随着智能电网建设的快速推进和电压等级的不断提高,对电流监测提出了更高的要求,研制一种适用于高压的高精度、高稳定性的电流传感器势在必行。光学电流互感器设计简单、运行安全且耗能低,具有无磁饱和以及铁磁谐振,具备较大的测量动态范围、良好的绝缘性能,且测量的输出信号可以实现信息化和数字化,必将取代传统电流传感器在电力系统中的位置。但是在实用化的道路上,光学电流传感器还面临着严峻的考验,其主要问题是温度变化以及线性双折射对传感器测量精度的影响以及其长期运行的稳定性。采用在石榴石磁光材 料^[1,2]表面镀上一层条状相间的钕铁硼永磁薄膜作为传感器的敏感元件,永磁薄膜能够强化偏振光传播方向上的磁场强度,使得磁场的方向和线偏振光在石榴石材料中的传播方向平行度变得更好,并且使得偏振光经过固定在通电导体附近的石榴石模块后,产生的法拉第旋转角变大,提高传感器的测量精度,永磁薄膜的存在能够使石榴石内部磁畴有序分布,解决了因石榴石磁光材料内部磁畴扰动带来的零失散问题,便于安全监控高压线路和测量高压线路的电流。另外,永磁薄膜层的存在提高了传感装置运行的稳定性,降低了双折射对光学电流互感器(Optical current transducer,OCT)的影响^[3,4,5]。

本文研究主要内容有如下几个方面。

(1) 针对我国智能电网建设的全面推进,特别是特高压直流输电工程中电压等级越来越高,传统电磁感应式的电流互感器已不能满足电网中电流检测的需求,提出基于偏磁矫正的直流光学电流互感器的模块化设计方案,解决了因石榴石磁光材料中磁畴扰动带来的零失散问题,降低系统抖动以及温度变化引起石榴石磁光材料磁畴改变而带来的误差。

(2) 通过薄膜生长系统在石榴石磁光材料表面制备一层脊部和沟槽间隔的钕铁硼永磁薄膜,并分析了石榴石材料表面的钕铁硼永磁薄膜磁滞回线,试验验证了钕铁硼永磁薄膜具有良好的磁性能。

(3) 设计了基于铁硼永磁薄膜矫正的直流光学电流互感器的两种光路结构,通过简化互感器的光路结构来提高互感器的运行稳定性。分析OCT在实用化道路上存在的问题以及影响OCT运行稳定性的实际因素。理论分析影响OCT的测量线性误差、测量灵敏度的因素。

(4) 理论分析理想状态下导线附近直流电流产生的磁场强度分布,并在试验中进行验证。

(5) 设计了直流光学电流互感器光电测试系统并在实验室中搭建,采用大电流发生器产生低压大直流电流模拟电网中直流,并将制备好的永磁薄膜厚度分别为1 μm、2 μm、4 μm、5 μm、100 nm和500 nm的石榴石磁光材料作为敏感核心的传感器进行性能测量分析。通过试验得到基于偏磁矫正的直流光学电流互感器的法拉第旋转角度和外部直流大小的关系,并分析其输出线性度、灵敏度、线性误差等参数。试验表明,采用镀上钕铁硼永磁薄膜的石榴石磁光材料作为直流光学互感器的敏感元件,其测量的线性度高、线性误差明显降低。

磁光材料是在可见和红外波段具有磁光效应的光信息功能材料,按照其在外加磁场作用下磁化状态的不同,大致可分为顺磁性磁光材料、逆磁性磁光材料、铁磁性磁光材料、反铁磁性磁光材料以及亚铁磁性磁光材料^[6]。图1所示为不同磁性的磁结构示意图。

顺磁性磁光材料和铁磁性磁光材料的内部存在离子磁矩或原子,而这种结构使得材料在外部磁场的作用下,其电磁性能会发生改变,并改变偏振光在这些材料中传播时的传播特性;逆磁性磁光材料内部不存在离子磁矩或原子,但在外部磁场作用下其内部的电子轨道产生拉莫进动。而拉莫进动具备相应的角动量和磁矩也能改变偏振光在这些磁光材料中传播时的传播特性。OCT通常采用逆磁性磁光材料或顺磁性磁光材料作为法拉第效应的敏感元件,这两种磁光材料的费尔德常数可由下面的公式推算得到

