CN102105959A - 具有光纤电流传感器的发电机断路器 - Google Patents

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Abstract

在发电机断路器(3)中的电流通过绕断路器的导体(4)成环的光学传感纤维(7)的法拉第效应来被测量。该传感纤维(7)设置在传感带(29)中，传感带(29)可以安装到发电机断路器的外壳(20)或到导体(4)。该设计具有宽测量范围并且可以容易配合于新的或现有的发电机断路器。

Description

具有光纤电流传感器的发电机断路器
技术领域
本发明涉及用于设置在发电机和变压器之间并且具有电流传感器的发电机断路器(generator circuit breaker)。本发明还涉及包括发电机、变压器和这样的断路器的组件。
背景技术
发电机典型地产生大约几千伏的第一AC电压并且连接到将第一电压变换到可以是大约例如几百千伏的更高第二电压的变压器。在许多应用中，所谓的“发电机断路器”(GCB)的断路器设置在该发电机和变压器之间。
到目前为止，在GCB内的电流测量通过感应电流互感器(inductive current transformer)实现。初级绕组由GCB的传送电流路径代表。电流互感器的二次部件由铁芯和绕组根据期望的传输比构成。初级电流在该铁芯中产生磁通量并且由此在二次绕组中产生电流。
GCB的典型涵盖的电流范围从0A延至300kA，因此必须使用不同的芯以实现保护或测量目的。这是因为设计用于高电流的芯在较低电流范围不具有足够的准确度。设计用于相对低电流的芯将由高的初级电流饱和，使得变压器对于高电流变成非线性的。
常规电流互感器由于它们的铁芯因而是相对笨重的，因此，必须使用起重机用于将电流互感器安装到GCB的正面。
由于客户需求关注于传输比、重量、准确度等级和保护等级，存在很多种电流互感器，这使得标准化是不可能的。
WO2005/111633公开了光纤电流传感器的传感纤维的无应力封装和取向的概念以便例如用于在铝熔炉的高直流的精确测量。
发明内容
因此，本发明要解决的问题是提供在发电机断路器中使得电流测量更容易的概念。
该问题由与根据独立权利要求的组件结合的发电机断路器解决。因此，GCB配备有电流传感器，其包括绕GCB的导体成环的光纤和用于测量由于纤维中的法拉第效应而引起的依赖电流的光学相移的光电子模块。
该设计相比基于测量变压器(measurement transformer)的常规电流测量具有重要优势。特别地，它是轻量的，具有宽测量范围并且实现了对于大片电流范围的很大程度的标准化。
有利地，在电流传感器中使用低双折射传感纤维。
纤维可以封装在例如熔融石英的毛细管中，并且该毛细管安装在例如纤维增强环氧树脂的柔性载体带上或其中。该载体带可以安装到GCB的外壳，或它可以安装到传送电流导体(例如在GCB无外壳操作的情况下)。
传感器的光电子模块可以例如位于GCB控制柜中。
附图说明
当考虑本发明的下列详细说明时本发明将更好理解并且除上文阐述的目的外的目的将变得明显。这样的说明参照附图，其中：
图1示出发电机、变压器和具有电流传感器的GCB的组件，
图2示出光电子电流传感器的可能设计，
图3是具有纤维的两个可能地点的GCB的示意图，
图4是具有纤维的载体带的截面图，
图5是垂直于GCB的电流轴线的截面图，
图6是沿图5的线VI-VI的截面图，
图7是GCB的第二实施例的截面图，
图8是具有两个绕组的传感带的截面图，
图9是具有若干嵌入的纤维绕组的传感带的截面图，
图10是垂直于GCB的第二实施例的电流轴线的截面图，
图11是沿图10的线XI-XI的截面图，
图12是通过备选设计的夹具和适配器(adapter)的截面图，
图13是GCB的第三实施例的截面图，以及
图14是沿图13的线XIV-XIV的截面图。
具体实施方式
图1示出包括产生例如几千伏的第一AC电压V1的发电机1和将来自发电机1的电压V1转换成例如几百千伏的第二电压V2的变压器2的组件的基本设置。发电机断路器(GCB)3***发电机1和变压器2之间的线路中。GCB 3包括用于传送从发电机1到变压器2的非接地电流的导体4和用于中断该电流的开关5。此外，它配备有用于测量在导体4中的电流的电流传感器6。
