CN101354409B - 一种光学电流传感器 - Google Patents
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Abstract
一种光学电流传感器，涉及电流检测设备。本发明主要包括集磁环光学传感头、偏振光***、信号检测***、电源四大部分。由于本发明具有灵敏度高、响应快、测量精确度高、成本低，可实时在线监测被测导体的电流幅值和频率的变化，便于与数字化设备连接，实现计算机实时在线监测等特点，故本发明可广泛应用于电力***输电电流及大型工矿企业用电电流的检测，特别适用于高压及超特高压电网的电流检测。
Description
技术领域
本发明属于电流检测技术领域，特别涉及电流检测设备。
背景技术
随着电力***的发展，***容量不断增加，电网运行电压等级也越来越高。电流互感器作为电力***中进行电能计量、继电保护和控制与监视的重要设备，其准确度及可靠性与电力***的安全、可靠和经济运行密切相关。
目前国内用于电力工业电流计量与线路故障防护的电流互感器，均为传统的油浸电磁式电流互感器，越来越呈现出由于其工作原理所决定的技术上难以解决的困难：随着电压等级提高，增大了绝缘难度，致使绝缘结构复杂，体积、重量更大，安装、运输不便，且成本上升、造价高；由于铁心磁特性所限，在某些较大的工作电流或故障电流作用下会发生铁心严重饱和，导致测量结果出现不容许的偏差，给电力***提供错误信息；电流互感器在运行中，当输出端突然开路时，输出端会感应高电压，导致绝缘故障或危及其它设备及工作人员的安全；由于内部充以矿物油作为绝缘和散热介质，存在着突然失效(如：绝缘击穿)而导致燃烧、***的危险，对周围设备及工作人员构成潜在威胁；若增大磁路长度、二次侧负载、铁心消耗的电流都会影响测量精度；不易与数字设备连接等缺点，越来越难以适应现代电力***发展的需求。
近年发展起来的光学电流传感器，如专利号为ZL99254692.6“一种光学电流传感器”专利，主要包括光源、光学玻璃传感头、光学入射透镜、起偏器、偏振分束棱镜、输入光纤、信号输出光纤、电子线路组件等。该传感器采用光学玻璃作为传感头，其主要的缺点是：光学玻璃传感头加工难度大、易碎且成本高；光在磁光玻璃材料中反射引入的反射相移和磁光玻璃材料因温度变化引起的应力双折射，都会使线偏振光变成椭圆偏振光，产生不必要的光强变化，引起偏差，从而影响测量***的性能；磁光玻璃的维尔德(Verdet)常数较低，影响测量***的灵敏度。
发明内容
本发明的目的是针对现有光学电流传感器的不足之处，提供一种光学电流传感器，具有成本低，对磁场响应灵敏度高、响应快，不存在双折射效应，能有效地提高***的测量精度等特点。
本发明的目的是这样实现的：一种光学电流传感器，主要包括传感头、偏振光***、信号检测***、电源等。传感头为集磁环光学传感头，由集磁环和液体池及铁磁流体组成。集磁环为牌号1511或1512的电工钢片开口圆环，开口圆环的内径为90～94mm、厚度为30～40mm、宽度为20～40mm，开口气隙的宽度为9.9～10.1mm，在集磁环的两开口端并对准端面中心处，分别设置一个边长为1.8～2.2mm的正方形小孔，以便分别***偏振光***的输入光纤的插针及输出光纤的插针。两个正方形小孔的中心与液体池的前框架中心处嵌入的法兰中心及后框架中心处嵌入的法兰中心在一条直线上，从而使输入光和输出光能够穿过集磁环并实现光耦合。液体池设置在集磁环的开口气隙处，液体池依次由前框架、窗片框架、前垫片、前窗片、间隔片、后窗片、后垫片、后框架构成。前、后框架为中心有圆形小孔的非导磁金属片，其间通过螺杆和螺帽固接，并将其间的窗片框架和前、后垫片及前、后窗片以及间隔片夹紧固接。前、后窗片为氟化钙晶体薄片。前、后垫片为中心有方孔的氯丁橡胶片。窗片框架为外形呈