式中,$\frac{dn}{d\lambda }$为磁光介质在无磁场条件下的色散;$\lambda $为入射光的波长;e和m分别为电子质量的绝对值和电子质量;μ₀为偏振光在介质中的折射率。c为光速;ν为费尔德常数;T为温度大小,T_p为顺磁居里温度,C为居里常数。式(1)、(2)分别为顺磁性材料和逆磁性材料的费尔德常数计算公式。由式(1)、(2)可知,顺磁性材料的费尔德常数大小受温度影响非常大,而逆磁性材料受温度变化影响小,逆磁性磁光材料和顺磁性磁光材料对OCT测量结果的影响如图2所示。

逆磁性磁光材料的费尔德常数一般较小且受外界温度变化影响较小,线偏振光通过该性质的磁光材料后法拉第旋转角很小,通常应用于螺线管聚磁结构的传感头中,可以提高OCT的测量精度以及抗干扰能力。实际测量中很难使其发生饱和,但是该性质的磁光材料受双折射影响较大。顺磁性材料的费尔德常数相对较大但受外界温度变化影响较大,线偏振光通过该性质的磁光材料后法拉第旋转角相对较大。在光学电流互感器领域应用广泛的磁光材料主要有掺杂各种稀土元素的石榴石磁光材料以及磁光玻璃,本文采用石榴石磁光材料设计直流光学电流互感器的敏感元件。

2.1.1 稀土石榴石磁光材料

稀土元素原子结构的最外层电子层上的电子没有填满,当稀土元素掺入光学玻璃、石榴石等光学材料中时,最外层电子产生的磁矩使得光学材料表现出强磁光效应。稀土铁石榴石材料是当前应用范围最广、研究最透彻也最具发展前景的磁光材料之一,而钇铁石榴石磁光材料(简称YIG)是11种单一稀土铁石榴石中最典型的^[7]。YIG磁光材料在近红外波段透过率好,偏振光在材料中传播时产生的法拉第旋转角度大并且YIG磁光材料具备良好的物理和化学性能,现有的1 310 nm和l 550 nm近红外波长的基于YIG的光隔离器性能优良,在大容量光纤通信系统中应用广泛。将离子掺入稀土石榴石中可以极大增强石榴石材料在近红外波段的磁光效应并提高磁光材料的居里温度^[8,9]。掺系列稀土铁石榴磁光材料相对通用YIG材料拥有更低的温度系数、更大的法拉第旋转角度以及低的光吸收损耗,是当前最具发展前景的新型法拉第旋转磁光材料之一。研究表明,在相同波长以及相同离子取代条件下,掺系列稀土铁石榴磁光材料的法拉第旋转角是通用YIG材料的6倍^[10],在光显示器、光隔离器等方面应用广泛。

2.1.2 磁光玻璃

由于可见光波段和红外波段光波在磁光玻璃材料中的透光性能良好,并且磁光玻璃可以制备成不同的形状,块状玻璃式光学电流互感器一般将其作为敏感元件,随着光纤传感以及通信技术的迅猛发展,磁光玻璃越来越受到研究学者的关注。在外部磁场调制下,按偏振光通过后产生旋转角的偏转方向的不同,磁光玻璃可分为顺磁性磁光玻璃和逆磁性磁光玻璃两类。磁光玻璃的磁性能可以通过掺入不同的稀土离子来实现,如掺入Dy³⁺、Tb³⁺、Pr³⁺等稀土离子,磁光玻璃表现出顺磁性;掺入Bi³⁺、Sb³⁺、Pb²⁺等稀土离子,磁光玻璃表现出逆磁性^[6]。针对磁光玻璃的研究,不同国家的研究学者通过不同的制备方法,往磁光玻璃中掺入不同的稀土离子,用以提高磁光玻璃的费尔德常数,同时保证磁光玻璃具备良好的光学性能,表1列出一些常用磁光玻璃的费尔德常数。

本文设计的互感器采用石榴石磁光材料作为敏感元件,并通过磁控溅射的方法在其表面生长一层间隔均匀的条状钕铁硼永磁薄膜,并用充磁机对永磁薄膜进行充磁。钕铁硼磁性材料由镨钕金属、硼铁等合金构成,其能量密度高且具有极高的磁能积和矫顽力^[11,12]。永磁薄膜能固定电流产生的磁场在石榴石材料中的方向,提高传感器的测量精度和稳定性。钕铁硼永磁薄膜的制作流程如下所示。

