具有總和檢測的光纖電流傳感器的製作方法

2023-05-21 04:44:21

專利名稱：具有總和檢測的光纖電流傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用光波在法拉第效應的影響下在光纖中的傳播來測量電流的 領域。
背景技術：
利用法拉第效應的電流的光學測量具有顯著的優點，例如，即使對於大的 電流，仍有高度線性的響應，艦於在短路的^i牛下的測量很重要。
為了用光學傳感器(諸如在EP1174719中舉例描述的)測量兩個或更多的 電流的總和，每個帶有其自己的控制電子裝置的獨立傳感器可被使用。控制電 子裝置將來自於傳感器的物理測量結果轉換為數位化的數字。隨後這些數字被 相加以獲得電流的總和。

發明內容
本發明的目的是提供允許測量不同導體中電流總和的改進的方法。此目的由 豐又利要求l中的方法獲得。
因此，光被弓l導入至少一個圍繞所有導體的光纖。這基於這種理解，傳感光 纖中的兩個圈偏振模式間的總相移將取決於被傳感光纖圍繞的導體中的電流的 總和。
因此，本方法避免了每個光纖對與蟲的光學系統和控制電子裝置的需求，在
單獨的光纖中也不需要任何系統平衡。通過每一個電流對磁場的並因itkxt沿著
傳感光纖傳播的兩個光波間的相移的加法的(或減法的)貢獻，固有地執行這 種求和。
術語"電流總和"解釋為包括這樣的情形至少一個導體中的電流的方向相 對於那個導體中的纏繞方向，不同於另一個導體中的電流方向相對於該另一個 導體中的纏繞方向。在這種情形下，電流符號是相反的，也就是，電流總和對 應於電流絕對值的差。例如，如果光纖以同樣的方向纏繞於所有導體，而在一
3個導體中的電流流動方向與其他導體中的電流相反，這種情形可出現。當所有 電流以同樣的方向流動，而光鄰頓時針纏繞它們中的一些並逆時針纏繞另一些， 這種情形也可出現。
如果一組電流加起來為零總和電流，本方法尤其對監測有用。基於分離的測 量系統的傳統的方法，在這種情形下，缺點為如果總和接近於0，即使單個電 流的觀糧結果中的小的體也能累加為總和中的顯著誤差。
被求和的電流可在數值、幅值和/或相位上不同。
所述方法通過利用纏繞於單個導體的不同數量的傳感光纖繞圈，也可用於測 量電流的加權總和。
本發明的尤其有用的應用為監測變壓器的輸入和輸出電流。在沒有漏電流 時，這樣的頓器的輸入電流和輸出電流應具有等於頓器的耦合比率的比率。 因此，如果圍繞輸入和輸出導體的傳感光纖的圈數的比率對應於變壓器的耦合 比率，貝IJ引導光圍繞承載輸A^口輸出電流的導體使得能夠監觀U該變壓器。


本發明將被更好的理解，並且當考慮了隨後的詳細描述時，除了上述闡述的 那些之外的目的將變得明顯。這樣的描述參考附圖，其中 圖1示出了本發明的第一實施例， 圖2示出了本發明的第二實施例， 圖3示出了本發明的第三實施例， 圖4示出了本發明的第四實施例， 圖5示出了本發明的第五實施例，
圖6示出了本發明用於監測電流總和的兩個應用，
圖7示出了用於監測被保護對象的應用，
圖8示出了圖7的第一備選，
圖9示出了圖7的第二備選，
圖10示出了本發明用於監測變壓器的應用。
具體實施例方式
本發明所考慮的光纖傳 可為採用法拉第效應的任何類型的光纖傳感器，諸如在EP1174719中所描述的。它〗頓反射形式操作的光纖線圈(fiber cdl)。 電子裝置模±央經由保偏光纖(PMF，例如，橢圓芯光纖)，發送兩個正交線性偏 振的光波給圍繞電流導體的傳感光纖。在傳感光纖入口端的延遲器轉換線性波 為左和右圓偏振光波。傳感光纖中的圓偏振光波，由於法拉第效應，受到與電 流成比例的不同相移。
