CN102128967B - 三相共用超荧光光纤光源的光纤电流互感器 - Google Patents

三相共用超荧光光纤光源的光纤电流互感器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种三相共用超荧光光纤光源SFS的光纤电流互感器，该电流互感器包括超荧光光纤光源SFS、1×3单模耦合器、三端口单模环形器、Y波导集成光学相位调制器、偏振分束器、保偏延迟线、1/4波片、传感光纤、反射镜、光电探测器、光源驱动电路和信号处理单元，其中所述超荧光光纤光源SFS发出的光经1×3单模耦合器均分为3份后，分别为每一相互感器提供光功率输入，且采用三端口单模环形器、Y波导集成光学相位调制器、偏振分束器的组合来实现光路的低损耗设计。通过该电流互感器能够减小光源中心波长漂移所造成的互感器变比误差，降低对光源温控精度的要求，提高互感器的使用寿命，且光路损耗小，信号光利用率高，在相同信噪比要求下对光源输出功率的要求更低。

Description

三相共用超荧光光纤光源的光纤电流互感器
技术领域
本发明涉及光纤电流互感器领域，尤其涉及一种三相共用超荧光光纤光源的光纤电流互感器。
背景技术
电流互感器是电力***中最重要的高压设备之一。随着电力***电压等级的不断提高，传统的电磁式电流互感器在绝缘、带宽、动态范围、输出接口、安全性、重量、体积等方面暴露出了固有的缺点，而基于法拉第(Faraday)效应的萨格奈克(Sagnac)型光纤电流互感器在这些方面却有着突出的优势，是高电压大电流测量中最有前景的方案。
Sagnac型光纤电流互感器充分利用Faraday效应的非互易性和外界干扰的互易性，通过检测两束圆偏光之间的相位差来检测电流，结合非互易的相位调制技术，能够在干涉测量时达到很高的精度，其主要光路方案包括环形干涉仪结构和反射式结构。
其中，基于Sagnac环形干涉仪的光纤电流互感器通过检测两束反向传输的旋向相同的圆偏光之间的相位差来检测电流。该方案存在工程应用中存在的主要问题是：需要保证两个1/4波片的一致性，工艺上存在一定的难度，且受振动、Shupe效应影响比较严重；受Sagnac效应影响，对旋转敏感；电流灵敏度也仅是反射式光纤电流互感器的一半。而反射式Sagnac型光纤电流互感器采用共光路设计，通过检测两束同向传输的旋向正交的圆偏光之间的相位差来检测电流，良好的互易性保证了互感器对外界环境干扰(如振动、shupe效应、Sagnac效应)具有更强的免疫能力，电流灵敏度是环形干涉仪方案的2倍；因此，反射式Sagnac型光纤电流互感器已成为Sagnac型光纤电流互感器的主流方案。
但在现有技术方案中，反射式Sagnac型光纤电流互感器存在光路损耗大，信号光利用率低等问题，由于普遍采用超辐射发光二极管(SLD)作为光源，其效率较低，出光功率不高且寿命有限，对于电力***应用显得不够。
发明内容
本发明实施例提供了一种三相共用超荧光光纤光源的光纤电流互感器，能够减小光源中心波长漂移所造成的互感器变比误差，降低对光源温控精度的要求，提高互感器的使用寿命，且光路损耗小，信号光利用率高，在相同信噪比要求下对光源输出功率的要求更低。
本发明实施例提供了一种三相共用超荧光光纤光源的光纤电流互感器，所述电流互感器包括超荧光光源SFS、1×3单模耦合器、三端口单模环形器、Y波导集成光学相位调制器、偏振分束器、保偏延迟线、1/4波片、传感光纤、反射镜、光电探测器、光源驱动电路和信号处理单元，其中：
所述超荧光光纤光源SFS发出的光经1×3单模耦合器均分为3份后，分别为每一相互感器提供光功率输入，且采用三端口单模环形器、Y波导集成光学相位调制器、偏振分束器的组合来实现光路的低损耗设计；
所述三端口单模环形器用于提供一个非互易端口，连接所述光电探测器完成干涉信号的光电转换；所述Y波导集成光学相位调制器用于实现起偏、分光和相位调制功能；所述偏振分束器用于完成正交线偏光的分光和合光。
所述超荧光光纤光源SFS发出的光经1×3单模耦合器均分为3份后，其中一份光由Y波导集成光学调制器起偏变为线偏光并被均分到上下分支，经相位调制后两束线偏光经所述偏振分束器合光进入所述保偏延迟线并沿其两个正交的偏振模式传输；