电流传感器6由绕导体4成环的光学传感纤维7以及用于通过传感纤维7中的法拉第效应来测量导体4中的电流的光电子模块8形成。
电流传感器：
如上文提到的，电流传感器利用纤维7中的磁光效应(法拉第效应)。优选的传感器版本是如在图2中图示和在参考文献1-4中描述的干涉型传感器。
光电子模块8包括光源10，该光在消偏器11中去偏振，随后通过纤维耦合器12发送到偏振相位调制器13。偏振相位调制器13将光***到两个路径中，将它们中的一个发送通过90°接头14，并且将它们在保偏纤维耦合器15中再组合。具有正交偏振方向的两个所得的线性偏振光波通过保偏(pm)连接纤维16发送。pm纤维(例如，椭圆芯纤维)的短部充当四分之一波延迟器17并且将线性偏振波转换为左和右旋圆偏振波。圆形波通过传感纤维7传播，在它的远端的反射器18被反射并且然后带着交换的偏振返回。延迟器17将圆形波转换回正交线性波。电流的磁场在左和右旋圆偏振光波之间产生差分相移
Figure BPA00001309119900041
返回的线性波具有相同的相移与电流成比例。相移
Figure BPA00001309119900043
通过如从纤维陀螺仪(参考文献5，6)已知的技术来检测。
必须注意，尽管本发明不限于如在图2中示出的干涉光纤电流传感器，但也可用于其他的、特别地是偏振式传感器。在偏振式传感器中磁光效应作为线性偏振光波的旋转来检测。
传感纤维放置：
具有传感纤维7的光纤传感器头可以安装在与常规电流互感器相同的GCB内的地点处，如在图3中示出的，或它可以直接安装到GCB3内的电流传送部件。
图3示出具有采用大致上同心方式围绕轴向导体4的外壳20的GCB 3的截面图。开关5安装在SF6中断腔21中并且包括隔离开关22。该类型的装置对于技术人员是已知的。
具有传感纤维7的传感器头通过旋入提供在外壳20中的孔洞的螺钉而安装到具有塑料或金属制成的足够固定装置的GCB的外壳20。一个或多个吸震器(shock absorber)(在图3中未示出)可以放置在传感器头和外壳之间以保护传感器头避免例如在GCB的开关操作期间出现的硬震动。
图3示出分别在GCB3的输入和输出端的两个备选安装位置23a、23b。
将传感纤维7安装到处于地电势的外壳20具有下列优势：
-传感器头和进而用于该传感器头和光电子模块8之间的连接纤维16的纤维线缆处于地电势。因此，不需要耐高压线缆或绝缘杆。
-峰值温度是相对适中的。
-传感器可以安装而不干扰GCB组件。
-改装设备是可能的。
如可以从图3看到的，传感纤维7有利地安装到外壳20的内侧。
一般，在外壳20内部安装传感纤维7是有利的，因为该设置使测量的信号独立于通过外壳20的任何电流。
图5和6示出用于将传感纤维7安装到外壳20的内部的可能的实施例。如可以看到的，向内突出的凸缘24通过联接器(coupling)24a安装到外壳20(不是必须圆形的，它还可以具有矩形)并且承载支撑体25和盖子26以形成环形通道27。支撑体25是圆柱形的并且平行于外壳20延伸。在通道27中，泡沫带28安装到支撑体25并且进而承载传感带29。如下文描述的，传感纤维7设置在传感带29中。
联接器24a可以设计成例如通过允许凸缘24进行微小的轴向运动而使得它具有震动吸收性质。联接器24a和/或泡沫带28形成上文提到的吸震器。
支撑体25和/或盖子26可以是凸缘24的一体式部件或通过胶粘、上螺钉等与其附连的单独部件。
如可以在图6中特别看到的，至少一个夹具31提供成用于使传感带29保持在适当位置，并且特别地用于固定传感带的起始和末端的位置。此外，适配器32安装在外壳20内部用于将传感带29连接到连接纤维16的纤维线缆39。
图10和11示出备选实施例，其中在传感带29中的传感纤维7安装到导体4的外侧。在该实施例中，一对凸缘24a、24b从导体4向外延伸，其中支撑体25和盖子26在它们之间延伸用于形成通道27。泡沫带28也安装到支撑体25并且承载传感纤维29。连接纤维16的纤维线缆39应该是耐高压的。在高压部件附近，线缆可配备有护套以增加如从高压信号线缆已知的沿纤维线缆39的爬距。
光电子模块放置：
包括光源10、信号检测和处理单元以及接口电子设备的光电子模块8优选地位于GCB控制柜中，通常靠近GCB 3。纤维线缆保护传感器头7和电子设备8之间的连接纤维16。优选地，连接纤维16具有光学连接器使得传感器头7和电子设备可以例如在运输和安装期间分开。