然而，本發明也能與如EP856737所公開的薩格納克(sagnac)型電流傳感 器一起使用。
傳感光纖有利地如EP856737 (熱退火光纖，在小於200-500mm的小的環直 徑盼瞎況下)中所描述的那樣準備，或者如EP1512981 (在較大的環直徑且需 要彈性環的情況下)中所描述的那樣封裝。
圖1示出了用於測量分離的導體中的電流總和的第一實施例(在本實施例中 為在三個導體中的三個電流)。
傳自控制單元1將兩個線性偏振光波耦合到l呆偏光纖2中，在光纖2末端， 它們穿過與光纖主軸成45。的;i/4延遲器3。在延遲器3中，光纖2的這兩個線 性模式轉換為右和左圓偏振光波，所述光波沿著傳感光纖4傳播，被位於光纖4 末端的反射鏡5刻寸，並傳播回延遲器3，在延遲器3它們轉換回到兩個線性偏 振光波返回傳感器控制單元2。傳感器控制單元1被設置成測量在正沿著傳感光 纖4行進的兩個圓光波間弓l入的相位延遲。
在圖l的實施例中，傳感光纖4在單個環中圍繞三個導體6。然而，傳感光 纖4可形成任何整數N個環。傳感光纖4的起始端(位於延遲器3)以及它的 末端(位於反射鏡5)必須在空間上一致，使得形成閉環且磁場沿著封閉的路徑 積分。那麼傳感器對來自於環外導體的雜散磁場的影響不敏感，且信號不依賴 於環內導體的位置。
在傳感光纖4中的兩個圓偏振波之間的磁感生相移，取決於流iiH個導體6 的電流總和。正如上面提到的，這個總和對電流符號(即，電流的方向)敏感。 例如，如果三個直流電流的絕對值的總和要被測量，貝ij所有電流必須以同樣的 方向流過光纖環。如果一個電流以相反的方向流動，其將貢獻相反的符號給總 信號，也就是，它將被從其它兩個電流的總和中減去。
在圖2的第二個實施例中，每一個導體6被一個單個光纖環包圍，且所有的 導體6被另外的公共光纖環包圍。圍繞每個導體6的有效的環數因此為2。用正確的方向(順時針，時針)包圍所有導體6以使得所有電流以正確的符號被 檢測，很重要。
不同導體的光纖環數可不同，以便於計算不同電流的加權總和，其中每個總 和的權重對應於圍繞其的光纖環數。
在一些應用中，例如，在用於高壓變電站的氣體絕緣開關(GIS)中，需要 的光纖環的直徑和它們之間的距離可能相當大。如果i頓圖1或2的技術，這 將導致相當長的傳感光纖。隨著光纖長度的增加，來自於彎曲和封裝的應力以 及光纖的各向異性可能愈加改變圓光波的偏振狀態，並因此降低傳感器的精度。
圖3的實施例避免了這個缺陷，其減少了傳感光纖的總長度。在該實施例中， 每一個導體6具有它自己的單獨的傳感光纖4部分。不同的傳感光纖4通過保 偏光纖7連接。這些光纖7和光纖2是同樣的類型，並用於從導體傳遞線性偏 振光到導體。另外的1/4波長，器3設置在第一傳感光纖部分的末端、第二傳 感光纖部分的開端和末端以及最後傳感光纖部分的開端。延遲器3的雙折射軸 相對於相鄰的PMF7成45。取向。延遲器3在傳感光纖4的各部分中將圓偏振 波轉換成沿著隨後的PMF 7傳播的兩個線性偏振波，反之亦然。
最後的傳感光纖部分被反射鏡5終止以用於沿著PMF 7和傳感光纖4將光 傳送回傳 控制單元1。
在4Th延遲器3和它相鄰的PMF 2或7之間的45。角的符號必須適當地選 擇，以使得每個傳感光纖線圈貢獻正確的符號給總信號。例如，如果電流要被 累加，在第一傳感光纖部分中的左圓光波必須在其它部分中重新為左圓。這需 要給定的傳感光纖部分4的兩個延遲，湘對於相應pm光纖的快軸成+45°或 —45° (從保偏光纖朝向延遲器的方向看所見的角度)。
