一種全光纖電流互感器和測量電流的方法

2023-05-02 16:18:16

專利名稱：一種全光纖電流互感器和測量電流的方法
技術領域：
本申請涉及光纖技術領域，更具體地，涉及一種全光纖電流互感器和測量電流的方法。
背景技術：
電流互感器是一種基礎測量設備，在電力、冶金等諸多工業領域廣泛應用。我國「十二五」規劃建設具有「信息化、自動化、互動化」特徵的智能電網，對電流互感器安全性、準確性等方面提出了新的更高要求。傳統電磁式電流互感器存在固有原理性缺陷，如絕緣結構複雜、安全性差、暫態特性差、難以實現直流測量等缺點，不能滿足智能電網及其他工業領域技術發展的需求。為解決電磁式電流互感器所面臨的問題，20世紀90年代以來，國內外開展了電子式電流互感器 的研究。目前電子式電流互感器有羅氏線圈式、低功率線圈式、分流器式、磁光玻璃式、全光纖式等多種類型。其中全光纖式電流互感器採用光纖環作為敏感部件，並利用數字閉環信號檢測技術，具有安全性好、可靠性高、暫態性能好等優點，成為電流互感器技術的主要發展方向。參見附圖I是現有技術中全光纖電流互感器的結構示意圖，其中光纖敏感環是全光纖電流互感器的核心敏感元件，其性能好壞將直接影響到互感器的準確度與穩定性。在附圖I中，其中包括光電模塊和光纖敏感環。其中，光電模塊包括光源、I禹合器、偏振器、調製器、光電探測器、信號處理單元和保偏光纖延遲線圈；光纖敏感環包括反射鏡、X/4波片和光纖敏感環。光源和光電探測器的尾纖分別與耦合器連接，耦合器的尾纖與偏振器的入纖熔接，偏振器的尾纖與調製器的入纖45度熔接，調製器的尾纖與保偏光纖延遲線圈的一端連接，保偏光纖延遲線圈的另一段與X/4波片連接，X/4波片另一端與光纖敏感環熔接，光纖敏感環的另一端連接反射鏡，在實驗室或工廠中將反射鏡與X/4波片緊密相連。光電探測器的光強電壓信號輸出端與信號處理單元連接，信號處理單元輸出方波和階梯波的疊加信號給調製器，信號處理單元輸出電流信息。電流信息用於變電站電能計量或繼電保護。全光纖電流互感系統對結合和/或輸出信號進行閉環測試。調製器中光的相位差滿足SIN4VNI&4VNI，且4VNI彡0. 5° 1°，V表示維爾德常數；N為敏感線圈的匝數；I為穿過敏感線圈的被測電流。對光纖敏感環的要求主要有兩點(I) 1/4波片與反射鏡應儘量重合，使光纖敏感環滿足安培環路定理，保證互感器有較好的抗雜散磁場幹擾能力。(2)敏感光纖應具有較小的光纖殘餘應力，保證互感器具有穩定的性能。光纖敏感環是將敏感光纖在金屬骨架上繞制而成，在繞制過程中敏感光纖會產生殘餘應力，將對互感器造成較大的測量誤差與穩定性影響。為此，在繞制完成後，應通過高低溫循環和隨機振動等環境試驗去除敏感光纖的殘餘應力。因此，光纖敏感環的生產過程必須在生產車間內通過特殊的生產流程完成。
但在某些現場應用中，要求全光纖電流互感器光纖敏感環能夠實施現場的組合安裝或繞制，如某些變電站中的氣體絕緣開關(GIS)中的電流測量、冶金直流大電流的測量等。在這些應用現場，不允許拆除電流母線，而是希望通過光纖敏感環現場組裝或繞制的方式實現嵌套在母線上。然而，現場繞制無法實現繞制後敏感光纖的去應力，因此不具有可行性，而又因為光纖敏感環的敏感光纖必須閉合(即光纖1/4波片與反射鏡之間重合)，所以難以實現現場的組合安裝。

發明內容
