摘 要：论述了采用两种基于不同概念的光纤电流传感器（OCT）。一种是基于传统互感器概念的OCT，另一种是基于法拉第效应概念的OCT。文中还阐述了基于第一种OCT的国产试制品及其与ABB公司产品的相似点及不同点。
关键词：光导纤维；光导纤维电流传感器；法拉第效应

1 引言
光导纤维电流传感器（OCT）和常规的电流互感器的不同之处是：传送一次电流所需的能量不同、制造成本低、运行及安全性能好。
早在20世纪50年代，有的制造厂家就有这种设想：如果将电流互感器（TA）的操作电源和继电保护等都设置在绝缘平台上，这样就可以用低压绝缘的TA来代替高压绝缘的TA。他们这样想也这样做了。开关的开闸、合闸信号用电磁转动的绝缘杆来传递。60年代后期，采用光导纤维来传达信息，而继电保护、光导纤维所需电子设备和操作电源等仍放在高压平台上。
70年代初期，ABB公司研制出以互感器为探头的OCT。其最大的改进之处是将操动传感器所需的能量借助光导纤维以光能方式传送给传感器。这样就可以将所有的继电保护和监视设备等都放在处于地电位的操作人员处。这样既可保持原有传感器的优点，也克服了原有传感器的缺点^[1]。
本文以介绍ABB公司产品为主，顺便比较一下国产样品^[2] 和国外产品的相似点及不同点。本文还介绍了当今的新技术，即基于法拉第效应（Faraday effect）原理的OCT。
2 以互感器为传感器的光纤电流传感器
图1是ABB公司以互感器为传感器的OCT的结构方框图。它可以分为3部分：高压侧传感器、光导纤维回路和接口回路。
（1） 高压侧传感器
图2 为传感器总装截面示意图。其中箭头表示电流的流向。由于传感器为电流互感器，所以二次侧不能开路，必须连接一个电阻。此电阻也可使电流信号变成电压信号。电压信号经滤波器进入一分压器，分压器按变流比自动分压。分压后的信号经A/D变换器变成数字信号，此数字信号经采样后通过PL二极管由光纤输出。以上这些部分文献[2]与文献[1]是相似的。二文献的不同之处有两点：OCT电源的来源不同和采样频率不同。

1）OCT电源的来源不同。文献[1]中高压侧传感器所需的操作电源及采样命令所需能量来自地电位处的接口回路内的激光脉冲光源，是借助于光纤传输的。高压传感器发出的数字信号传送到处于地电位的接口也要靠这条光纤。
在接口回路内的光探测二极管将光信号转换成电信号，经放大后由通口回路送到译码回路，将数字信号转换成模拟信号，再经过输出缓冲回路（例如脉冲宽度调制器（PWM）等）转换成一种适合于继电保护及监视电路所需的电流形式。
文献[1]中的传感器在高压侧没有电源装置，其所包含的部件简单可靠。高压侧和地电位之间以纯绝缘体光导纤维作隔离，因而很安全可靠。
而文献[2]的传感器的电源来自另1套电流互感器，经过整流使二次电流变成直流后作为其电源。由于二次回路不能开路，所以当一次电流由100%变到趋向于零时，电源电压也将按比例变化。可见其电源电压的波动是很大的。微处理机及发光二极管（LED）是否能承受变化如此之大的驱动电压是令人担心的。美国也曾有过这种类似的想法，OCT的电源取自有源TA头，但后来放弃了^[1]。
2）采样频率不同。文献[2]的采样频率是50Hz或50Hz准同步采样，希望电网频率的偏差小于与0.5%，同时采用软件做补偿，以减少其误差。而文献[1]所用的采样频率为800Hz，根本就不理会与电网同步不同步。
笔者认为国外的经验是值得借鉴的。
文献[1]所述的OCT，它采用的电流探头虽是常规互感器式的，但由于一、二次之间的绝缘很低，所以铁芯长度可大大减小，而且设置有间隙，使铁芯不易饱和，提高了动态特性，加上二次电阻负荷很小，因此所耗的能量很小且很稳定。
在图1传感器中，PL二极管是一种作特殊应用的镓铝砷（GaAlAs）二极管。它是将电信号转换成光信号的关键部件。
变换器的电子回路采用专用的低功率低电压的CMOS电路。其运行电源来自PL二极管，其电压低于1.0Ｖ，功耗小于150mW。传感器的所有电子元件都封装在单晶片内，这对降低能耗、提高可靠性及增强抗噪声能力是很重要的。
（2）光导纤维回路
ABB公司的OCT传送的信号采用的是数字信号。所采集到的信号只要其分辨的电平能满足要求即可，对光导纤维没有过多要求。OCT的准确度决定于传感器本身。标准光导纤维的内芯及透明的外覆盖层的直径分别为100mm和140 mm。光纤内芯及外覆盖层的折光率的变化是突变的阶梯形的。这种光纤为满足分辨率的要求其最大允许长度为500m。
当光导纤维用在高压系统时，其对地绝缘及敷设时的机械强度都是很重要的，因而高压光纤的外表敷设了高压合成材料，其爬行距离及机械强度都能满足要求。这种光导纤维很容易在市场上购到。
（3）接口回路部分
接口的光部分包括1个光源及1个光模块。光模块一方面可将处于地电位处的激光源激发的光通过光纤送到高压传感器，另一方面又能在地电位处探测高压传感器通过光纤传回来的光信号。用激光二极管组成的光源的波长为780 mm。光模块中的耦合器的性能是随光波的长短而变化的。它是由具有不同折光率的光镜及光过滤器组成的。
接口的电子部分包括驱动激光器的电子回路。它的光源功率是恒定不变的。接口内还有１个能探测由高压传感器传送来的数字式脉冲信号光波的回路，将光信号变换成电信号，经放大再通过译码器（D/A）送到输出缓冲器，然后输出适合于继电保护及监控用的电流信号（例如用PWM等手段）。当时设计中OCT的采样频率为800Hz。在正常运行条件下它是可靠的。低电压小电流运行对PL二极管的安全是非常有利的。
3 基于法拉第效应的OCT
现在市场上能购到的OCT大多不是互感器式的而是基于法拉第效应原理的OCT。法拉第效应原理如下：
直线方向辐射的极化光射入置于磁场中的光敏感器，此磁场的磁场强度H的方向与极化光相并行。当极化光在光敏感器行径一段距离L后到达光敏感器出口时，会偏转一角度q ，如图3所示。此偏转角的大小与磁场强度H成正比。即

