一種光學電流測量傳感器的製作方法

2023-06-19 07:49:46 3

專利名稱：一種光學電流測量傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於偏振探測的法拉第效應光學電流測量傳感器。具體涉及一種 用於測量高壓輸電導體的電流的法拉第光學電流傳感器，屬於電力行業的電流測量和監控 領域。
背景技術：
隨著現代社會對電力需求的不斷增長，電力系統的容量、傳輸距離和傳輸效率也 必須增加，相應的電壓等級也越來越高，傳統的電磁式電流互感器已逐漸暴露出它的局限 性，如絕緣結構複雜，體積重量大，安裝運輸不便，鐵芯嚴重飽和，內部充礦物油作為絕緣和 散熱介質，存在突然失效而可能導致燃燒、爆炸的危險。用光纖製作的傳感器與傳統的各 類傳感器相比具有一系列的獨特優點，如低損耗、易彎曲、體積小、重量輕、防水火、耐腐蝕、 抗電磁幹擾、成本低等。光纖本身用作基本傳感器，具有高靈敏度、抗電磁幹擾、耐腐蝕、防 爆等特點；光纖作為傳感信號的傳輸系統，與傳統的金屬線路相比，具有抗電磁場幹擾、可 靠性高、安全及可長距離傳送等優點；並且便於與計算機連接、與光纖傳感系統組成遙測網 絡；而且光纖傳感器結構簡單、體積小、重量輕。光學電流測量傳感器採用法拉第效應原理， 一個偏振入射的光線經過磁場後偏振方向會發生改變，旋轉角可以由公式表示為β = VXBXdβ是光線的是旋轉角，d是敏感元件的長度，V是玻璃棒的維爾德常數，B是由高 壓電流的磁場矢量。維爾德常數是由溫度和波長決定的。由檢測出的通過玻璃棒的偏振方 向的大小即可計算得到被測導電導體所傳輸電流的大小。由於基於法拉第效應的光學電流 傳感器幾乎全由絕緣材料構成，因此在有大量電磁幹擾的情形下使用光學電流測量傳感器 是非常必要的。另外，在基於法拉第效應的光學電流測量傳感器中，光源產生光線，光線在穿越磁 光敏感材料之前通過偏振濾波鏡或者其他偏振器。但包含光源和檢波器的光學電流測量傳 感器對一些因素敏感，其中包括檢測電路的光噪聲，光源中的電氣噪聲，鄰近感應器和系統 的磁場產生的幹擾，傳感器裝置，導體的形狀和直徑，傳感器生產的誤差，溫度對維德爾常 數的影響，溫度對光源和檢波器的影響，長期使用後光源和檢波器的退化。所有上述提到的 因素都會造成光學電流測量傳感器測量精度的降低。因此在傳感器安裝過程中需要對傳感 器進行校準，以便對光學電流測量傳感器的在使用過程中的測量值進行實時校準。
發明內容本發明的技術解決問題是提供一種結構簡單、體積小、重量輕、安裝簡單方便的 測量高電壓導電導體中傳輸電流的光學電流測量傳感器。本發明涉及一種光學電流測量傳感器，所述傳感器包括一個光源，一個光電探測 器，兩段傳輸光纖，一個光學電流測量部件，一個信號處理單元以及一個校準裝置。所述光 學電流測量部件包含兩個光學透鏡，兩個光學透鏡支架，兩個偏振濾波器，一個玻璃棒，兩
4個光纖固定器，兩個密封元件和一個固定外殼，所述固定外殼有兩個相對的開放埠。所述光源是一個LED或者白熾燈光源，用於給所述光學電流測量傳感器提供光 線.