(1) 采用超声波清洗器清洗石榴石材料,烘干后将两片不锈钢掩模版分别压贴于石榴石材料的两面进行固定。

(2) 将固定好的石榴石材料放入薄膜生长系统磁控溅射仪中,并开始抽真空。

(3) 当薄膜生长系统中的真空度优于1.010^-4 Pa时,开始加热石榴石材料使其表面温度稳定在200~500 ℃,将工作气压调整到0.2~5 Pa;分别开始生长缓冲层、钕铁硼永磁薄膜,并保温1 h。

(4) 薄膜生长完毕后,将石榴石表面温度升温至550~800 ℃进行二次回火;随后冷却至室温,开始在永磁薄膜表面生成一层保护层。

(5) 将石榴石材料从薄膜生长系统中取出,并利用充磁机对永磁薄膜进行垂直充磁。

通过薄膜生长系统成功在石榴石材料表面制备好一层钕铁硼永磁薄膜,即本文所设计的直流光学互感器的敏感元件,其结构示意图如图3所示。

由图3可以看出,钕铁硼永磁薄膜在石榴石磁光材料表面为脊部和沟槽间隔分布。敏感元件以石榴石磁光材料为基底,在其表面依次生长条状间隔分布的缓冲层、永磁薄膜层和保护层。其中缓冲层的可选厚度范围为5 nm~100 μm,本文制备的敏感元件缓冲层厚度为50 nm;永磁薄膜的可选厚度范围为10 nm~1 cm。为研究不同厚度的永磁薄膜对OCT性能的影响,本文制备了厚度分别为1 μm、2 μm、4 μm、5 μm、100 nm和500 nm的敏感元件,其制备材料为钕铁硼、铝镍钴、钐钴中的一种或多种;保护层的厚度范围为1 nm~10 μm,本文制备的敏感元件保护层厚度为50 nm,其制备材料为SiO₂、SiN、Cr、Ta中的一种或多种,将制备好 的石榴石材料放入偏光显微镜观察,其结构如图4所示。

在石榴石材料表面生成一层钕铁硼永磁薄膜能够固定外部电流产生的磁场在石榴石中的磁场方向,并强化了偏振光传播方向上的磁场强度,使得磁场方向和线偏振光的传播方向平行度更好。偏振光通过置于通电导线附近的镀膜石榴石磁光材料后产生的旋转角变大,传感器的测量精度提高,永磁薄膜的存在能够使石榴石内部磁畴有序分布,解决了因石榴石磁光材料内部磁畴扰动带来的零失散问题,便于安全监控高压线路和测量高压线路的电流。另外,偏磁薄膜层的存在提高了传感装置的运行稳定性,降低了双折射对OCT的影响。

研究表明,减少互感器传感头的光学元件个数以及缩短光程能够有效地降低外界环境温度变化以及系统抖动等因素对互感器的影响,并且使得光路易于耦合。另外,缩短磁光材料的长度能够降低外界扰动对磁光材料费尔德常数的影响,提高输出光强的稳定性,提高互感器的测量精度^[13]。本文采用具有较高透过率、高费尔德常数、较低的温度系数,并且光学性能优良的石榴石磁光材料作为互感器的敏感元件,并在其表面生长一层钕铁硼永磁薄膜,图5为所设计的传感模块结构。

传感头结构采用直通式光路结构,光学器件少,整个传感头结构仅由起偏器、石榴石磁光材料及检偏器构成,光路简单易于耦合。石榴石磁光材料厚度为0.46 mm,能够有效降低温度变化对石榴石材料费尔德常数的影响,使得通过传感头后的偏振光光强稳定性加强。

直流光学电流互感器是基于法拉第效应的光学测量原理,间接对直流电流进行测量的装置。本文采用镀了钕铁硼永磁薄膜的石榴石磁光材料作为互感器的核心,并设计了反射式和透射式两种直流光学电流互感器的光路结构,如图6、7所示。