所述1/4波片与所述保偏延迟线45°对轴熔接，经该1/4波片后两束正交线偏光变为两束旋向正交的圆偏光并沿所述传感光纤传输，在电流产生的磁场作用下，该两束圆偏光之间产生与被测电流成正比的相位差，并经反射镜反射后沿原路返回，相位差加倍，再次经过所述1/4波片后变为两束方向互换的正交线偏光；
经偏振分束器后，该两束正交线偏光被分开分别进入上下分支，再经Y波导集成光学相位调制器的相位调制后在其合光点处发生干涉，该干涉光经所述单模环形器进入所述光电探测器变为电信号，由所述信号处理单元进行处理并分别得到计量输出和保护输出。
所述Y波导集成光学相位调制器前完全采用单模尾纤器件，其余器件均采用保偏尾纤器件，以减小由于双折射造成的偏振非互易误差。
所述保偏延迟线用于实现线偏光的传输，其长度决定所述电流互感器***的本征频率，该长度不小于200m；
所述1/4波片将两束振动方向正交的线偏光转变为旋向正交的圆偏光，采用温度稳定性好的椭芯光纤截取器1/4或3/4拍长来实现。
所述传感光纤形成闭合环路，用于敏感被测电流信号，采用低双折射单模光纤，通过特殊缠绕方法引入圆双折射来抑制线性双折射的影响。
所述反射镜通过在所述传感光纤末端镀反射膜来实现；
所述光电探测器采用低跨阻的探测器组件，以降低噪声。
所述信号处理单元包括三个完全相同的信号检测***，完成三相互感器的闭环信号检测，其中：
每个检测***包括有前置放大电路、AD转换电路、相位调制电路，各部分在控制逻辑的协调下实现数字闭环检测。
所述信号处理单元可采用开环检测技术替代闭环检测技术，且调制波型为方波或正弦波。
所述电流互感器可采用两个单模耦合器代替1×3单模耦合器，其分光比分别为1∶2和1∶1；
且所有耦合器、环形器均可采用相应的保偏器件来替代，或采用单模耦合器和保偏环形器。
由上述所提供的技术方案可以看出，该电流互感器包括超荧光光纤光源SFS、1×3单模耦合器、三端口单模环形器、Y波导集成光学调制器、偏振分束器、保偏延迟线、1/4波片、传感光纤、反射镜、光电探测器和信号处理单元，其中：所述超荧光光纤光源SFS发出的光经1×3单模耦合器均分为3份后，分别为每一相互感器提供光功率输入，且采用三端口单模环形器、Y波导集成光学相位调制器、偏振分束器的组合来实现光路的低损耗设计；所述三端口单模环形器用于提供一个非互易端口，连接所述光电探测器完成干涉信号的光电转换；所述Y波导集成光学相位调制器用于实现起偏、分光和相位调制功能；所述偏振分束器用于完成正交线偏光的分光和合光。通过该电流互感器就能减小光源中心波长漂移所造成的互感器变比误差，降低对光源温控精度的要求，且光路损耗小，信号光利用率高，在相同信噪比要求下对光源输出功率的要求更低。
附图说明
图1为本发明实施例所提供电流互感器的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供信号处理单元的原理结构示意图；
图3为本发明实施例所举实例中控制逻辑部分的原理示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种三相共用超荧光光纤光源的光纤电流互感器，能够降低光源中心波长漂移所造成的互感器变比误差及对光源温控精度的要求，且光路损耗小，信号光利用率高，在相同信噪比要求下对光源输出功率的要求更低；同时，提出了一种三相共用光源的混偏方案，有利于抑制双折射引起的偏振非互易误差，有效提高了信号光的利用率，简化了光路结构，降低了光路损耗，提高了***的信噪比。
为更好的描述本发明实施方式，现结合附图对本发明的具体实施方式进行说明，如图1所示为本发明实施例所提供电流互感器的结构示意图，图1中该电流互感器包括超荧光光纤光源SFS、1×3单模耦合器、三端口单模环形器、Y波导集成光学相位调制器、偏振分束器、保偏延迟线、1/4波片、传感光纤、反射镜、光电探测器、光源驱动电路和信号处理单元，其中：
所述超荧光光纤光源SFS发出的光经1×3单模耦合器均分为3份后，分别为每一相互感器提供光功率输入，且采用三端口单模环形器、Y波导集成光学相位调制器、偏振分束器的组合来实现光路的低损耗设计。