一入 ，一根第一光纖作為光導管將光源輻射的光傳導到本發明所述的光學電流測量部 件中；一個光學電流測量部件，所述光學電流部件進一步包括 一個固定外殼有一個第一開放埠和一個第二開放埠，第二開放埠在第一開 放埠相對的一側；一個第一密封元件固定於所述固定外殼的第一埠，並且有一個用來接收第一光 纖的孔；一個第一光纖固定器用於將所述第一光纖固定於所述固定外殼；一個第一光學透鏡支架安裝於所述固定外殼中，用於將所述第一光學透鏡安裝於 固定外殼中，並且有一個第一接收部接收所述第一光纖固定器，保證所述第一光纖和第一 光學透鏡有一個合理的光學配置；一個第一偏振濾波器安裝於所述固定外殼中，並且在所述第一透鏡的後面；一個接收和密封在上述固定外殼中的玻璃棒，接收來自第一偏振濾波器的光，玻 璃棒由具有磁光特性的材料製成；一個第二偏振濾波器安裝在所述固定外殼中，用於接收來自玻璃棒的光；一個第二光學透鏡支架安裝於所述固定外殼中，用於將所述第二光學透鏡安裝於 固定外殼中，並且有一個第二接收部；一個第二光纖固定器用於將所述第二光纖固定於所述固定外殼中，所述第二光纖 固定器被所述第二光學透鏡支架的第二接收部接收；一個第二密封元件固定於所述固定外殼的第二埠，並且有一個用來接收第二光 纖的孔；第一密封蓋和第二密封蓋分別可移動地連接於所述固定外殼的第一埠和第二 埠，所述第一密封蓋和第二密封蓋分別有一個接收所述第一光纖和第二光纖的孔；一根第二光纖作為光導管將從光學電流測量部件輸出的光傳導到光電探測器件 上；一個光電探測器件，用於將從第二光纖傳輸過來的光轉換為電信號；一個信號處理單元，用於處理所述從光電探測器件傳輸來的電信號，從而測量出 流動於被測高壓導電導體的電流值；校準裝置，提供一個電流測量系統，用來為所述光學電流測量傳感器執行校準測 量，並且提供一個第一通信方式。校準用來消除信號衰減，比如，由陳舊的或者損壞的元件 造成的衰減，並且能補償由其他輻射電場源產生的幹擾，比如其他電纜的幹擾。當傳感器被 放置在大量導電電纜中的一個特殊的電纜中時，系統可以校準用以消除來自大量導電電纜 的其餘部分的影響。當系統第一次安裝時執行校準，並且能夠補償裝置或者元件的衰退。在開始測量和對使用光學電流測量傳感器的變電站進行監控之前，一個校準裝置 用來更精確地測定導電導體中的電流。上述校準裝置周期或者非周期地測量導電導體中的 高電壓流，通過測量電信號的交流和直流部分重新計算校準常量。校準裝置首先測定光信
5號的交流部分，然後周期性地測定光信號的直流部分，通過將測得的直流部分與上述周期 測定的直流部分相比即可得光學電流測量傳感器的校準常量。校準常量與測得的交流部分 相乘即可得到被測導電導體所傳輸電流的大小。本發明與現有技術相比具有如下優點(1)本發明結構簡單、體積小、重量輕，並且抗電磁幹擾、耐腐蝕、防爆；(2)本發明安裝簡單，輸電系統在工作過程中即可安裝，無需斷閘、幹擾用戶的正 常用電需求。

圖1是光學電流測量部件的橫截面示意圖；圖2是光學電流測量部件的放大截面示意圖；圖3顯示了光學電流測量部件外殼上的一個凹槽；圖4是光學電流測量部件的一個末端的示意圖；圖5是光學電流測量部件的另一個末端的示意圖；圖6是光學電流測量傳感器的系統原理示意圖；圖7是探測系統示意圖，圖6所示的系統的一部分。
具體實施方式
圖1是光學電流測量部件10的橫截面示意圖，圖2是圖1中的光學電流測量部件 10的放大示意圖。光學電流測量部件10由一個有第一埠和第二埠的橢圓型外殼12組 成；分別定義為14和16。第一個密封元件18安裝在外殼12的第一埠 14上，第一個密 封元件18有一個用來接收第一光纖20的孔。第一光纖固定器22安裝在外殼12中。第一 光纖固定器22有一個接收第一光纖20的孔。第一透鏡支架23支撐第一光學透鏡M並且 有一個接收第一光纖20和第一光纖固定設備22的接收部件25。第一偏振濾波器沈安裝 在第一光學透鏡M後面。玻璃棒觀(玻璃材料可能是FR6或BK7)安裝在第一偏振濾波器 沈後面。玻璃棒觀的另外一端，第二個偏振濾波器隨後安裝在其後。第二光學透鏡支架 31支撐第二個光學透鏡32與第二個偏振濾波器30連續。第二個光學透鏡支架31有接收 第二光纖固定器34的接收單元。第二個密封元件36有一個接收第二光纖38的孔，並安裝 在外殼12的第二埠。