如果延遲器的方向選擇成使得在第一傳感光纖部分中的左圓光波在第二傳 感光纖部分中變成右圓，第二傳感光纖部分必須以與第一傳感光纖部分相反的 方向纏繞導體以便於使兩個電流以同樣的符號貢獻於信號。
為了測量兩個電流的差，可4頓圖4的設置。此實施例利用第三實施例的技 術，具有傳感光纖4的兩個部分之間的保偏光纖4和用於在PMF 2和7中的線 性偏振以及傳感光纖4各部分中的圓偏振t間進行轉換的1/4波長延遲器3。
在圖4的實施例中，傳感光纖4的兩個部分以不同的方向纏繞導體6，傳感 光纖4的第一部分形卿頃時針環，而傳感光纖4的第二部分形鵬時針組。這確保兩個電流以相反的符號對信號做貢獻。
可替換地，兩個環可以以同樣的方向纏繞導體6，在這種情形中，延遲器3 必須設置成將在第一傳感光纖部分中的左圓光轉換為在第二傳感光纖部分中的 右圓光，反之亦然。
用於觀懂兩個電流間的差的可替換實施例如圖5所示。此處，j頓傳感光纖 4的單個部分，該部分以8字環的形式包圍兩個導體6。延遲器3和反射器5設 置在該傳感光纖部分的中央交叉點。向前傳播的光圍繞下部導體順時針傳播， 而圍繞上部導體逆時針傳播。因此，傳感器的信號對應於兩個電流的差。
圖6闡明了本技術的兩個應用。它示出了具有三，A/輸出分支9、 10、 11 的三相母線8。
根據本發明的第一傳感器12監測輸A/輸出分支9的三個相位的電流總和。 它是圖l所示的類型，具有傳感光纖4的單個部分，但是傳感光纖4圍繞輸A/ 輸出分支9的三個導體多次纏繞以增強信號。(注意，延遲器和反射鏡在圖6中 未示出。)傳感器12用於監測是否所述分支9的三個相位A、 B禾B C中的電流 總和為0。非零的總和指示系統中的問題。
第二傳感器13例如是圖3中所示的類型，具有圍繞^itA/輸出分支9、 10、 11的相位A纏繞的傳感光纖環。其監測所有分支的柏位A的電流總和為0。 非零的總和指示母線8中的問題。類似的傳皿也可用於監測相位B或C中的 電流總和。
圖7中示出了另一個應用。此處，傳 監測流,接於兩個導體6的保護 對象14的電流。假設，在正常的操作下，保護對象14正在工作以使得流入--個導體6的電流必須通過另一個導體6流出。
此處，傳感器14被設置成測量流入和流出保護對象14的電流間的差，以便
於監測沒有故卩f/洩漏電流出現。
在圖7的實施例中，圍繞兩個導體6的環具有同樣的纏繞方向，但是位於第 一導體6的延遲器3弓l入;i/4的相移，而位於第二導體的延遲器弓l入-A/4的相 移，因此，使得來自於兩個電流的貢獻在總和信號中相減。
圖8示出了用於同樣目的的實施例，但是此處兩個環具有不同的纏繞方向， 而延遲器3都引起同樣的相移。
然而，用於減去兩個電流的另一個實施例如圖9中所示。其基本相應於圖5的實施例，具有傳感光纖4的單個部分。其形成兩個以相反方向圍繞兩個導體6 纏繞的環，環經由傳感光纖4的中央部分15連接。在中央部分15中，兩股傳 感光纖非常,地設置，因此最小化測量信號中的誤差。
圖10中示出了另一個應用。此處，傳感t!M用於監測具有第一電線圈17和 第二線圈18的變壓器16，第一電線圈17具有nl個繞組，第二線圈18具有n2 個繞組。傳感光纖4的具有N1個繞組的第一線圈19圍繞第一電線圈17的導體 纏繞，而傳感光纖的具有N2個繞組的第二線圈20圍繞第二電線圈18的導體纏 繞。^f扁光纖7在兩個線圈19， 20間延伸，且延遲器(未示出)用於傳感光纖 4中的圓偏振和PMF7中的線性偏振的轉換。