由于每相互感器组成相同，工作原理也完全相同，故这里以第一相为例叙述上述电流互感器的工作原理，如图1所示：
经单模环形器1的光由Y波导1(即Y波导集成光学相位调制器)起偏变为线偏光并被均分到上下分支，经相位调制后两束线偏光经偏振分束器1合光进入保偏延迟线1并沿其两个正交的偏振模式传输；
1/4波片1与保偏延迟线45°对轴熔接，经1/4波片1后两束正交线偏光变为两束旋向正交的圆偏光并沿传感光纤1传输，在电流产生的磁场的作用下，两束圆偏光之间产生与被测电流成正比的相位差，两束圆偏光经反射镜1反射后沿原路返回，相位差加倍，再次经过1/4波片1后变为两束方向互换(原来的X偏振光变为Y偏振光，原来的Y偏振光变为X偏振光)的正交的线偏光；
再经偏振分束器1后，两束正交线偏光被分开分别进入上下分支(原来在上行分支此时进入下行分支，原来在下行分支的此时进入上行分支)，再经Y波导1的相位调制后在其合光点处发生干涉，干涉光强经单模环形器1进入光电探测器变为电信号，再由信号处理单元进行处理分别得到计量输出和保护输出，完成整个工作过程。
上述超荧光光纤光源SFS可以采用掺铒光纤光源，该掺铒光纤光源的稳定性至少优于常用的SLD一个数量级，这样就降低了光源中心波长漂移造成的变比误差，也能在一定程度上降低对光源温控精度的要求；同时其寿命长，更适合于电力***的应用背景。由于掺铒光纤光源可以输出功率很高的非偏振光，完全可以实现三相互感器共用一只光源。
另外，该电流互感器采用三端口单模环形器、Y波导集成光学相位调制器、偏振分束器的组合来实现光路的低损耗设计，上述三端口单模环形器用于提供一个非互易端口，连接所述光电探测器完成干涉信号的光电转换；所述Y波导集成光学调制器用于实现起偏、分光和相位调制功能；所述偏振分束器用于完成正交线偏光的分光和合光。
另外，在该光纤电流互感器***中，Y波导集成光学相位调制器前完全采用单模尾纤器件，其余器件均采用保偏尾纤器件，以减小由于双折射造成的偏振非互易误差。保偏延迟线用于实现线偏光的传输，其长度决定所述电流互感器***的本征频率，该长度不小于200m；所述1/4波片将两束振动方向正交的线偏光转变为旋向正交的圆偏光，采用温度稳定性好的椭芯光纤截取器1/4或3/4拍长来实现。所述传感光纤形成闭合环路，用于敏感被测电流信号，采用低双折射单模光纤，通过特殊缠绕方法引入圆双折射来抑制线性双折射的影响。所述反射镜通过在所述传感光纤末端镀反射膜来实现；所述光电探测器采用低跨阻的PIN-FET组件，以降低噪声。
上述整个光路除光源外对其它器件均不采用任何复用技术，不会影响每相互感器原有的测量精度。
上述信号处理单元包括三个完全相同的信号检测***，完成三相互感器的闭环信号检测，如图2所示为本发明实施例所提供信号处理单元的原理结构示意图，图2中：信号处理单元包括三个完全相同的信号检测***，每个检测***包括有前置放大电路、AD转换电路、相位调制电路，各部分在控制逻辑的协调下实现数字闭环检测。
下面以具体的实例来对上述信号处理单元的工作过程进行详细描述，如图3所示为本发明实施例所举实例中控制逻辑部分的原理示意图，图3中包括时序控制器、相关解调器、数字积分器、方波发生器、阶梯波发生器、加法器、数字滤波器和标定单元，其中：
以第一相为例来叙述信号处理单元的工作过程，在公共时钟CLK作用下，时序控制器1产生各部分所需的时序信号，光电探测器输出信号S1经前置放大器1放大、在时钟信号Cad1控制下，由AD1转换产生数字量Dad1，相关解调器1利用数字量Dad1给出开环输出，形成闭环反馈的误差信号。
该误差由数字积分器1累加形成相位台阶，一方面经数字滤波器1滤波后形成互感器的计量输出和保护输出，根据IEC60044-8的要求，额定电流作用下二者之间的比例为11585∶463，因此需要对输出进行标定。另一方面，通过阶梯波发生器1累加形成数字阶梯波，与方波发生器1产生的调制方波累加形成调制信号Dda1；在时钟信号Cda1的控制下，经DA1、功放1形成调制电压V1，作用于Y波导1形成闭环反馈。
阶梯波与方波完全同步，每个相位台阶持续时间为该相互感器的渡越时间，等于方波的半个周期。另外，为降低光源强度噪声影响，采用过调制技术提高***信噪比，偏置调制的峰值相位选择在(π/2，π)。
