关于光纤电流传感器非闭环感测回路中的误差机制及误差抑制方法的研究

《Optical Fiber Technology》：Research on the error mechanism and error suppression method of the non-closed sensing loop of fiber optic current sensors

光纤电流传感器非闭合环结构产生的磁场干扰误差机制及磁屏蔽优化方法研究。通过建立磁场干扰数学模型与仿真模型，提出基于J85铁氧体磁屏蔽罩的结构方案，实验表明在最大干扰电流和最小间距条件下，传感器测量误差从1.03%降至0.19%，满足0.2级精度要求。

　　

Xing Deng|Shihao Zhou|Shaoyi Xu|Zaide Xu|Xin Gao

中国矿业大学机电工程学院，徐州221116，中国

摘要

针对光纤电流传感器（FOCS）感应回路未闭合导致的测量误差问题，研究了由磁场干扰引起的误差机制，并提出了一种基于磁屏蔽罩结构的抗磁场干扰方法。建立了FOCS的磁场干扰模型。通过数学推导和Comsol仿真，对磁场干扰进行了分析。提出了J85坡莫合金磁屏蔽罩结构。在不同干扰电流和相位距离下对传感器进行了磁场仿真和电流实验，以验证这种抗磁场屏蔽方法的有效性。结果表明，随着干扰电流的增加或相位距离的减小，传感器的测量误差会增大。采用这种抗磁场屏蔽方法后，传感器在额定电流下的最大测量误差从1.03%降低到0.19%，满足了0.2的精度等级要求。

引言

与罗戈夫斯基线圈和霍尔电流传感器等传统电流传感器相比，光纤电流传感器（FOCS）具有固有绝缘、体积小、重量轻、易于集成到高压设备中以及测量精度高等优点[1]、[2]、[3]、[4]。它们被广泛应用于特高压输电项目[5]、电冶金行业[6]、核聚变装置[7]和公共基础设施[8]中。

作为目前的主要结构类型[9]，反射式光纤电流传感器受到了国内外学者的广泛研究。相关研究主要集中在设备性能分析[10]、[11]、测量误差机制[12]、[13]、误差补偿方法[14]、[15]以及在外部干扰（如温度和振动）下的信号分离技术[16]上。但这些研究假设λ/4波片和反射镜完美对齐，从而使感应光纤回路闭合。根据安培定律，外部干扰导体产生的磁场会在闭合路径的感应光纤环上产生积分效应。然而，在实际应用中，感应回路始终无法完全闭合，这导致了FOCS的非闭合误差。

一些学者研究了FOCS感应回路未闭合结构引起的误差。Wang等人[17]分析了感应光纤回路的圈数、闭合角度以及电流导体与未闭合点之间的距离对磁场干扰的影响，并设计了一种开闭式传感器头结构，以确保导体与未闭合点保持最佳距离，从而减少磁场干扰。Wang等人[18]分析了被测导体的偏心角度和偏心率，并设计了最佳安装位置以实现抗磁场干扰。Liu等人[19]研究了导体的偏心位置，并设计了一种灵活的安装感应回路骨架，以替代传统的光纤环，减少了非均匀磁场的影响。Li等人[20]基于柔性封装设计了一种可插入的光纤路径，将λ/4波片和反射器的光路闭合点固定在采集模块内部，避免了由于感应光纤回路多次重复缠绕而产生的额外闭合误差。Yu等人[21]优化了光学结构和柔性线圈设计，使波片和反射器固定到位，从而使感应环闭合。然而，上述研究都是从调整感应回路的安装参数入手来减少非闭合误差的。在实际应用中，需要设计一种封装骨架来精确固定感应环的位置，但这存在一定的局限性。

本研究将研究视角从优化感应环的安装参数转变为从外部抑制磁场干扰。提出了一种基于J85坡莫合金磁屏蔽罩结构的光纤电流传感器抗磁场干扰方法，该方法对一定幅度和相位距离下的干扰电流产生的磁场干扰有效。与那些依赖复杂封装骨架的方法不同，这些骨架限制了感应光纤的精确位置安装，而本研究提出的磁屏蔽方法无需对感应光纤进行精确封装，具有更高的简单性和实用性。该研究为光纤电流传感器在复杂电磁环境中的可靠运行提供了新的技术支持。

本研究首先建立了未闭合感应回路下FOCS的磁场干扰模型，并分析了非闭合误差机制。然后，对未闭合感应光纤下的磁场干扰进行了仿真和分析。提出了一种基于磁屏蔽结构的非闭合误差抑制方法，并模拟了磁屏蔽对感应光纤回路的影响。最后，在不同干扰电流和相位距离下进行了磁场干扰和磁屏蔽实验，比较了屏蔽前后的传感器测量误差，验证了该方法的有效性。

章节摘录

FOCS的工作原理

光纤电流传感器的结构图如图1所示。由于法拉第磁光效应，被测电流产生的磁场会在感应光纤中引起两束光之间的相位差F。 $F=\underset{L}{\oint }VHd$ 其中V是Verdet常数，L是光传播的距离，H是磁场强度。

根据安培环路定理，当感应光纤形成闭合回路时

磁场干扰和磁屏蔽的仿真

在r = 0.1 m、d = 0.2 m、θ = 0°以及I_A = I_B = 500A的条件下，对磁场干扰进行了仿真和分析。

磁场干扰实验

通过磁场干扰实验探讨了外部干扰电流变化对FOCS测量值的具体影响。干扰电流的磁场干扰实验装置如图13所示。主要测试设备包括一个额定为500A的FOCS（具有10圈感应光纤回路）和一个输出电流范围为0至20A的WYG电流发生器（扬州玉虹电源制造有限公司制造）。

结论

本研究建立了包含干扰电流和相位距离的感应环磁场干扰的数学模型和仿真模型。通过仿真和实验分析了磁场干扰的结果，并提出并验证了一种抗磁场屏蔽方案。得出以下结论：

(1)

FOCS的磁场干扰模型是干扰电流和相位距离的函数

CRediT作者贡献声明

Xing Deng：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查。 Shihao Zhou：调查，形式分析。 Shaoyi Xu：数据整理，概念化。 Zaide Xu：监督，形式分析。 Xin Gao：调查，形式分析。

资助

本工作得到了中国国家电网有限公司（521820250012）科技项目、国家自然科学基金（52174153）、中央高校基本科研业务费（2021YCPY0109）、江苏省“青蓝计划”优秀青年骨干教师资助项目（苏教师函[2024]第14号）、江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX25_2981）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。