为研究光学器件对全光纤电流互感器温度稳定性的影响, 分析了起偏器、直波导相位调制器、延时光纤线的偏振串扰对全光纤电流互感器的精度的影响。对每种光学器件, 在其环境温度变化范围为-40～+70 ℃时, 测试了起偏器输出光消光比变化, 以及直波导相位调制器、延时光纤线的偏振串音变化情况; 也测试了对应的全光纤电流互感器的精度变化情况。测试结果表明, 直波导相位调制器、延时光纤线因环境温度变化引起的偏振串扰会引起全光纤电流互感器的精度变化, 其中直波导相位调制器是决定全光纤电流互感器的温度稳定性的关键器件。

全光纤电流互感器由光纤本身做传感器件，以光信号作为传输载体，而由于光纤容易受到温度影响而发生微小形变，因此会导致光信号在传播过程中发生偏振态改变。分析了1/4波片和光纤传感环两个关键光纤器件受温度影响情况，并对测量结果进行优化处理。采用保偏光纤制作的1/4波片，线偏振光的相位延迟会因温度的变化而改变，光纤传感环的维尔德常数也受环境温度的影响。在分析两器件的温度特性的基础上提出了温度补偿优化方案，并兼容原有光路中器件，设计了光纤双折射温度传感器，用于对温度产生的误差二次补偿。通过实验验证，互感器从比差值在温度为70~40 ℃时最大变化范围为0.417%~0.335%下降到[±0.15%]，满足国标小于[±0.2%]要求。基于该技术方案的产品通过第三方权威机构的检验并长时间在变电站工程应用，设备运行稳定，测量准确，验证了方案的可行性和正确性。

半导体激光器的输出性能直接决定了光纤电流互感器的测量精度和长期运行稳定性。为提高光纤电流互感器的测量精度与稳定性, 设计了一种高精度半导体激光器数字驱动电路。以STM32微控制器为控制核心, 利用高精度电流源芯片ADN8810实现驱动电流的精密控制, 同时采用集成温控芯片MAX1978通过控制半导体制冷片的工作电流实现对激光器温度的精确控制。经实验测试, 其输出电流稳定度为0.028%, 温度控制稳定度为0.18%, 激光器输出光功率稳定度达到0.06%, 输出波长稳定度为0.05pm。该设计能够满足光纤电流互感器对光源输出性能的要求。

基于1/4波片相位延迟功能,结合起偏器与法拉第旋光器,提出了一种集起偏与相位偏置功能于一体的用于Sagnac环路中的非互易相位调制器设计方案。所提结构从根本上消除了延迟线圈对系统灵敏度的影响,降低了系统复杂度,减小了体积。实验测得该相位调制器的相对插入损耗为3.6 dB,相位偏置角度为89.9605°,实验结果能够很好地与理论分析结果吻合。提出了变比误差自补偿技术,分析得到:当温度在-40~40 ℃范围内变化时,不同制作工艺下系统的最低变比误差不超过±0.02%。

宽带光纤λ/4波片是一种特殊的变速旋转型双折射光纤。当其旋转速度由小到大逐渐增加时, 可将输入的线偏振光转换为圆偏振光, 同时具有理想的偏振变换带宽。结合全光纤电流互感器的光路模型, 分析了宽带光纤λ/4波片的特性对互感器标度因数稳定性的影响。通过在邦加球上的轨迹, 对宽带光纤波片快转端的本征态及两正交本征态间的耦合系数进行了实验研究, 测量了其随温度的变化。实验结果表明, 当波片转速变化曲线满足一定条件时, 宽带光纤λ/4波片的温度效应对电流互感器标度因数稳定性的影响小于0.2%, 远小于窄带光纤λ/4波片的影响。利用宽带光纤λ/4波片可有效提高光纤电流互感器系统的温度稳定性。

为了改善光纤电流互感器温度性能, 设计了引入保温腔体的光纤环传感头结构.在光纤环受温度扰动引起的热致相位差基础上, 推导并建立了光纤电流互感器系统输出误差离散化数学模型, 利用有限元分析软件分别建立了光纤环自身和光纤环配合保温腔体的有限元模型, 仿真分析了在不同温度载荷下, 保温腔体的热性能和采用设计的传感头光纤电流互感器的温度性能.仿真实验结果表明: 所设计的保温腔体能有效控制光纤环中各匝光纤的温度变化范围, 减缓光纤的温变速率, 均化光纤环温度场；采用设计的传感头的光纤电流互感器系统输出误差范围明显减小, 有效提高了系统测量精度.这对高精度的光纤电流互感器的制作和应用具有重要意义.

研究了直流光纤电流互感器(DC FOCT)谐波测量误差的产生机理及性能改善方法, 建立了互感器闭环信号检测系统和滑动平均输出滤波器的离散域数学模型, 对互感器的频率响应特性进行了仿真分析。研究表明, 闭环信号检测系统的前向增益和输出滤波器的阶数是影响谐波电流测量准确度的主要因素; 在闭环稳定的前提下增大前向增益, 同时降低输出滤波器的阶数, 可有效减小谐波电流的测量误差。搭建了DC FOCT谐波电流测量误差测试平台, 实验结果表明, 在50~1200 Hz范围内, 样机测量误差不超过0.5%, 带宽大于10 kHz。

为了降低传感光纤的线双折射对全光纤电流互感器测量准确度的影响, 将旋转高双折射(SHB)光纤作为互感器的传感光纤。根据琼斯矩阵, 建立了互感器数学模型。研究了平面镜和法拉第旋转镜对基于SHB光纤的反射干涉式互感器测量准确度的影响, 分析了SHB光纤的旋转比与互感器抗温度扰动能力之间的关系, 讨论了使用光纤1/4波片对基于SHB光纤的互感器进行误差补偿的方案。结果表明, 在平面镜式互感器中, 采用谐波相除法、闭环信号调制法可以消除SHB光纤的长度敏感性。当旋转比大于30时, 在-40~60 ℃温度范围内, 标度因数的变化小于0.2%。在相同条件下,法拉第旋转镜式互感器中SHB光纤所需的最小旋转比为3.4, 可见法拉第旋转镜提高了互感器的温度稳定性, 选择合适的1/4波片可以补偿由SHB光纤线双折射引起的互感器标度因数温度误差。

建立了光纤电流互感器的离散动态模型，理论分析了互感器比值误差及相位误差与系统环路增益之间的关系，确定了环路增益漂移是导致互感器长期运行精度劣化的主要原因之一。提出了一种环路增益在线监测方法，能实时检测环路增益的变化，监测值可以作为互感器长期运行的故障监测点之一。在此基础上实验验证了模型的正确性，结果表明：在保证静态测试精度的条件下，系统环路增益取值越大，环路增益波动对互感器比值误差和相位误差的影响越小。系统环路增益取值为0.05时，为保证长期运行互感器测试准确度不超过误差限值要求，环路增益波动应不超过10%。

超辐射发光二极管（SLD）光源作为光纤电流互感器光路中唯一的有源器件, 其长期运行稳定性直接影响着互感器的性能。文章主要从SLD出光功率衰减对光纤电流互感器输出固定偏置、变比和相位的影响机理进行理论推导, 结果表明在非理想数字闭环情况下, 随着光功率的衰减, 互感器输出固定偏置增大; 同时光功率的衰减会导致电流互感器的信噪比降低, 进而导致互感器输出的比值误差和相位误差增大。并对理论结果进行了实验验证, 实验结果符合理论分析, 其中光功率衰减对互感器相位误差的影响最大。