形、中心小孔呈“工”形的非导磁金属框架。间隔片为中心有方孔的聚四氟乙烯薄片，间隔片的厚度为6～50μm。前垫片、前窗片、间隔片、后窗片、后垫片依次放入窗片框架内。市购的铁磁流体，先用蒸馏水稀释为质量浓度为2～31.2％的铁磁流体，后注入窗片框架内的由前、后窗片夹持间隔片的中心方孔所形成的容器内。被测导体穿过集磁环的中心，当被测导体有电流通过时，根据电磁感应原理，在集磁环中就形成与被测电流成正比例磁场，该磁场通过液体池中的铁磁流体，铁磁流体在该磁场作用下，使偏振光***的输入光纤的插针输入的线偏振光的电场矢量(根据麦克斯韦理论：光是某一波段的电磁波，因此光分为电场和磁场分量)的角度发生旋转，该旋转角的大小与集磁环形成的磁场成正比例，即与被测导体的电流大小成正比例。
偏振光***主要由光源、准直镜、起偏器步进电机和起偏器、耦合透镜、第一塑料板和第一调整架、输入光纤、输出光纤、第二塑料板和第二调整架、检偏器和检偏器步进电机、电控箱等组成。其中光源、准直镜、起偏器步进电机和起偏器、耦合透镜、检偏器和检偏器步进电机以及信号检测***的光电探测器，依次固接在暗盒内。该暗盒用以遮挡外界杂散光输入，提高检测的精确度。光源为半导体激光器，半导体激光器通过导线与激光驱动电源连接，产生稳定性较高的波长为648～652nm、输出功率为3～5.1mw的单色光源。准直镜为普通光学玻璃凸透镜，设置在光源的后面，将光源射出的发散光汇聚为平行光。起偏器步进电机设置在准直镜的后面，在起偏器步进电机的中心处固接起偏器，起偏器为格兰棱镜，将准直镜出射的非线偏振光变成线偏振光。耦合透镜为梯度折射率透镜，设置在起偏器的后面，将起偏器出射的线偏振光耦合进入输入光纤。输入光纤为保偏光纤，其一端通过插针，***设置在暗盒内的耦合透镜后面的固接于第一调整架上的第一塑料板中心处嵌入的第一陶瓷法兰中，通过第一调整架调节第一塑料板，以保证从耦合透镜传输过来的光信号耦合进入输入光纤；其另一端通过插针，***液体池的前框架中心处嵌入的第二陶瓷法兰中，以便将起偏器出射的线偏振光传输进入集磁环开口气隙的液体池中。输出光纤为保偏光纤，其一端通过插针，***液体池的后框架中心处嵌入的第三陶瓷法兰中，其另一端通过插针，***设置在暗盒内的检偏器前面的固接于第二调整架上的第二塑料板中心处嵌入的第四陶瓷法兰中，通过第二调整架调节第二塑料板，以保证被测导体所载电流产生的集磁环中的磁场作用后的线偏振光经输出光纤垂直射入检偏器。检偏器为格兰棱镜，固接在检偏步进电机的中心处，以便检测输出光纤传输来的光信号。电控箱通过电缆线分别与起偏器步进电机、检偏器步进电机、工业计算机连接，电控箱通过信号线接受工业计算机信号，并控制起偏器步进电机和检偏器步进电机的旋转，从而调节起偏器和检偏器透光轴的夹角。
信号检测***由光电探测器、数据采集卡、工业计算机组成。光电探测器为市购集成件，装设在暗盒内的检偏器步进电机的后面，市购集成块光电探测器由光电二极管电源、光电二极管、I/V变换电路、极性反置电路和无源低通滤波电路构成，光电探测器的电源由光电探测器电源供给，光电探测器通过信号线与数据采集卡连接，以便将检测到的输出光纤传送来的光信号转换为电信号，并通过I/V变换、极性反置及低通滤波后，使其输出的电压信号Uout与被测导体的电流信号I成正比例关系，再传送给数据采集卡。光电探测器选用的是S3590-08光电二极管，其探测的波长范围为320～1100nm，突出的特点是暗电流小(2nA)、光敏度大(0.46A/W)且响应频率高(达40MHz)。数据采集卡采用的是NIUSB6211数据采集卡，其最高采样频率为400Ks/s，垂直分辨率达16bit，数据采集卡的工作电源由数据采集卡电源供给，数据采集卡通过USB接口直接与工业计算机相连，工业计算机在其相应的软件上直接表示电流的波形，读出电流的幅值和频率的数值。
电源为220V通用电源，通用电源通过导线分别与激光驱动电源、电控箱、光电探测器电源、及数据采集卡电源和工业计算机的电源连接。