兩個光纖20、38通過第一個和第二個密封元件18、36分別嵌入到第一個和第二個 光纖固定器22、34中。光纖20、38通過兩個傳感器外殼40、42分別固定在外殼12上。傳 感器外殼40、42使光纖20、38固定，並且使光學電流測量部件10密封。用來澆鑄傳感器外殼比較好的材料是能夠禁得起溫度從-40°C到250°C變化的塑 料材料，並且有電絕緣性能。而且400nm到IOOOnm的光不能透過該種材料。具有上述性能 的材料可能是塑料比如說Ultem或者Peek。所述固定外殼12進一步包括一個塑料外翼，為方便使用塑料條或者其他固定方 式將光學電流測量部件10安裝到導電導體50上。圖3是光學電流測量部件10的側視圖，描述了光學電流測量部件10中固定外殼 12上與玻璃棒28平行的凹槽46。凹槽46有一個用來提高固定光學電流測量部件10到導電導體上的平面端面或者圓形端面。凹槽46嵌入在外殼中，用來使玻璃棒儘可能靠近電子 導體並且使光學電流測量部件10與電子導體成90度角。凹槽46的寬度可以是任意的，但 最好是與玻璃棒觀的長度相同或者更短一點。固定端44可能嵌入在凹槽46的延伸處。圖4是光學電流測量部件10的一個埠 14的示意圖。這個圖描述了第一偏振濾 波器26安裝在固定外殼12中的位置。圖5是圖4所示的光學電流測量部件10的另外一端的示意圖。這個圖進一步描 述了安裝在固定外殼12與第一個偏振濾波器成旋轉45度角的第二個偏振濾波器30。兩個 偏振濾波器被平行固定，圖4和圖5中所示的偏振濾波器是方形的，也可能是別的形狀，只 要兩個偏振濾波器的偏振面旋轉45度即可。圖6是利用磁光材料的法拉第效應製成的光學電流測量傳感器的原理示意圖。該 傳感器包括一個光源46，該光源可能是一個螢光燈泡或一個LED光源。從光源發出的光46 通過第一光纖48引導進入到光學電流測量部件10中，光學電流測量部件10包括兩個偏振 濾波器沈、30和一個磁光材料，兩個偏振濾波器沈、30平行固定，並且偏振面有45度的夾 角。光學電流測量部件10固定在一個有高壓電流流動的導電導體50上。光學電流測量部 件10的輸出端杯連接到第二光纖52上，第二光纖52連接到一個探測系統M上，探測系統 54將模擬光信號轉換成數位訊號。探測系統M的數位訊號被提供給信號處理單元56執行 數據的計算。校準裝置58安裝在導電導體50上是為了方便校準。校準裝置58連接到電 流測量系統60，電流測量系統60為信號處理單元56提供額外的數據信號。所述信號處理單元56比較、存儲和計算來自探測系統討和電流測量系統60的數 據。該系統的校準要求信號處理單元56能比較來自檢測系統M和電流測量系統60 的數據，並能存儲這些數據。標定數據採集結束後，來自探測系統M和電流測量系統60的 數據分別被累加起來，來自電流測量系統60的累加值除以來自探測系統M的累加值即可 得光學電流測量傳感器的標定值，這個標定值存儲在信號處理單元56中。然後，電流測量 系統60和校準測量單元58可以被拆掉，光學電流測量傳感器開始正常工作。光學電流測量傳感器的原理示意圖如圖6所示，其包含一個光源46，和一個光學 電流測量部件10和一個光學探測系統M，這些器件敏感光源46中的電子噪聲，探測系統 54的光噪聲以及來自相鄰導體或系統形成的磁場幹擾。光學電流測量部件10的安裝和裝 備以及被測導體的形狀和直徑都會對傳感器的測量精度有影響。該傳感器也可能在世界的 不同地方使用，使用溫度有很大的變化，溫度變化也可能影響探測系統M中光源46和檢測 電路的正常工作。另外，光源46、檢測系統M以及系統中的其他組件也可能隨著使用時間 的增加和產品生命期的限制而老化。一個精確的測量依賴於一個穩定的光源和補償因子的 確定，包括光源輸出的變化記錄，探測系統的長期波動以及周圍環境的溫度波動都需要被 實時測定和補償。圖7是信號處理單元中探測系統M的原理示意圖。探測系統包括一個光敏感元件 64，敏感元件64將從第二光纖52傳導到探測系統M的光轉換成電信號，電信號包括交流 和直流分量，信號被分成兩路分別提供給兩個放大器66和68。從66放大器放大的信號被 輸送到直流分離器70，直流分離器70從放大的信號中分離出直流分量。從68放大器放大 的信號被輸送到交流分離器72，交流分離器72從放大的信號中分離出交流分量。模擬信號