传感器头设计：
a)低双折射传感纤维
如上文提到的，传感纤维7有利地封装在例如纤维增强环氧树脂的柔性传感带29中，如在参考文献1中公开的并且如在本申请的图4中示出的。裸传感纤维7(无涂层)和延迟器17容纳在细熔融石英毛细管33中，如在参考文献8中描述的。毛细管33涂有例如薄聚酰亚胺涂层以受保护并且填充有润滑剂34以避免纤维和毛细管壁之间的摩擦。毛细管嵌入在传感带29的槽36中的硅酮或树脂35中。槽36可例如具有矩形或三角形。优选地，纵向毛细管轴线在传感带29的中性面中(在带的一半厚度处)使得使带弯曲不会对毛细管产生应变。
纤维封装的该方式避免在宽范围的温度上对纤维的任何封装相关的应力，并且产生传感器的高稳定性和准确度。传感带29用作毛细管的健全机械保护并且还确保延迟器17和纤维的可再现方位角，这是高标度因数可重复性的另外的前提，参见参考文献1和参考文献9。特别地，如果延迟器17的取向偏离90°的话，限定的方位角是重要的。这样的偏离可以是制造公差的结果或可故意引入，以便在这里用于法拉第效应的温度补偿(参见下文)。
传感纤维7形成围绕导体4的整数个环路以确保传感器测量磁场的闭合路径积分。信号从而独立于磁场分布并且不受纤维线圈外部流动的电流影响。为了适当地闭合传感带，该带具有按传感纤维的长度分隔的标记或类似物。优选地，标记在或靠近传感纤维末端。传感带采用这样的方式安装在环形支撑体25上使得标记重合，即，使得它们在相同的圆周位置。夹具31保持重叠的带部分在适当的位置。泡沫带28可插进传感带29和主支撑体25之间以避免由于差别热膨胀而引起的应力。泡沫带28还用于吸收机械震动(shock)和振动(vibration)。
备选地，并且如在图7中示出的，传感带29可大致上是松弛的并且仅在一些地点由多个相隔开的、径向延伸的支撑构件37支撑，其中的一个可以是夹具31，其中夹具31用于在上文提到的标记处将环路闭合。支撑构件37保持传感带29中的传感纤维7悬置在离支撑体25一定距离处。
另外，环形盖环38可以与支撑体25同轴并且在离其一定距离处提供，其中支撑构件37在它们之间延伸。在传感带29中传感纤维7位于支撑体25和盖环38之间以供改进的机械保护。
图7的传感头可以安装到GCB3的外壳20或导体4。
优选地连接该连接纤维16的线缆39的线缆/传感带适配器32安装到盖环38或盖子26使得它还充当线缆39的应变释放器。
支撑体25和盖环38或盖子26可分别由若干部件构成，其可以在GCB组装后添加或加装。如上文提到的，支撑体25可通过震动吸收部件安装到GCB3以进一步减少传感带29经受震动和振动。
在高额定电流时，单个纤维环路可已经是足够的。如果期望更多的环路，传感带29可如在图8中示出的安装成两个或更多叠加环路，其中传感带29保持单个传感纤维7，其具有与传感带29大致上相同的长度，并且传感带29围绕导体4缠绕若干次。
备选地，传感器可仅具有传感带29的一个环路，其包含内部具有传感纤维7的毛细管的若干环路，如在图9中示出的。这里，必须确保传感纤维长度是传感带的周长的整数倍。
优选地，法拉第效应的温度依赖性(费尔德常数，7×10-5℃-1)如在参考文献10和参考文献3中描述的内在地被补偿。这里，在传感纤维7前面准备的延迟器17使得它引入对温度依赖性的额外贡献，其补偿了费尔德常数的温度依赖性。然而，对传感器的温度依赖性的另外的贡献因传感带29的热膨胀(典型地大约10-5℃-1)大于传感纤维7的热膨胀(0.5×10-6℃-1)的事实而产生。因此，纤维线圈理想地仅在某个温度、典型地在室温闭合(即，传感纤维的末端在相同的径向位置)。由于在毛细管33中的纤维不跟随传感带29的热膨胀，纤维末端在室温以下有些重叠，而在室温以上在末端之间产生小的切向间隙。重叠稍稍增加了传感器的灵敏度，而间隙稍稍减小了灵敏度。该效应从而与费尔德常数的温度依赖性相反。如果传感带29的热膨胀是10-5℃-1，则组合的温度依赖性则是6×10-5℃-1。优选地准备延迟器17使得它补偿组合的温度依赖性，即延迟器17设置成使得它的影响对应于-6×10-5℃-1。
作为环氧树脂带的备选项，传感带还可以由如在图12中示出的适当的空心管纤维线缆40形成，其中示出这样的传感器头在夹具31的区域中的径向截面。纤维线缆40再次配备有标记和/或夹具，其允许可再现地闭合纤维线圈。