本发明的工作过程：当光学电流传感器开始工作时，光源发出的光通过准直镜转变成平行光，该平行光又通过起偏器，转变成线偏振光然后经耦合透镜耦合进入输入光纤，线偏振光在被测导体所载电流产生的集磁环中的磁场作用下，通过液体池中的铁磁流体，使线偏振光电场矢量的角度发生旋转(根据法拉第效应)，由铁磁流体出射的光耦合进入输出光纤，从输出光纤出射的光经检偏器进入光电探测器转换成电信号，经I/V变换，极性反置，低通滤波后，输出的电压信号Uout与被测导体中的电流强度成正比例关系，将该电压Uout输出信号送入工业计算机，在相应的软件上显示波形和读出数据，从而完成了光学电流传感器的测量任务。
本实用新型采用上述技术方案后，主要有以下效果：
1、由于铁磁流体具有超顺磁性，无磁滞，响应时间快，因此本发明光学电流传感器能实时在线检测电流幅值和频率的变化。
2、由于铁磁流体本身维尔德常数大，从而提高了本发明光学电流传感器的灵敏度。
3、铁磁流体不存在磁光玻璃加工工艺引起的会随外界温度变化的应力双折射，从而提高了本发明光学电流传感器的精度。
4、铁磁流体加工工艺成熟，成本低，可广泛应用于光学电流电流传感器的研制。
5、本发明光学电流传感器容易与数字设备连接，便于利用计算机进行实时在线监测。
本发明可广泛应用于电力***的输电电流及大型工矿用电企业的电流测量，特别适用于超特高压电网的电流测量。
附图说明
图1为本发明的去掉暗盒后的结构示意图；
图2为本发明的液体池的外观图；
图3为图2的A-A剖视图；
图4为本发明液体池的放大的结构分解示意图；
图5为本发明中光电探测器的电路原理图。
图中：1被测导体，2集磁环，3液体池，5、9塑料板，8、12插针，13输入光纤，14输出光纤，15光源，16准直镜，17起偏器步进电机，18起偏器，19耦合透镜，20检偏器步进电机，21检偏器，22光电探测器，24数据采集卡，25工业计算机，26激光驱动电源，27电控箱，28光电探测器电源，29数据采集卡电源，30通用电源，31前框架，32窗片框架，33前垫片，34前窗片，35间隔片，36后窗片，37后垫片，38后框架39螺帽，40光电二极管电源，41光电二极管，42 I/V变换电路，43极性反置电路，44无源低通滤波器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明进一步说明。
实施例1
如图1～5所示，一种光学电流传感器，主要包括传感头、偏振光***、信号检测***、电源等。传感头为集磁环光学传感头，由集磁环2和液体池3及铁磁流体组成。集磁环为牌号1511的电工钢片开口圆环，开口圆环的内径为90mm、厚度为30mm、宽度为20mm，开口气隙的宽度为9.9mm，在集磁环2的两开口端并对准端面中心处，分别设置一个边长为1.8mm的正方形小孔，以便分别***偏振光***的输入光纤13的插针8及输出光纤14的插针12。两个正方形小孔的中心与液体池3的前框架31中心处嵌入的法兰中心及后框架38中心处嵌入的法兰中心在一条直线上，从而使输入光和输出光能够穿过集磁环2并实现光耦合。液体池3设置在集磁环2的开口气隙处。液体池3依次由前框架31、窗片框架32、前垫片33、前窗片34、间隔片35、后窗片36、后垫片37、后框架38构成，前、后框架31、38为中心有圆形小孔的非导磁金属片，其间通过螺杆和螺帽39固接，并将其间的窗片框架32和前、后垫片33、37及前、后窗片34、36以及间隔片35夹紧固接。前、后窗片34、36为氟化钙晶体薄片。前、后垫片33、37为中心有方孔的氯丁橡胶片。窗片框架32为外形呈