7處理單元74將轉換後的直流分量和交流分量轉換成數位訊號。測得的直流信號與傳感器 標定時的直流信號值相比再乘以測得的交流信號值即可得當前被測導電導體中的電流值。
權利要求1.一種光學電流測量傳感器，其特徵在於包括下列部分 一個光源；一根第一光纖，作為光導管將從光源輻射出的光傳導到光學電流測量部件上； 一個光學電流測量部件用於測量高壓導電導體的電流；一根第二光纖，作為光導管將從光學電流測量部件輸出的光傳導到光電探測器件上； 一個光電探測器件，用於將從第二光纖傳輸過來的光轉換為電信號； 一個信號處理單元，用於處理所述從光電探測器件傳輸來的電信號，從而測量出流動 於被測高壓導電導體的電流值。
2.根據權利要求1所述的光學電流測量傳感器，其特徵在於進一步包含一個校準裝 置，用於標定所述測量電流的值。
3.根據權利要求1所述的光學電流測量傳感器，其特徵在於 光學電流測量部件包括一個固定外殼有一個第一開放埠和一個第二開放埠，第二開放埠在第一開放端 口相對的一側；一個第一密封元件固定於所述固定外殼的第一埠，並且有一個用來接收第一光纖的孔；一個第一光纖固定器用於將所述第一光纖固定於所述固定外殼； 一個第一光學透鏡支架安裝於所述固定外殼中，用於將所述第一光學透鏡安裝於固定 外殼中，並且有一個第一接收部接收所述第一光纖固定器，保證所述第一光纖和第一光學 透鏡有一個合理的光學配置；一個第一偏振濾波器安裝於所述固定外殼中，並且在所述第一透鏡的後面； 一個接收和密封在上述固定外殼中的玻璃棒，接收來自第一偏振濾波器的光，玻璃棒 由具有磁光特性的材料製成；一個第二偏振濾波器安裝在所述固定外殼中，用於接收來自玻璃棒的光； 一個第二光學透鏡支架安裝於所述固定外殼中，用於將所述第二光學透鏡安裝於固定 外殼中，並且有一個第二接收部；一個第二光纖固定器用於將所述第二光纖固定於所述固定外殼中，所述第二光纖固定 器被所述第二光學透鏡支架的第二接收部接收；一個第二密封元件固定於所述固定外殼的第二埠，並且有一個用來接收第二光纖的孔；第一密封蓋和第二密封蓋分別可移動地連接於所述固定外殼的第一埠和第二埠， 所述第一密封蓋和第二密封蓋分別有一個接收所述第一光纖和第二光纖的孔。
4.根據權利要求3所述的光學電流測量傳感器，其特徵在於所述第一偏振濾波器和 第二偏振濾波器被平行地固定，並且所述第一偏振濾波器的偏振面相對於第二偏振濾波器 的偏振面旋轉45度。
5.根據權利要求3所述的光學電流測量傳感器，其特徵在於所述玻璃棒是由材料FR6 或BK7製成。
6.根據權利要求3所述的光學電流測量傳感器，其特徵在於所述固定外殼是由波長 範圍至少從400nm到IOOOnm不透光的材料製成。
7.根據權利要求3所述的光學電流測量傳感器，其特徵在於所述光學電流測量部件 進一步包括所述固定外殼上的一個凹槽，所述凹槽的長度與固定於所述固定外殼的所述玻 璃棒的長度相近，所述凹槽為方便與被測導電導體相連。
8.根據權利要求3所述的光學電流測量傳感器，其特徵在於所述光學電流測量部件 進一步包括至少一個從固定外殼延伸的塑料外翼，所述塑料外翼為方便將光學電流測量部 件安裝到橢圓型的導電導體上。
專利摘要一種光學電流測量傳感器，包括一個光源，用於產生光線；一個第一光纖用於將光源輻射出的光傳導到光學電流測量部件上，光學電流測量部件進一步包括固定外殼，固定外殼包括第一開放埠和第二開放埠，固定外殼的第一開放埠將第一光纖固定於第一光學透鏡的前部；外殼中的第一個偏振濾光器接收從第一光學透鏡傳輸過來的光；固定外殼中的磁光棒接收第一偏振濾光器的光；固定外殼中的第二個偏振濾光器接收磁光棒的光；固定外殼中的第二光學透鏡接收第二偏振濾光器的光；一個第二光纖用於將光學電流測量部件輸出的光傳輸到一個光電探測器件上，光電探測器件將光信號轉換成電信號；一個信號處理單元分析電信號得到被測導電導體上傳輸的電流值；光學電流測量傳感器進一步包括一個校準裝置，用於校準所測量的電流值。
文檔編號G01R15/24GK201876487SQ20102054798
公開日2011年6月22日 申請日期2010年9月29日 優先權日2010年9月29日
發明者屈玉福, 賀益聰 申請人:屈玉福, 賀益聰