线圈可再次由一个或多个环路构成。如果需要可再现的延迟器/纤维方位角，在延迟器17的地点处或附近的毛细管33安装在适当的适配器管45中。在毛细管末端处的密封41确保纤维7跟随任何适配器管和毛细管转动。闭合该环路的夹具31也限定适合的纤维方位角。
图12在它的上半部示出线缆40的线圈的起始截面(start section)，并且在它的下半部示出线缆40在一个环路后的末端截面。如可以看到的，两者共同保持在夹具31中。
b)纺成高双折射传感纤维(spun highly birefringent sensing fiber)
代替具有低固有双折射的纤维，纤维可以是如从参考文献7知道的纺成高双折射纤维。该类型的纤维比低双折射纤维更耐应力并且因此可嵌入纤维增强环氧树脂带中或被保护在无毛细管的纤维线缆中。备选地，它可采用与上文描述的低双折射纤维相同的方式嵌入毛细管中。
c)燧石玻璃纤维
另外的备选项是使用燧石玻璃纤维(参考文献11)。燧石玻璃纤维具有非常小的应力光学系数并且因此也是相当耐应力的。像纺成高双折射纤维，它可嵌入纤维增强环氧树脂带中或被保护在无毛细管的纤维线缆中。
d)退火传感纤维
在小环路直径(例如小于40-60cm的环路直径)时或如果使用更大数量的纤维环路，纤维可如在参考文献3中描述的那样来热退火。在该情况下，纤维线圈可以封装在刚性环形外罩中。
这样的实施例在图13、14中示出，其中围绕导体4延伸的环形外罩由42标示并且纤维由43标示。外罩具有面向导体4的内壁42a，面向外的外壁42b，以及垂直于其而延伸的两个轴向壁42c、42d，并且它包封用于收容纤维43或包封纤维43的毛细管的环形空间。由外壳42包封的空间可以可选地填充有嵌入材料44。
包含未退火的低双折射传感纤维、纺成高双折射传感纤维或燧石玻璃纤维的毛细管也可封装在刚性环形外罩中，即不使用传感带，这是明显的。优选地，毛细管或纤维然后嵌入例如硅凝胶或泡沫等柔软材料中。纺成高双折射传感纤维43和燧石玻璃纤维可放置在外罩42中而没有毛细管并且具有或没有任何另外的嵌入材料44。
对于冗余，传感带29可包含两个或更多传感纤维7，每个由连接纤维16连接到它自己的光电子单元。每个传感纤维7可容纳在如上文描述的单独的毛细管中，或单个毛细管可包含两个或更多传感纤维。优选地，存在用于连接纤维16的共用线缆39。在线缆的光电子设备端，个体纤维16扇形散开到个体光电子单元。
另外的备选项是存在安装在共有支撑体25上的独立传感器的两个或更多传感带。
再另外的备选项是两个或更多独立传感器头安装在5a、3a。
注意：
·这里示出的设计提供改进的若干个重要方面：
·它提供光纤电流传感器在GCB中的安装概念。
·处于地电势的传感器头设置可以用于避免需要耐高电压纤维链路。
·备选地，处于电力线电势的传感器头设置实现了在没有外壳的GCB中的应用。
·描述了设置和封装传感纤维的方法。
·示出了允许在GCB组装后安装和容易改装安装的纤维封装方法。
·电流测量用轻量光纤传感器实现，其不要求额外的装备(例如起重机)用于安装。
·整个电流范围的单个传感纤维线圈可以代替使用如在常规变压器中的若干线圈来使用。
·标准化传感器头适合所有要求。
参考文献
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部件列表
1发电机                   2变压器
3发电机断路器，GCB        4导体
5开关                     6电流传感器
7传感纤维                 8光电子模块
10光源                    11消偏器
12纤维耦合器              13相位调制器
1490°接头                15保偏纤维耦合器
16连接纤维                17分之一波延迟器
18反射器                  20外壳
21SF6中断腔               22隔离开关
23a，23b传感头的地点      24凸缘
24a联接器                 25支撑体
26盖子                    27通道
28泡沫带                  29传感带