由图6、7可以看出,该直流光学电流互感器的光路结构主要由激光器、准直器、分束器、起偏器、保偏光纤、石榴石传感头、TXP偏振计等部分组成。激光器产生的光入射到分光器后,分解成振动面平行入射平面的P偏振光和振动面垂直于入射平面的S偏振光,设计反射式和透射式两种光路结构主要是为了研究偏振光的不同分量对直流光学电流互感器的影响。在外磁场的作用下,振动面不同的偏振光通过磁光材料后发生旋转,TXP偏振计有一个内置的检偏器用于检测入射偏振光的光强。

本文设计的直流光学电流互感器光路结构简单,光学器件少易于封装耦合。采用的石榴石敏感元件长度短,能够有效地降低温度变化对其费尔德常数的影响,提高OCT的测量精度。根据线性双折射理论可知,线性双折射对系统的影响与磁光材料长度成正比,磁光材料越短,环境温度变化对互感器的影响越小。偏振光在通过该结构的传感器后,基本光强在长时间运行后没有出现明显衰减,可知其运行稳定性良好。

为了确认钕铁硼永磁薄膜的磁性能,本文采用振动样品磁强计对石榴石样品的磁滞回线进行测量。将石榴石样品放入振动样品磁强计的线圈,通过正弦振动改变通过石榴石样品的磁通量,检测线圈中的电压信号也随之改变,而电压信号与磁矩成一定比例,通过测量电压信号的变化即可间接测得石榴石样品的磁滞回线。图8所示为测得的永磁薄膜厚度5 μm的样品在垂直方向和面内方向的磁滞回线。

磁滞回线表征磁性材料的磁感应强度与外部变化磁场的关系,而矫顽力是磁性材料表现磁性能的一个重要参数,试验测得厚度5 μm钕铁硼永磁薄膜的垂直方向矫顽力为18 000 Oe(1 Oe=79.577 5 A/m),面内方向矫顽力为15 000 Oe,这说明铷铁硼永磁薄膜在垂直方向和面内方向具备高矫顽力,且具备良好的磁性能。

为了测试制备好的石榴石敏感元件性能,实验室搭建了直流光学电流互感器的测试系统。将不同永磁薄膜厚度并已充磁的石榴石样品放置于测试系统中,通过调节光学滑轨上的光学器件使得激光光源产生的光经过起偏器转化成线偏振光,随后能够通过置于电流导体下方的石榴石敏感元件。电流通过导线时产生一个平行于光传播方向的磁场强度B,偏振光经电流调制后入射到偏振计的外置传感器中,TXP偏振计采集带有不同电流调制信号的光信号数据,表2所示为部分采集的偏振光偏振态信息数据。

本测试系统通过大电流发生器控制导电板上的直流电流大小,大电流发生器能够在回路中实现区间精度为1的电流控制,使得直流导线中电流大小分别为0 A、100 A、500 A、1 000 A、1 500 A、2 000 A、2 500 A、3 000 A,通过TXP5000数据采集系统采集不同永磁薄膜厚度(分别为1 μm、2 μm、4 μm、5 μm、100 nm和500 nm)、不同电流值的直流调制下,偏振光在邦加球中斯托克斯矢量、离焦量、方位角、椭圆度、偏振度等数据。Pax5710IR3-T-TXP偏振计的采集速率为333 sample/s,能够实现高精度的数据采集,通过平均值求得1 s内数据的平均值,能够有效降低振动等外界因素的干扰。另外为了校准直流电流产生的磁场强度,将特斯拉计的探头固定在直流导电板下方,使其离导电板的距离和石榴石敏感元件离导电板的距离相同,测量不同电流值下产生的磁场强度以验证OCT的测量准确性。

使用TXP5000数据采集系统采集永磁薄膜厚度分别为1 μm、2 μm、4 μm、5 μm、100 nm和500 nm时,偏振光在外部直流电流大小分别为0 A、100 A、500 A、1 000 A、1 500 A、2 000 A、2 500 A、3 000 A调制下,偏振光在邦加球中斯托克斯矢量、离焦量、方位角、椭圆度、偏振度等信息。对采集数据进行处理,并分析不同的永磁薄膜厚度对直流光学电流互感器性能的影响。