在具体实现过程中，上述信号处理单元可采用开环检测技术替代闭环检测技术，且调制波型为方波或正弦波。根据Y波导输出尾纤和偏振分束器分光端口两根尾纤所用工作轴(快轴或慢轴)的不同，它们之间的对轴角度可以分为三种情况：均0°、均90°、一个0°而另一个90°。
另外，所述电流互感器可采用两个单模耦合器代替1×3单模耦合器，其分光比分别为1∶2和1∶1；且所有耦合器、环形器均可采用相应的保偏器件来替代，或采用单模耦合器和保偏环形器。
通过上述电流互感器技术方案的实施，可以减小光源中心波长漂移所造成的互感器变比误差，降低对光源温控精度的要求，提高互感器的寿命，且光路损耗小，信号光利用率高，在相同信噪比要求下对光源输出功率的要求更低；同时，提出了一种三相共用光源的混偏方案，有利于抑制双折射引起的偏振非互易误差。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种三相共用超荧光光纤光源的光纤电流互感器，其特征在于，所述电流互感器包括超荧光光纤光源SFS、1×3单模耦合器、三端口单模环形器、Y波导集成光学相位调制器、偏振分束器、保偏延迟线、1/4波片、传感光纤、反射镜、光电探测器和信号处理单元，其中：
所述超荧光光纤光源SFS发出的光经1×3单模耦合器均分为3份后，分别为每一相互感器提供光功率输入；
采用三端口单模环形器、Y波导集成光学相位调制器、偏振分束器的组合来实现光路的低损耗设计；
所述三端口单模环形器用于提供一个非互易端口，连接所述光电探测器完成干涉信号的光电转换；所述Y波导集成光学相位调制器用于实现起偏、分光和相位调制功能；所述偏振分束器用于完成正交线偏光的分光和合光。
2.如权利要求1所述的光纤电流互感器，其特征在于，
所述超荧光光纤光源SFS发出的光经1×3单模耦合器均分为3份后，其中一份光由Y波导集成光学相位调制器起偏变为线偏光并被均分到上下分支，经相位调制后两束线偏光经所述偏振分束器合光进入所述保偏延迟线并沿其两个正交的偏振模式传输；
所述1/4波片与所述保偏延迟线45°对轴熔接，经该1/4波片后两束正交线偏光变为两束旋向正交的圆偏光并沿所述传感光纤传输，在电流产生的磁场作用下，该两束圆偏光之间产生与被测电流成正比的相位差，经反射镜反射后沿原路返回，相位差加倍，再次经过所述1/4波片后变为两束方向互换的正交线偏光；
经偏振分束器后，该两束正交线偏光被分开分别进入上下分支，再经Y波导集成光学相位调制器的相位调制后在其合光点处发生干涉，该干涉光经所述单模环形器进入所述光电探测器变为电信号，由所述信号处理单元进行处理并分别得到计量输出和保护输出。
3.如权利要求1所述的光纤电流互感器，其特征在于，所述Y波导集成光学相位调制器前完全采用单模尾纤器件，其余器件均采用保偏尾纤器件，以减小由于双折射造成的偏振非互易误差。
4.如权利要求1所述的光纤电流互感器，其特征在于，
所述保偏延迟线用于实现线偏光的传输，其长度决定所述电流互感器***的本征频率，该长度不小于200m；
所述1/4波片将两束振动方向正交的线偏光转变为旋向正交的圆偏光，采用温度稳定性好的椭芯光纤截取其1/4或3/4拍长来实现。
5.如权利要求1所述的光纤电流互感器，其特征在于，
所述反射镜通过在所述传感光纤末端镀反射膜来实现；
所述光电探测器采用低跨阻的探测器组件，以降低噪声。
6.如权利要求1所述的光纤电流互感器，其特征在于，所述信号处理单元包括三个完全相同的信号检测***，完成三相互感器的闭环信号检测，其中：
每个检测***包括有前置放大电路、AD转换电路、相位调制电路，各部分在控制逻辑的协调下实现数字闭环检测。
7.如权利要求6所述的光纤电流互感器，其特征在于，
所述信号处理单元可采用开环检测技术替代闭环检测技术，且调制波型为方波或正弦波。
8.如权利要求1所述的光纤电流互感器，其特征在于，所述电流互感器采用两个单模耦合器代替1×3单模耦合器，其分光比分别为1∶2和1∶1；
且1×3单模耦合器、三端口单模环形器均采用相应的保偏器件来替代，或采用单模耦合器和保偏环形器。
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