本發明實施例提出一種全光纖電流互感器，能夠保證光纖敏感環閉合，從而在特殊情況下實現測量電流。本發明實施例還提出一種測量電流的方法，能夠保證光纖敏感環閉合，從而在特 殊情況下實現測量電流。本發明實施例的技術方案如下一種全光纖電流互感器，所述裝置包括光源、總耦合器、信號處理單元、第一光電探測器、第一稱合器、第一偏振器、第一調製器、第一保偏光纖延遲線圈和第一光纖半環，第一光纖半環包括 第一、/4波片、第一敏感光纖半環和第一反射鏡；第二光電探測器、第二耦合器、第二偏振器、第二調製器、第二保偏光纖延遲線圈和第二光纖半環，第二光纖半環包括第二 X/4波片、第二敏感光纖半環和第二反射鏡；光源發出的光經總耦合器分為兩束，分別輸入第一耦合器和第二耦合器；第一稱合器的一端與第一偏振器、第一調製器、第一保偏光纖延遲線圈、第一入/4波片、第一敏感光纖半環、第一反射鏡順序連接，第一耦合器的另一端第一光電探測器連接，第一光電探測器連接信號處理單元，信號處理單元分別連接第一調製器和第二調製器；第二耦合器的一端與第二偏振器、第二調製器、第二保偏光纖延遲線圈、第二入/4波片、第二敏感光纖半環、第二反射鏡順序連接，第二耦合器的另一端第二光電探測器連接，第二光電探測器連接信號處理單元；第一反射鏡置於第二 X/4波片末端，第二反射鏡置於第一 X/4波片末端。所述第一反射鏡置於第二入/4波片末端包括 第一反射鏡距離第一 L型連接件的長端為M，第一反射鏡的法線方向與第一 L型連接件的短端平行；第二 \ /4波片位於第二 L型連接件的短端上表面，第二 ' /4波片的末端距離第二 L型連接件的長端為M ；第一 L型連接件與第二 L型連接件的短端緊密結合，第一 L型連接件與第二 L型連接件的長端緊密結合；第一 L型連接件與第二 L型連接件的短端長度相同，第一 L型連接件與第二 L型連接件的長端長度相同。所述第二反射鏡置於第一入/4波片末端包括第二反射鏡距離第三L型連接件的長端為M，第二反射鏡的法線方向與第三L型連接件的短端平行；
第一入/4波片位於第四L型連接件的短端上表面，第一入/4波片的末端距離第四L型連接件的長端為M ;第三L型連接件與第四L型連接件的短端緊密結合，第三L型連接件與第四L型連接件的長端緊密結合；第三L型連接件與第四L型連接件的短端長度相同，第三L型連接件與第四L型連接件的長端長度相同。一種測量電流的方法，所述方法包括由第一光纖半環對應的第一數字量，對第一光纖半環中電流強度進行標校得到第一標度因數；由第二光纖半環對應的第二數字量，對第二光纖半環中電流強度進行標校得到第二標度因數； 根據第一標度因數、第二標度因數、第一數字量和第二數字量計算通過第一光纖半環和第二光纖半環中的電流強度。所述由第一光纖半環對應的第一數字量，對第一光纖半環中電流強度進行標校得到第一標度因數包括第一數字量與單匝第一光纖半環中電流強度的比值等於第一標度因數；所述由第二光纖半環對應的第二數字量，對第二光纖半環中電流強度進行標校得到第二標度因數包括第二數字量與單匝第二光纖半環中電流強度的比值等於第二標度因數。所述由第一光纖半環對應的第一數字量，對第一光纖半環中電流強度進行標校得到第一標度因數包括N匝第一光纖半環對應的第一數字量與N匝第一光纖半環中電流強度的比值等於第一標度因數，N彡2;所述由第二光纖半環對應的第二數字量，對第二光纖半環中電流強度進行標校得到第二標度因數包括N匝第二光纖半環對應的第二數字量與N匝第二光纖半環中電流強度的比值等於第二標度因數。所述根據第一標度因數、第二標度因數、第一數字量和第二數字量計算通過第一光纖半環和第二光纖半環中的電流強度包括通過第一光纖半環和第二光纖半環中的電流強度等於第一電流分量和第二電流分量的和；第一電流分量等於第一數字量與2倍第一標度因數的比值，第二電流分量等於第二數字量與2倍第二標度因數的比值。從上述技術方案中可以看出，在本發明實施例中由第一反射鏡置於第二 X/4波片末端，第二反射鏡置於第一 X /4波片末端,這樣第一光纖半環和第二光纖半環構成一個完成的光纖圓環。從而保證了光纖環的閉合，在特殊的情況下可以實現對電流的測量。