形、中心小孔呈“工”形的非导磁金属框架。间隔片35为中心有方孔的聚四氟乙烯薄片，间隔片35的厚度为6μm。前垫片33、前窗片34、间隔片35、后窗片36、后垫片37依次放入窗片框架32内。市购的铁磁流体，先用蒸馏水稀释成质量浓度为2％的铁磁流体，后注入窗片框架32内的由前、后窗片34、36夹持间隔片35的中心方孔所形成的容器内。被测导体1穿过集磁环2的中心，当被测导体1有电流通过时，根据电磁感应原理，在集磁环2中就形成与被测电流1成正比例磁场，该磁场通过液体池3中的铁磁流体，铁磁流体在该磁场作用下，使偏振光***的输入光纤13的插针8输入的线偏振光的电场矢量(根据麦克斯韦理论：光是某一波段的电磁波，因此光分为电场和磁场分量)的角度发生旋转，该旋转角的大小与集磁环2形成的磁场成正比例，即与被测导体1的电流大小成正比例。
偏振光***主要由光源15、准直镜16、起偏器步进电机17和起偏器18、耦合透镜19、第一塑料板5和第一调整架、输入光纤13、输出光纤14、第二塑料板9和第二调整架、检偏器21和检偏器步进电机20、电控箱27等组成。其中光源15、准直镜16、起偏器步进电机17和起偏器18、耦合透镜19、检偏器21和检偏器步进电机20以及信号检测***的光电探测器22，依次固接在暗盒内。该暗盒用以遮挡外界杂散光输入，提高检测的精确度。光源15为半导体激光器，半导体激光器通过导线与激光驱动电源26连接，产生稳定性较高的波长为648nm，输出功率为5.1mw的单色光源。准直镜16为普通光学玻璃凸透镜，设置在光源15的后面，将光源15射出的发散光汇聚为平行光。起偏器步进电机17设置在准直镜16的后面，在起偏器步进电机17的中心处固接起偏器18，起偏器18为格兰棱镜，将准直镜16出射的非线偏振光变成线偏振光。耦合透镜19为梯度折射率透镜，设置在起偏器18的后面，将起偏器18出射的线偏振光耦合进入输入光纤13。输入光纤13为保偏光纤，其一端通过插针8，***设置在暗盒内的耦合透镜19后面的固接于第一调整架上的第一塑料板5中心处嵌入的第一陶瓷法兰中，通过第一调整架调节第一塑料板5，以保证从耦合透镜19传输过来的光信号耦合进入输入光纤13；其另一端通过插针8，***液体池3的前框架31中心处嵌入的第二陶瓷法兰中，以便将起偏器18出射的线偏振光传输进入集磁环2开口气隙的液体池3中。输出光纤14为保偏光纤，其一端通过插针12，***液体池3的后框架38中心处嵌入的第三陶瓷法兰中，其另一端通过插针12，***设置在暗盒内的检偏器21前面的固接于第二调整架上的第二塑料板9中心处嵌入的第四陶瓷法兰中，通过第二调整架调节第二塑料板9，以保证被测导体1所载电流产生的集磁环2中的磁场作用后的线偏振光经输出光纤14垂直射入检偏器21。检偏器21为格兰棱镜，固接在检偏步进电机20的中心处，以便检测输出光纤14传输来的光信号。电控箱27分别通过电缆线，分别与起偏器步进电机17、检偏器步进电机20、工业计算机25连接，电控箱27通过信号线接受工业计算机25信号并控制起偏器步进电机17和检偏器步进电机20的旋转，从而调节起偏器18和检偏器21透光轴的夹角。
信号检测***由光电探测器22、数据采集卡24、工业计算机25组成。光电探测器22为市购集成件，装设在暗盒内的检偏器步进电机20的后面，市购集成块光电探测器22由光电二极管电源40、光电二极管41、I/V变换电路42、极性反置电路43和无源低通滤波电路44构成，光电探测器22的电源由光电探测器电源28供给，光电探测器22通过信号线与数据采集卡24连接，以便将检测到的输出光纤14传送来的光信号转换为电信号，并通过I/V变换、极性反置及低通滤波后，使其输出的电压信号Uout与被测导体1的电流信号I成正比例关系，再传送给数据采集卡24。光电探测器22选用的是S3590-08光电二极管，其探测的波长范围为320～1100nm，突出的特点是暗电流小(2nA)、光敏度大(0.46A/W)且响应频率高(达40MHz)。数据采集卡24采用的是NIUSB6211数据采集卡，其最高采样频率为400Ks/s，垂直分辨率达16bit，数据采集卡24的工作电源由数据采集卡电源29供给，数据采集卡24通过USB接口直接与工业计算机25相连，工业计算机25在其相应的软件上可直接表示电流的波形，读出电流的幅值和频率的数值。
