全光纤电流互感器测量性能的优化分析与实验研究
华北电力大学电气与电子工程学院、中国电力科学研究院有限公司的研究人员李岩松、王兵等，在2018年第17期《电工技术学报》上撰文，建立了线性双折射对全光纤电流互感器（FOCT）测量性能影响的数学模型。
该模型充分考虑光纤的固有线性双折射、弯致线性双折射和温致线性双折射，揭示了温度变化量、光纤弯曲半径及缠绕匝数是影响FOCT测量性能（包括准确度和灵敏度）的3个主要因素。具体表现为：温度变化量越大，FOCT的准确度和灵敏度越低；当光纤弯曲半径增大时，FOCT的准确度和灵敏度先减小后增大；光纤缠绕匝数越多，FOCT准确度越低，而灵敏度越高。
基于上述理论分析，综合考虑FOCT的准确度和灵敏度，提出了具体的优化方法，并通过仿真对FOCT进行优化分析和计算。最后设计并搭建了FOCT实验平台，进行线性度、温度循环、准确度和灵敏度测试，并根据测试结果选取光纤最优弯曲半径和缠绕匝数，使其在温度波动时满足准确度和灵敏度要求。仿真与实验结果验证了理论分析的正确性。
随着智能电网的不断发展，电力系统对测量技术提出了更高的要求，传统的电磁式电流互感器暴露出一系列严重的问题[1,2]。全光纤电流互感器（Fiber-Optical Current Transformer, FOCT）作为一种新型的电子式电流互感器，以频率响应范围宽、动态范围大、电磁兼容性好、无磁饱和问题等优势克服了传统电磁式电流互感器的多种缺陷[3,4]，在电力系统量测领域具有广泛的应用前景[5,6]。
然而在FOCT走向大规模实用化的进程中，还存在一些亟需解决的技术问题[7]。其中，传感光纤的线性双折射对法拉第效应有很大影响，严重时甚至淹没法拉第效应，降低FOCT的准确度和灵敏度[8]。目前，国内外许多学者对线性双折射现象进行了大量研究[9,10]，并提出很多提高FOCT测量性能的方法[11]。
文献[12]分析了传感光纤中残余线性双折射对FOCT测量精度的影响，并提出通过引入大量圆双折射来抑制线性双折射，但并未考虑温度波动引起的线性双折射对FOCT测量性能的影响。文献[13]提出了传感光纤缠绕匝数是影响FOCT灵敏度的主要因素，并建议通过增加光纤匝数来提高FOCT感应小电流的能力，然而未对其进行量化研究。
文献[14]指出单位长度线性双折射、传感环半径和光纤缠绕匝数是影响FOCT灵敏度的3个重要因素，并求出使得FOCT灵敏度达到最优的光纤长度，但在灵敏度提高的同时忽略了FOCT对测量精度的要求。上述文献均为FOCT测量性能的研究提供了思路，但线性双折射的问题仍未得到彻底的解决，需要进一步的研究。
目前对FOCT准确度的研究已经相对完善，但缺少对FOCT灵敏度的量化研究。并且上述研究方法只将传感光纤的线性双折射作为常数进行研究，没有充分考虑光纤中线性双折射与光纤弯曲半径、缠绕匝数和温度变化量的关系，以及未从优化光纤弯曲半径和缠绕匝数的角度来提高FOCT的测量性能。此外尚无同时对FOCT准确度和灵敏度进行优化的研究，缺乏系统的研究总结。
本文在已有研究基础上综合分析了影响FOCT测量性能的主要因素，并提出相应的优化方法。首先综合考虑光纤的固有线性双折射、弯致线性双折射和温致线性双折射，推导了线性双折射对FOCT测量性能影响的数学模型。基于该模型分析了影响FOCT测量性能的主要因素，并提出FOCT测量性能的优化方案。
通过仿真分析温度波动、光纤弯曲半径及缠绕匝数对FOCT测量性能的影响，并根据FOCT测量性能的优化方案，对实际运行中的FOCT进行优化设计，确定光纤最优弯曲半径与缠绕匝数。最后设计并搭建FOCT实验平台，进行线性度、温度循环、准确度和灵敏度测试，并选取合适的光纤弯曲半径和缠绕匝数。本文对FOCT测量性能的研究与优化具有重要指导意义。
图1 偏振态调制型FOCT原理
图5 全光纤电流互感器实验平台
本文建立了线性双折射对FOCT测量性能影响的数学模型，对FOCT的准确度和灵敏度特性进行了理论分析、仿真分析和实验验证，并提出了一种提高FOCT 测量性能的方法，得到以下结论：
1）线性双折射对FOCT测量性能的影响主要体现在温度变化量、光纤弯曲半径及光纤缠绕匝数3个方面。温度变化量越大，温致线性双折射相位差越大，FOCT测量性能越差；当光纤弯曲半径变大时，总线性双折射先减小后增大，FOCT的准确度和灵敏度先增大后减小；光纤缠绕匝数越多，FOCT的灵敏度越高，而准确度越低。
2）提出FOCT测量性能的优化方法：首先将温度变化量设定成对FOCT的测量性能影响最不利的情形，以保证FOCT在其他温度下仍满足要求；确定线性双折射的表达式，并求导得到光纤最优弯曲半径；当光纤弯曲半径确定后，令FOCT比差ε=0.2%，求解出光纤最优缠绕匝数，可使FOCT在满足0.2级准确度前提下提高灵敏度。按照上述方法，通过仿真分析对实际运行中的FOCT进行优化设计，仿真结果与理论分析一致。
3）FOCT线性度测试结果表明：测量电流与标准电流的线性度一致，实验平台基本满足要求。FOCT温度循环测试表明：温度波动越大，FOCT比差漂移越严重。FOCT的准确度和灵敏度测试结果表明：当温度波动时，通过合理地选择光纤的弯曲半径和缠绕匝数，可使FOCT既能满足准确度的要求，又能尽可能提高灵敏度。实验结果验证了理论分析的正确性。
本文为提高FOCT 测量性能提供了一个新思路，对FOCT的设计和优化具有一定的指导意义。