电流传感光缆技术优化方案

电子的运动不但受到外加电场的影响，还会受到磁场的影响，这就是洛伦兹力，它可以使电子作螺旋运动。此时，电极化矢量成为一个张量，使左右旋圆偏振光的折射率不相等。如果传播方向与磁场方向平行，光波的偏振将会旋转。这一效应是1845年法拉第发现的，因此称之为法拉第效应。法拉第效应广泛地应用于磁传感器、电流传感器以及磁光器件中。

法拉第旋转的情况如图8.4.2所示。它不但取决于磁场的振幅，还取决于磁场的方向。也就是说，如果对于前向波偏振为右旋，那么返回光束的偏振将为左旋，因为投影到波矢的磁场改变了符号。在统一的实验室坐标中，往返的偏振旋转将相加，偏振旋转角是单程旋转角的2倍。

图8.4.2中输入光波为线偏振光波，椭圆偏振光输入也存在一样的情况。对于λ／4波片，如果输入方位角被调整到偏离主轴45°，单程输出是圆偏振光，返回光束的偏振方向转过90°，垂直于输入光束。类似地，如果法拉第旋转调整成Δφ＝π／4，返回光波的偏振态也将垂直于入射光波。

图8.4.2　法拉第旋转偏振态变化示意图

基于法拉第效应的光纤传感器分为本征型和非本征型，本征型利用光纤本身的法拉第效应。法拉第效应不影响光纤的应变状态，因此法拉第旋转可以与双折射和扭转产生的偏振旋转简单地组合。这样，即使入射光是线偏振光，输出也可能是椭圆偏振光。在采用保偏光纤的法拉第传感器中，往往采用波片在线偏振光和圆偏振光之间做转换。(www.xing528.com)

在高压电力线路中，电流的监测和测量非常重要。特别是随着电压的升高，为满足绝缘性能要求，传统的电流互感器显得越来越笨重和昂贵。因此，人们想到利用光纤抗电磁干扰的特性，发明了基于法拉第效应的光纤电流传感器。法拉第电流传感器的原理就是在围绕电缆的光纤环路中传输的光波，其偏振面旋转正比于磁场的环积分。根据安培定律，磁场的环积分等于光缆中流过的电流。光纤环可以是由若干圈的光纤组成，以增加偏振旋转角。

法拉第效应的电流传感器已经得到应用。传感器测量的信号必须通过光缆传递到终端设备，过于简单的传感器存在不稳定性和对外界扰动敏感的问题。除光纤环采用保偏光纤PMF外，在光纤环的尾端设置法拉第旋转镜（FRM），可更加有效地消除外界扰动的影响，进一步改进措施以抵消互易性干涉的影响。

作为一个电流计量和监测的仪器，法拉第传感器必须具有高的精度、高的稳定性和足够大的动态范围。传感器不稳定性的主要因素有温度相关性和机械稳定性，包括振动和热应力的影响。除附着在高压电力线路上的法拉第传感器会受到线缆的振动和摆动影响外，还来自从高压到地的导引光纤。这就导致偏振态受到扰动，保偏光纤有助于减少这些影响，特别是圆偏振保持光纤具有更好地对扭转的抗干扰能力。

为了提高系统鲁棒性（Robustness），即抗变换性，减少振动或摆动对系统监测数据准确性造成不利影响，在线路上，法拉第光纤电流传感器应避免过于接近线路杆塔位置，因为杆塔附近位置处于动静变换交界点，线路上堆积的能量传递到端点，引起频繁的振动。反而在线路的中间只是线路受风力影响产生正常的摆动或舞动，振动的频率相对小了很多。

受制于高压电力线路各种安全条件的限制，在电力线路上埋设光纤的难度比较大。对高压架空线路，法拉第光纤电流传感器信号传输似乎只有不锈钢微管光单元结构，并通过将微管缠绕在相线的表面才是比较合理的结构。不锈钢微管中的光纤通过悬吊式接头盒与非金属光缆进行连接，也可采用OPPC支柱式接头盒进行连接。导引光缆在杆塔上必须牢固固定，避免光缆随风摆动，并尽可能减少振动的干扰。而对于高压管道电缆，受振动和扭转的影响基本可以忽略。通过在电缆中预埋光纤，然后在电缆接头盒中加装法拉第光纤电流传感器，可以精确测量电流的大小。

由于光单元结构非常简单，不外乎松套不锈钢微管光纤单元和紧套光纤两种基本的结构，所以不进行详细分析。