电源为220V通用电源30，通用电源30分别通过导线分别与激光驱动电源26、电控箱27、和光电探测器电源28及数据采集卡电源29和工业计算机25的电源连接。
实施例2
一种光学电流传感器，同实施例1，特征是：集磁环光学传感头的集磁环为牌号1512的电工钢片开口圆环，开口圆环的内径为92.4mm、厚度为35mm、宽度为30mm，开口气隙的宽度为10mm，正方形小孔的边长为2mm，间隔片35的厚度为25μm。铁磁流体稀释成质量浓度为10％的铁磁流体。偏振光***的半导体激光器光源产生稳定性较高的波长为650nm、输出功率为5mw的单色光源。
实施例3
一种光学电流传感器，同实施例1，特征是：集磁环光学传感头的集磁环牌号为1512的电工钢片开口圆环，开口圆环的内半径为94mm、厚度为40mm、宽度为40mm，开口气隙的宽度为10.1mm，正方形小孔的边长为2.2mm，间隔片35的厚度为50μm，铁磁流体的质量浓度为31.2％的铁磁流体。半导体激光器光源产生稳定性较高的波长为652nm，输出功率为3mw的单色光源。
Claims (4)
1.一种光学电流传感器，主要包括传感头、偏振光***、信号检测***、电源，其特征在于传感头为集磁环光学传感头，由集磁环(2)和液体池(3)及铁磁流体组成，集磁环(2)为牌号1511或1512的电工钢片开口圆环，开口圆环的内径为90～94mm、厚度为30～40mm、宽度为20～40mm，开口气隙的宽度为9.9～10.1mm，在集磁环(2)的两开口端并对准端面中心处，分别设置一个边长为1.8～2.2mm的正方形小孔，两个正方形小孔的中心与液体池(3)的前框架(31)中心处嵌入的法兰中心及后框架(38)中心处嵌入的法兰中心在一条直线上，液体池(3)设置在集磁环(2)的开口气隙处，液体池(3)依次由前框架(31)、窗片框架(32)、前垫片(33)、前窗片(34)、间隔片(35)、后窗片(36)、后垫片(37)、后框架(38)构成，前、后框架(31)、(38)为中心有圆形小孔的非导磁金属片，其间通过螺杆和螺帽(39)固接，并将其间的窗片框架(32)和前、后垫片(33)、(37)及前、后窗片(34)、(36)以及间隔片(35)夹紧固接，前、后窗片(34)、(36)为氟化钙晶体薄片，前、后垫片(33)、(37)为中心有方孔的氯丁橡胶片，窗片框架(32)为外形呈
形、中心小孔呈形的非导磁金属框架，间隔片(35)为中心有方孔的聚四氟乙烯薄片，间隔片(35)的厚度为6～50μm，前垫片(33)、前窗片(34)、间隔片(35)、后窗片(36)、后垫片(37)依次放入窗片框架(32)内，市购的铁磁流体，先用蒸馏水稀释成质量浓度为2～31.2％的铁磁流体，后注入窗片框架(32)内的由前、后窗片(34)、(36)夹持间隔片(35)的中心方孔所形成的容器内，被测导体(1)穿过集磁环(2)的中心，偏振光***主要由光源(15)、准直镜(16)、起偏器步进电机(17)和起偏器(18)、耦合透镜(19)、第一塑料板(5)和第一调整架、输入光纤(13)、输出光纤(14)、第二塑料板(9)和第二调整架、检偏器(21)和检偏器步进电机(20)、电控箱(27)组成，其中光源(15)、准直镜(16)、起偏器步进电机(17)和起偏器(18)、耦合透镜(19)、检偏器(21)和检偏器步进电机(20)以及信号检测***的光电探测器(22)，依次固接在暗盒内，光源(15)为半导体激光器，半导体激光器通过导线与激光驱动电源(26)连接，产生稳定性较高的波长为648～652nm、输出功率为3～5.1mw的单色光源，准直镜(16)为普通光学玻璃凸透镜，设置在光源(15)的后面，起偏器步进电机(17)