3.3.1 直流光学电流互感器灵敏度分析

偏振光的偏振态在邦加球中用方位角和椭圆率表示^[14],如图9所示,p点表示偏振光的某一偏振状态,方位角表征偏振光在邦加球上的经度,用p点在XOY平面上投影与X轴的夹角表示,椭圆率表征偏振光在邦加球上的纬度,用OP与XOY平面夹角表示。

采用斯托克矢量表征偏振光的偏振态则方位角,可由下式得出

式中,$\psi $表示偏振光在45°上的光强,${{S}_{1}}$和${{S}_{2}}$分别表示竖直、水平方向上的偏振光光强。由此可得,偏振光发生法拉第效应产生的旋转角度可以通过邦加球上方位角的变化间接表示。

对采集到的各个厚度的永磁薄膜方位角数据,根据式(4)求得平均值,得到的数据如表3所示。使用Origin对处理的数据进行分析,如图10所示为偏振光方位角和电流关系曲线。

图10a为采用反射式光路结构的直流光学互感器在试验中测得的方位角随电流变化曲线,图10b为采用透射式光路结构的直流光学电流互感器的测量结果得关系曲线图。由图10可以看出,不同厚度的样品在经过3 000 A电流调制后的偏振光的法拉第旋转角改变了约10°,由试验可得,通过改变敏感元件到导线的距离可以改变直流互感器的灵敏度。不同光路结构的互感器的方位角的起始角度不同,并且不同厚度的敏感元件样品的方位角预置角度也不同,但是由图中可以看出采用同一光路结构的互感器的不同敏感元件样品在试验测量过程中方位角与电流大小关系的斜率基本相同且线性度高。

为直观显示偏振光在电流调制下偏振方向的改变,本文通过TXP Polarimeter软件采集了电流从0 A上升到3 000 A过程中,电流大小分别为100 A、500 A、1 000 A、1 500 A、2 000 A、2 500 A、3 000 A时偏振光在邦加球中的位置,并将采集到的图片进行叠加处理,如图11所示为偏振光在邦加球中经电流调制后的迁移图。

图11中的粗线展示了偏振光在邦加球中的迁移过程,由此可以看出偏振光经电流调制后偏振态在邦加球赤道附近沿着经线迁移,即偏振光的方位角大小随电流的改变而改变,而纬线代表的椭圆率基本不变,即光的偏振态变化不大。为了准确分析方位角和电流响应曲线,将永磁薄膜厚度为4 μm的直流光学电流互感器的测量结果进行线性拟合,得到的线性拟合曲线如图12所示。

通过线性拟合得到的偏振光和电流的响应曲线的关系表达式如下所示

由式(5)可知,4 μm厚度的敏感元件样品在试验中的偏振光的方位角的预偏角度79.577°,根据测量结果计算得出敏感元件在试验中所固定位置的互感器偏振光的方位角对电流的灵敏度为-2.95°/kA,由理论分析可知传感头在该固定位置的测量范围。由拟合曲线可以看出,该直流光学电流互感器在范围内测得的偏振光的方位角变化与导线上电流大小呈良好线性关系,经过多次试验测量分析表明采用镀永磁薄膜的石榴石磁光材料作为直流光学互感器的敏感元件,其偏振光经过电流调制后的旋转角度与电流保持良好的线性度,采用Origin对方位角和电流大小的关系进行线性拟合,拟合度高达99.953%,测量误差小于0.4％,并且多次测量的拟合曲线的重复性表现良好。

3.3.2 直流光学电流互感器误差分析

邦加球中的偏振度(Degree of polarization,DOP)表征入射偏振光中线偏振光光强占总光强的比重,在采用光强探测法测量法拉第旋转角中DOP的改变会影响最后的测量精度。其计算公式如下所示

式中,S₀、S₁、S₂、S₃为斯托克矢量,在邦加球中S₀=1。由第2节的理论分析可知,磁光材料的各向异性导致线偏振光通过置于导电板附近的石榴石磁光材料时其偏振态会发生改变,而这种偏振态的改变使得线偏振光转化为椭圆偏振光,这使得TXP偏振计采集到的偏振光中线偏振光的比重降低,影响了OCT的测量精度以及长期运行的稳定性,为此我们有针对性地对采集了两种不同光路结构且采用不同厚度永磁薄膜的石榴石磁光材料作为敏感元件的直流光学电流互感器的DOP随电流改变的数据信息进行分析处理,图13为偏振光通过不同厚度的永磁薄膜的石榴石磁光材料的偏振度随电流产生的磁场改变而改变的曲线图。