圖I為現有技術中利用全光纖電流互感器測量電流的裝置結構示意圖2為全光纖電流互感器的結構示意圖；圖3為反射鏡與X /4波片連接示意圖；圖4為信號處理單元的結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點表達得更加清楚明白，下面結合附圖及具體實施例對本發明再作進一步詳細的說明。在本發明實施例中，由第一反射鏡置於第二 \ /4波片末端，第二反射鏡置於第一入/4波片末端，這樣第一光纖半環和第二光纖半環構成一個完成的光纖圓環；而在實驗室內已去除兩個光纖半環的應力，這樣就滿足了光纖敏感環的兩個需求，進而保證了光纖環的閉合，在特殊的情況下可以實現對電流的測量。 下面結合附圖2詳細說明全光纖電流互感器的結構示意圖。光源發出的光經總耦合器分成兩束，其中一束光經過第一耦合器後由第一偏振器起偏為線偏振光。第一偏振器的尾纖與第一調製器的尾纖以45度熔接。由於45度熔接能夠使一束光分為兩束，因此採用45度熔接。線偏振光注入第一調製器後分解為兩束正交模式的線偏振光，在第一調製器處受到相位調製後分別沿第一保偏光纖延遲線圈的X軸和Y軸傳輸。兩束正交模式的線偏振光在經過第一 X/4波片後，分別變為左旋的圓偏振光和右旋的圓偏振光，並進入第一敏感光纖半環。電流產生的磁場作用於第一敏感光纖半環，使兩束圓偏振光的傳輸速度發生變化，產生相位差；兩束圓偏振光傳在第一敏感光纖半環的末端第一反射鏡處產生反射，偏振模式互換(即左旋的圓偏振光變為右旋模式，右旋的圓偏振光變為左旋模式)並沿原光路返回，再次穿過第一敏感光纖半環時，磁光效應產生的相位差加倍；兩束圓偏振光再次通過第一 X/4波片後變為線偏振光，且返回至第一偏振器處發生幹涉，攜帶電流信息的幹涉光信號經第一耦合器後被光電探測器探測並轉為電信號；信號處理單元在採集到該電信號並經運算處理後產生調製信號發送至第一調製器。與上述過程相同，光源發出的光經總耦合器分出的另一束光分別經過第二耦合器、第二偏振器、第二調製器、第二保偏光纖延遲線圈、第二 \ /4波片、第二敏感光纖半環後經第二反射鏡反射，返回至光電探測器處進行光電轉換並被信號處理單元採集，經運算處理後產生調製信號發送至第二調製器。上述第一 \ /4波片、第一敏感光纖半環、第一反射鏡並未組成閉合迴路，而是半圓形狀。同時第二 X/4波片、第二敏感光纖半環、第二反射鏡也組成半圓形狀。通過兩個敏感環首尾相連，即第一 X/4波片與第二反射鏡重合、第二 X/4波片與第一反射鏡重合，組成一個完整的安培環路，通過信號處理單元對兩組數據的融合處理，獲得穿過安培環路的電流大小。每組半圓敏感環的光纖繞制、去應力試驗、固化等工藝流程可在生產車間分別完成，並在應用現場進行敏感環的組裝。為了保證X/4波片與反射鏡能夠較好地重合，附圖3給出了一種具體的結構示意圖，兩個敏感環連接處採用L型結構方式。第一反射鏡位於第一 L型連接件中光纖的末端，第二 \ /4波片位於第二 L型連接件中光纖的頭立而。
其中，第一反射鏡位於第一敏感光纖半環的末端，第一反射鏡距離第一 L型連接件的長端為M，第一反射鏡的法線方向與第一 L型連接件的短端平行。第二 \ /4波片位於第二 L型連接件的短端上表面，第二 \ /4波片的末端距離第二 L型連接件的長端為M。第一 L型連接件與第二 L型連接件的短端長度相同，第一 L型連接件與第二 L型連接件的長端長度相同。第一 L型連接件與第二 L型連接件相連接包括第一 L型連接件與第二 L型連接件的短端緊密結合，第一 L型連接件與第二 L型連接件的長端緊密結合。上述兩個L型連接件的重合保證了第一反射鏡與第二 X/4波片末端的穩定的緊密結合。