31夹具                    32适配器
33毛细管                  34润滑剂
35硅酮/树脂               36槽
37支撑构件                38盖环
39连接纤维16的线缆        40纤维线缆
41密封                    42外罩
42a-d外罩壁               43纤维或具有纤维的毛细管
44嵌入材料                45适配器管

Claims (19)

1.一种设置在发电机(1)和变压器(2)之间的发电机断路器(3)，其包括：
用于传送来自所述发电机(1)的电流的导体(4)，
用于中断所述电流的开关(5)，以及
用于测量在所述导电部件中的电流的至少一个电流传感器(6)，
其特征在于，所述电流传感器(6)包括绕所述导体(4)成环的光学传感纤维(7)和用于通过所述传感纤维(7)中的法拉第效应测量所述电流的光电子模块(8)。
2.如权利要求1所述的发电机断路器(3)，进一步包括外壳(20)，其中所述传感纤维(7)安装到所述外壳(20)。
3.如权利要求2所述的发电机断路器(3)，其中所述传感纤维(7)安装到所述外壳(20)的内侧。
4.如权利要求1或2任一项所述的发电机断路器(3)，其中所述传感纤维(7)安装到所述导体(4)的外侧。
5.如权利要求1所述的发电机断路器(3)，进一步包括外壳(20)，其中所述传感纤维(7)安装在所述外壳(20)内部。
6.如权利要求5所述的发电机断路器(3)，包括从所述外壳(20)向内延伸的至少一个凸缘(24)，其中所述传感纤维(7)安装到所述凸缘(24)。
7.如权利要求1至6中任一项所述的发电机断路器(3)，包括从所述导体(4)向外延伸的至少一个凸缘(24a，24b)，其中所述传感纤维(7)安装到所述凸缘(24a，24b)。
8.如权利要求1至7中任一项所述的发电机断路器(3)，包括安装到所述发电机断路器(3)的环形支撑体(25)和在所述支撑体(25)和所述传感纤维(7)之间安装到所述支撑体(24)的泡沫带(28)。
9.如权利要求1至7中任一项所述的发电机断路器(3)，包括安装到所述发电机断路器(3)的环形支撑体(25)和保持所述传感纤维(7)在离所述支撑体(25)一定距离处的多个相隔开的支撑构件(37)。
10.如权利要求9所述的发电机断路器(3)，进一步包括与所述支撑体(25)同轴设置的环形盖环(38)，其中所述传感纤维(7)位于所述支撑体(25)和所述盖环(38)之间，并且特别地其中所述支撑构件(37)至少在所述支撑体(25)和所述盖环(38)之间延伸。
11.如权利要求1至10中任一项所述的发电机断路器(3)，其中所述传感纤维(7)安装到用于吸收由操作所述开关引起的震动的吸震器(24a，28)。
12.如权利要求1至11中任一项所述的发电机断路器(3)，其中所述传感纤维(7)封装在毛细管(33)中并且所述毛细管(33)安装在柔性传感带(29)中。
13.如权利要求12所述的发电机断路器(3)，包括共同保持所述载体带(29)的起始和末端截面的夹具(31)。
14.如权利要求12或13任一项所述的发电机断路器(3)，其中所述传感带(29)保持单个传感纤维(7)并且围绕导体缠绕若干次。
15.如权利要求12或13任一项所述的发电机断路器(3)，其中所述传感带(29)围绕所述导体(4)形成单个环路并且包含传感纤维(7)的若干环路。
16.如权利要求1至15中任一项所述的发电机断路器(3)，其中所述传感纤维(7)是未退火纤维、退火纤维、高双折射纺成纤维或燧石玻璃纤维。
17.如权利要求1至16中任一项所述的发电机断路器(3)，包括若干冗余传感纤维。
18.如权利要求1至17中任一项所述的发电机断路器(3)，进一步包括围绕所述导体(4)延伸并且包含传感纤维(7)或具有传感纤维(7)的毛细管(33)的环形刚性外罩(42)。
19.一种包括产生第一电压(V1)的发电机(1)和将所述第一电压(V1)转换成第二电压(V2)的变压器(2)的组件，所述组件进一步包括设置在所述发电机(1)和所述变压器(2)之间的如权利要求1至18中任一项所述的发电机断路器(3)。
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