如果^ffi器16操作正確，第一和第二電線圈17和18中的電流的比率等於 ^E器的耦合比率n2:nl。當選擇n2:nl=N2:Nl時，也就是，如果比率N2:N1 等於艦器的耦合比率，貝油傳感器觀懂的信號在變壓器理想操作時為零。在 出現洩漏電流時，信號偏離O。因此，來自於傳感器的信號允許及早地以及準確 地檢測變壓器16中的洩漏。
本發明也適於至少兩個導體中的電流不同的測量系統。電流可為交流或直流 電流。在交流電的情形下，舉例來說，電流的幅值和/或相位可不同。
參考標記列表
1:傳 控制單元
2:保偏光纖 3:延遲器 4:傳感光纖 5:反射鏡
6.-導體
7:保偏光纖 8:母線
9、 10、 11:輸A/輸出分支
12、 13:傳ii^！
14:保護對象 15:中央部分
816:艦器 17、 18:頓器線圈 19、 20:傳感光纖線圈
權利要求
1、一種利用光纖中的法拉第效應測量多個導體(6)中電流的總和的方法，其特徵在於，光被引導到圍繞所有所述導體(6)的至少一個光學傳感光纖(4)中。
2、 權利要求l的方法，其中，至少兩個所述導體(6)的電流是不同的。
3、 任一前述權利要求的方法，其中，光被單獨引導圍繞至少兩個導體(6)。
4、 權利要求3的方法，其中，兩個圓偏振光波被引導圍繞所述兩個導體(6) 中的每一個，並且其中，在所述兩個導體(6)之間，延遲器(3)被用於將圓 偏振光波轉換為線性偏振光波，且特別地，其中所述線性偏振光波在至少一個 保偏光纖(7)中從導體傳遞到導體。
5、 權利要求3或4任一項中的方法，其中，光被以第一方向引導圍繞所述 至少兩個導體(6)中的第一個，並以與所述第一方向相反的第二方向弓l導圍繞 所述至少兩個導體(6)中的第二個，以便於測量所述導體(6)中的電流差。
6、 權利要求3或4任一項中的方法，其中，光被以同樣的方向引導圍繞所 述兩個導體(6)兩者，但是，當被引導圍繞第一導體(6)時是左圓的光，轉 換為右圓光以被引導圍繞第二導體(6)，反之亦然。
7、 權利要求3至6任一項中的方法，其中，所述光被引導以N1個繞組圍 繞所述至少兩個導體(6)中的第一個，並且以N2個繞組圍繞所述至少兩個導 體(6)中的第二個，其中，N14N2，用於測量所述導體(6)中的電流的加權 總和。
8、 前述權利要求中的任一項的方法，其中，第一導體(6)為承載流過變 壓器(16)的第一線圈(17)的第一電流的導體，並且第二導體(6)為承載流 過M器的第二線圈(18)的第二電流的導體，其中，光被引導以N1個繞組圍 繞第一導體(6)且以N2個繞組圍繞第二導體(6)，其中，N2:N1的比率等於 變壓器(16)的耦合比率。
9、 前述權利要求中的任一項的方法，用於監測是否一組電流相加為零總和 電流。
10、 權利要求10的方法，用於監測變壓器(16)。
全文摘要
為了測量不同導體(6)中的電流總和，光在圍繞所有導體(6)的光學傳感光纖(4)中引導。傳感光纖(4)可以單個圈或以幾個單獨的圈的形式纏繞在導體(6)上。散置的保偏光纖(7)和延遲器(3)用於在各個圈之間傳導光以阻止來自於雜散磁場的不期望的信號。該方法具有很高的準確性，尤其適於測量總和為零的大電流。
文檔編號G01R15/24GK101449174SQ200680054020
公開日2009年6月3日 申請日期2006年4月4日 優先權日2006年4月4日
發明者H·布蘭德爾, K·博納特, L·安德森 申請人:Abb研究有限公司