另外，還可以在附圖3中虛線的位置採用緊固件固定第一 L型連接件和第二 L型連接件。通過對敏感環結構的固定，可以方便地實現X/4波片與反射鏡重合。與第一反射鏡與第二 X/4波片的連接方式相同，第二反射鏡與第一 X/4波片也採用兩個L型連接件連接的方法緊密結合。 第二反射鏡距離第三L型連接件的長端為M，第二反射鏡的法線方向與第三L型連接件的短端平行；第一 X/4波片位於第四L型連接件的短端上表面，第一 X/4波片的末端距離第四L型連接件的長端為M。第三L型連接件與第四L型連接件的短端緊密結合，第三L型連接件與第四L型連接件的長端緊密結合；第三L型連接件與第四L型連接件的短端長度相同，第三L型連接件與第四L型連接件的長端長度相同。針對附圖2的結構示意圖，還提出一種測量電流的方法，參見附圖4是信號處理單元的結構示意圖。信號處理單元必須同時處理第一光電探測器和第二光電探測器兩路數據。第一光電探測器的輸入信號經前置第一前置放大器放大後，被第一 AD轉換器進行模數轉換，送至數字邏輯電路進行濾波、解調、積分等數字運算處理並生成反饋信號。反饋信號通過第一 DA轉換器、第二運算放大器施加至第一調製器。為了保證數據的實時與同步，數字邏輯電路採用大規模可編程數字邏輯電路實現，能夠保證較快的並行運算速度與同步性。相應地，對第二光電探測器輸入信號的處理與上述過程相同。數字邏輯電路所產生的反饋信號一方面施加至調製器，同時也是與被測電流值成正比的數字量。兩路數字量與輸入電流的關係可表述如下D1=K1 I1 (I)D2=K2 I2 (2)其中，Dl是第一光纖半環對應的第一數字量、D2為第二光纖半環對應的第二數字量，K1、K2為兩路互感器的標度因數，11、12為電流值。可以利用已知的數字量和已知電流強度確定Kl和K2，上述過程稱之為標校。其中，第一光纖半環和第二光纖半環均為單匝線圈。此外，因兩路敏感環均未單獨閉合，單匝的大電流擺放位置將對Kl、K2的標校結果產生較大影響。因此可採用纏繞等安匝線圈的方式對K1、K2進行標校。若敏感環上纏繞了 N匝等安匝線圈，N彡2，線圈中輸入電流為I1，則式(I)、(2)可寫為D' ! = K1 NI1(3)D' 2 = K2 NI2(4)
其中，D' 1是N匝第一光纖半環對應的第一數字量、D' 2 SN匝第二光纖半環對應的第二數字量。在現場安裝後，兩路敏感環組成閉合環路，穿過環路的電流值I將同時被兩路互感器所測量，即I1=I2=I,則可由式(5)計算I值的大小
權利要求
1.一種全光纖電流互感器，其特徵在於，所述裝置包括光源、總耦合器、信號處理單兀、第一光電探測器、第一稱合器、第一偏振器、第一調製器、第一保偏光纖延遲線圈和第一光纖半環，第一光纖半環包括第一 λ/4波片、第一敏感光纖半環和第一反射鏡； 第二光電探測器、第二耦合器、第二偏振器、第二調製器、第二保偏光纖延遲線圈和第二光纖半環，第二光纖半環包括第二 λ /4波片、第二敏感光纖半環和第二反射鏡； 光源發出的光經總耦合器分為兩束，分別輸入第一耦合器和第二耦合器； 第一稱合器的一端與第一偏振器、第一調製器、第一保偏光纖延遲線圈、第一 λ /4波片、第一敏感光纖半環、第一反射鏡順序連接，第一耦合器的另一端第一光電探測器連接，第一光電探測器連接信號處理單元，信號處理單元分別連接第一調製器和第二調製器； 第二耦合器的一端與第二偏振器、第二調製器、第二保偏光纖延遲線圈、第二 λ /4波片、第二敏感光纖半環、第二反射鏡順序連接，第二耦合器的另一端第二光電探測器連接，第二光電探測器連接信號處理單元； 第一反射鏡置於第二 λ/4波片末端,第二反射鏡置於第一 λ/4波片末端。
