磁光式OCT的优点是精度高、线性度好、测量范围大、体积小、重量轻，在220 kV电压下整个传感器的重量约为20 kg。

     

  

图3 磁光式无源OCT原理图 

         

Fig.3　Scheme diagramof magnetooptic non-active OCT

      

    

图4　磁光式无源OCT的比差

    

Fig.4　Ratio errors of magnetooptic non-active OCT

    

   

图5 磁光式无源OCT相位差

   

Fig.5　Phase errors of magnetooptic non-active OCT