图13a为采用透射式光路结构的直流光学电流互感器的DOP随外部磁场变化曲线,由图13a可以看出,透射式光路结构下互感器在试验过程中DOP的随电流增大基本保持不变,采用不镀膜的石榴石材料以及镀厚度为2 μm永磁薄膜的石榴石作为敏感元件时,测量过程中DOP基本不变,而偏振光在通过厚度分别为100 nm、500 nm、1 μm、4 μm以及5 μm的石榴石材料后偏振度会有轻微改变,但是幅度都控制在1%之内,这表明互感器在运行过程中双折射引起的误差非常小,基本可以忽略。图13b为采用反射式光路结构的直流光学电流互感器的DOP随外部磁场变化曲线。由图13b可以看出,反射式光路结构下互感器在试验过程中DOP的随电流变化有一定的改变,剔除环境中自然光、扰动等因素的影响,其改变幅度相对较小,改变幅度都控制在1%之内^[15,16,17]。

通过对试验中采集的不同厚度的钕铁硼永磁薄膜石榴石材料作为直流光学电流互感器的敏感元件的数据进行处理分析,可以发现在石榴石磁光材料表面生长一层脊部和沟槽相间的永磁薄膜对石榴石偏振特性产生了影响,但是却没有改变偏振特性的变化趋势。偏振光在通过石榴石磁光材料后其偏振度基本稳定,即线偏振光的偏振态在通过石榴石磁光材料后没有发生大的变化。这表明采用厚度较小、费尔德常数较高且温度影响系数相对较低的石榴石材料作为直流光学电流互感器的敏感元件,能够有效抑制线性双折射对其测量精度的影响。

(1) 针对石榴石磁光材料中存在的零失散问题,提出基于钕铁硼永磁薄膜矫正的直流光学电流互感器的模块化设计方案,通过在石榴石材料表面镀上一层脊部和沟槽相间的永磁薄膜,解决了因石榴石磁光材料中磁畴扰动带来的零失散问题,降低系统抖动以及温度变化引起石榴石磁光材料磁畴改变引入的误差。

(2) 设计了基于铷铁硼永磁薄膜矫正的直流光学电流互感器的透射式和反射式两种光路结构,传感头部分本文采用直通式光路结构,减少光学系统中光学元件使之易于耦合。并且分析了OCT在实用化道路上存在的问题以及影响OCT运行稳定性的实际因素。

(3) 分析了不同磁性能的磁光材料在OCT应用中存在的问题,采用琼斯矩阵分析了线性双折射对OCT测量精度的影响,试验制备了直流光学电流互感器的石榴石敏感元件并设计了互感器的系统光路结构。

(4) 理论上分析了理想状态下通电导线附近电流产生的磁场,并在试验中进行验证,从理论上分析了采用法拉第效应测量原理的直流光学电流互感器的灵敏度以及测量范围,表明其灵敏度和测量范围可以通过改变敏感元件到导线中心的距离来调整。

(5) 通过薄膜生长系统在石榴石磁光材料表面制备一层脊部和沟槽间隔的钕铁硼永磁薄膜,并测量了钕铁硼永磁薄膜的磁化曲线以及磁滞回线,试验验证了其具有良好的磁性能。

(6) 设计并在实验室搭建了直流光学电流互感器光电测试系统,采用大电流发生器控制导线板上的电流,并将制备好的永磁薄膜厚度分别为1 μm、2 μm、4 μm、5 μm、100 nm和500 nm的石榴石磁光材料作为敏感元件放入测试系统中进行性能测量。对采集到的数据进行处理并分析偏振光的方位角和电流的线性关系以及偏振度随外部电流的改变趋势,结果表明,该传感器的灵敏度和测量范围可以通过调节敏感元件离导线中心的距离来调节,并且该传感器测量的输出线性度高,测量误差小于0.4％,并且多次测量的拟合曲线的重复性表现良好。试验证明了在石榴石磁光材料镀上一层永磁薄膜能够提升石榴石的偏振特性,并提高直流光学电流互感器测量的精度。