2.根據權利要求I所述全光纖電流互感器，其特徵在於，所述第一反射鏡置於第二λ /4波片末端包括 第一反射鏡距離第一 L型連接件的長端為Μ，第一反射鏡的法線方向與第一 L型連接件的短端平行； 第二 λ/4波片位於第二 L型連接件的短端上表面，第二 λ/4波片的末端距離第二 L型連接件的長端為M ； 第一 L型連接件與第二 L型連接件的短端緊密結合，第一 L型連接件與第二 L型連接件的長端緊密結合； 第一 L型連接件與第二 L型連接件的短端長度相同，第一 L型連接件與第二 L型連接件的長端長度相同。
3.根據權利要求I所述全光纖電流互感器，其特徵在於，所述第二反射鏡置於第一λ /4波片末端包括 第二反射鏡距離第三L型連接件的長端為Μ，第二反射鏡的法線方向與第三L型連接件的短端平行； 第一 λ/4波片位於第四L型連接件的短端上表面，第一 λ/4波片的末端距離第四L型連接件的長端為M ； 第三L型連接件與第四L型連接件的短端緊密結合，第三L型連接件與第四L型連接件的長端緊密結合； 第三L型連接件與第四L型連接件的短端長度相同，第三L型連接件與第四L型連接件的長端長度相同。
4.一種測量電流的方法，其特徵在於，所述方法包括 由第一光纖半環對應的第一數字量，對第一光纖半環中電流強度進行標校得到第一標度因數； 由第二光纖半環對應的第二數字量，對第二光纖半環中電流強度進行標校得到第二標度因數； 根據第一標度因數、第二標度因數、第一數字量和第二數字量計算通過第一光纖半環和第二光纖半環中的電流強度。
5.根據權利要求4所述測量電流的方法，其特徵在於，所述由第一光纖半環對應的第一數字量，對第一光纖半環中電流強度進行標校得到第一標度因數包括 第一數字量與單匝第一光纖半環中電流強度的比值等於第一標度因數； 所述由第二光纖半環對應的第二數字量，對第二光纖半環中電流強度進行標校得到第二標度因數包括 第二數字量與單匝第二光纖半環中電流強度的比值等於第二標度因數。
6.根據權利要求4所述測量電流的方法，其特徵在於，所述由第一光纖半環對應的第一數字量，對第一光纖半環中電流強度進行標校得到第一標度因數包括 N匝第一光纖半環對應的第一數字量與N匝第一光纖半環中電流強度的比值等於第一標度因數，N彡2 ; 所述由第二光纖半環對應的第二數字量，對第二光纖半環中電流強度進行標校得到第二標度因數包括 N匝第二光纖半環對應的第二數字量與N匝第二光纖半環中電流強度的比值等於第二標度因數。
7.根據權利要求4所述測量電流的方法，其特徵在於，所述根據第一標度因數、第二標度因數、第一數字量和第二數字量計算通過第一光纖半環和第二光纖半環中的電流強度包括 通過第一光纖半環和第二光纖半環中的電流強度等於第一電流分量和第二電流分量的和； 第一電流分量等於第一數字量與2倍第一標度因數的比值，第二電流分量等於第二數字量與2倍第二標度因數的比值。
全文摘要
一種全光纖電流互感器，所述裝置包括光源、總耦合器、信號處理單元、第一光電探測器、第一耦合器、第一偏振器、第一調製器、第一保偏光纖延遲線圈和第一光纖半環，第一光纖半環包括第一λ/4波片、第一敏感光纖半環和第一反射鏡；第二光電探測器、第二耦合器、第二偏振器、第二調製器、第二保偏光纖延遲線圈和第二光纖半環，第二光纖半環包括第二λ/4波片、第二敏感光纖半環和第二反射鏡。還公開了一種測量電流的方法。應用本發明實施例後，能夠保證光纖敏感環閉合，從而在特殊情況下實現測量電流。
文檔編號G01R15/04GK102967740SQ201210501038
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月29日 優先權日2012年11月29日
發明者慄晉升 申請人:易能(中國)電力科技有限公司