设置在准直镜(16)的后面，在起偏器步进电机(17)的中心处固接起偏器(18)，起偏器(18)为格兰棱镜，耦合透镜(19)为梯度折射率透镜，设置在起偏器(18)的后面，输入光纤(13)为保偏光纤，其一端通过插针(8)，***设置在暗盒内的耦合透镜(19)后面的固接于第一调整架上的第一塑料板(5)中心处嵌入的第一陶瓷法兰中，其另一端通过插针(8)，***液体池(3)的前框架(31)中心处嵌入的第二陶瓷法兰中，输出光纤(14)为保偏光纤，其一端通过插针(12)，***液体池(3)的后框架(38)中心处嵌入的第三陶瓷法兰中，其另一端通过插针(12)，***设置在暗盒内的检偏器(21)前面的固接于第二调整架上的第二塑料板(9)中心处嵌入的第四陶瓷法兰中，检偏器(21)为格兰棱镜，固接在检偏步进电机(20)的中心处，电控箱(27)通过电缆线分别与起偏器步进电机(17)、检偏器步进电机(20)、工业计算机(25)连接，信号检测***由光电探测器(22)、数据采集卡(24)、工业计算机(25)组成，光电探测器(22)为市购集成件，装设在暗盒内的检偏器步进电机(20)的后面，市购集成块光电探测器(22)由光电二极管电源(40)、光电二极管(41)、I/V变换电路(42)、极性反置电路(43)和无源低通滤波电路(44)构成，光电探测器(22)的电源由光电探测器电源(28)供给，光电探测器(22)通过信号线与数据采集卡(24)连接，光电探测器(22)选用的是S3590-08光电二极管，其探测的波长范围为320～1100nm，数据采集卡(24)采用的是NIUSB6211数据采集卡，其最高采样频率为400Ks/s，垂直分辨率达16bit，数据采集卡(24)工作电源由数据采集卡电源(29)供给，数据采集卡(24)通过USB接口直接与工业计算机(25)相连，电源为220V通用电源(30)，通用电源(30)分别通过导线分别与激光驱动电源(26)、电控箱(27)和光电探测器电源(28)、及数据采集卡电源(29)和工业计算机(25)的电源连接。
2.按照权利要求1所述的一种光学电流传感器，其特征在于集磁环光学传感头的集磁环(2)为牌号1511的电工钢片开口圆环，开口圆环的内径为90mm、厚度为30mm、宽度为20mm，开口气隙的宽度为9.9mm，正方形小孔的边长为1.8mm，间隔片(35)的厚度为6μm，铁磁流体稀释成质量浓度为2％的铁磁流体，偏振光***的半导体激光器光源产生稳定性较高的波长为650nm、输出功率为5mw的单色光源。
3.按照权利要求1所述的一种光学电流传感器，其特征在于集磁环光学传感头的集磁环(2)为牌号1512的电工钢片开口圆环，开口圆环的内径为92.4mm、厚度为35mm、宽度为30mm，开口气隙的宽度为10mm，正方形小孔的边长为2mm，间隔片(35)的厚度为25μm，铁磁流体稀释成质量浓度为10％的铁磁流体，偏振光***的半导体激光器光源产生稳定性较高的波长为650nm、输出功率为5mw的单色光源。
4.按照权利要求1所述的一种光学电流传感器，其特征在于集磁环光学传感头的集磁环(2)牌号为1512的电工钢片开口圆环，开口圆环的内半径为94mm、厚度为40mm、宽度为40mm，开口气隙的宽度为10.1mm，正方形小孔的边长为2.2mm，间隔片(35)的厚度为50μm，铁磁流体的质量浓度为31.2％的铁磁流体，半导体激光器光源产生稳定性较高的波长为652nm，输出功率为3mw的单色光源。
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| CN2008100702579A CN101354409B (zh) | 2008-09-08 | 2008-09-08 | 一种光学电流传感器 |
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