式中 V为磁光晶体费尔德（Verdet）常数，rad/A；L为极化光通过光敏感器的行径路程。
光敏感器一般为质地密实且较重的火石（flint）玻璃，光敏感器常用的光玻璃是SF-59。表1列出了每安匝下偏转角为0.31´10^-5 rad的费尔德常数。光敏感器的导磁系数m=1。

根据安培定律

式中 A为常数。
用目前的探测手段，不能分辨出极化光的偏转角θ，而只能测出经调制后的极化光的能量。光能量是和光电场强度 E 的平方成正比的。 换言之，需要另加一用于判别光的偏转角θ的分析仪，这分析仪就是第2个光极化器。从第2个光极化器（分析仪）出来的光偏转了α角度，它与第1个光极化器出来的光的偏转角相差π/4。众所周知，每个平面都可以分解为任意2个互相垂直的平面。因此偏转角θ的平面也能分解为2个平面，1个平面和偏转α的平面相并行，另1个平面和α平面相垂直。令输入的极化光的能量为P_in。经过光敏感器和光分析仪后所探测到的极化光能量为P_det，则

如果在直流输电上，则q 为常数。因而基于法拉第效应的OCT不但能测交流电流也能测直流电流。
图4为基于法拉第效应的OCT的流程图。图5为基于法拉第效应的OCT的结构示意图。

图4中的光源处于地电位，其光束为非极化光(a)。光束经光纤进入高压处的基于法拉第效应的OCT的第1个光极化器，光极化器将非极化光变成极化光(b)。经过法拉第光敏感器后极化光偏转角度q (c)。q 平面分解成2个平面，1个平面并行于a 平面，另1个平面垂直于a 平面((d)。经过光分析仪（第2个光极化器）后垂直于a 平面的光束被消除了(e)。经过在光纤内多次反射后极化光又变成了非极化光(f)。因此在地电位处的探测器所探测到的光为非极化光。在图5中可以看出，光敏感器紧贴高压母线，因为此处磁场强度H最大。图4中的光探测器有2种。多数采用P-N结的二极管另加光放大器的光探测器，也有采用三极管的（photo-transistor）光探测器。光三极管和普通三极管的不同之处在于其基极是由光触发的。所以经过光三极管的光信号可变成电信号且已被放大。
将光信号经过光探测器变成电信号后即可进行运算。将式(7)减去式(6)再除以P_in便可得sin2q 。
为了提高动态范围，q 一般采用±5°^[1]。对于接口，OCT的输出仅几mA，而为避免噪声的干扰，老式TA的二次电流往往为5A或1A。为了和老式的机电式的继电保护及仪表装置相配合，就必须在接口处加装功率放大器，这样就增加了设备的复杂性，而且投资及燥声也增加了。新式的仪表及继电保护为静止型（电子型）的，所耗的能量很小，因此开发新的测量技术及继电保护装置将高压信号直接改变为数字化信号是面临的紧迫任务^[1]。但任何情况下来自高压侧的光信号必须装设光电绝缘措施，以确保安全。
光波在光纤内的行径。光波的入射角大于q 时才能全反射。这是光纤的必要条件，但不是光纤通信的充分条件。如文献[1]那样，光源的波长为780nm而光纤的光纤芯及光纤芯外覆层的直径分别为100 mm和140 mm，显然太粗了。大于全反射角（即q a ）的光波太多了。显然，在光的波长一定的条件下，其行程与光的反射角是有关的。这就是说，各光波的出发点虽相同，但因各点光波的行程是不同的，因而各光波到达终点的时间波为棱角分明的脉冲波，通过光纤后就变成了平缓波，如图6所示。所以光纤必须是单行程的。文献[1]指出：这种数字光纤，其数字电平能达到辨别要求即行，其容许最长传送的距离约500m。

4 结论
（1）所有的OCT是以光纤为绝缘并以光信号传递电流信号的。
（2）以常规互感器为探头的OCT，其信号以数字方式传递的，对光纤要求较松。而基于法拉第效应原理的OCT的光信号以模拟信号表示的，对光纤的要求较严。
（3）常规互感器式OCT，其电源不宜取自互感器有源探头。
（4）基于法拉第效应原理的OCT是当前研究的热门。

参考文献

[1] Adolfson et al．EHV series capacitor bank：a new approach to platfom to ground signalling, relay protection and supervison[J]．IEEE Trans on Power Delivery，1989，(2)：1369-1378．
[2] 李芙英，纪昆，臧金奎．基于DSP的光电式电流互感器的实用设计[J]．电网技术，2002，26(6)．