CN102156214B - 一种双光路泄漏电流光纤传感器装置 - Google Patents

Abstract

一种双光路泄漏电流光纤传感器装置，属于电气设备污闪在线监测技术领域。本发明包括固定支架、传感器头、光纤、转换器、调制器、采集卡和计算机。主要特征是：传感器头由两个LED和两个保护电路构成，并分别通过两根光纤与转换器的两个光电探测器的硅光电二极管耦合相连，用以分别测量泄漏电流的正、负半周波，然后由转换器的差分比较电路合成为完整的全波信号。本发明具有对绝缘子串的全波进行实时在线监测，抗干扰能力强，安全性好，灵敏度和监测精度高，且安装方便，操作简便等特点。本发明可广泛用于变电站和架空输电线路的交流输电线路中绝缘子串的全波泄漏电流在线监测，尤其适用于高压交流线路的绝缘子串的全波泄漏电流在线监测。

Description

一种双光路泄漏电流光纤传感器装置

技术领域

本发明属于电气设备污闪在线监测技术领域，具体涉及变电站和架空输电线路中在线监测的绝缘子串的泄漏电流传感器装置。

背景技术

近年来，由于电力***的电气设备状态检测技术的迅速发展，高精度、高准确性、高效率的传感器不断问世并逐渐应用于电力设备的在线监测中。对于输电线路而言，绝缘子串的污闪始终都严重的威胁着电力***输电线路的安全运行，因此预防绝缘子串的污闪是电力部门保证输电线路安全运行的工作重点。由于污闪放电的发展与绝缘子串的泄漏电流密切相关，检测和分析绝缘子串的泄漏电流是染污绝缘子在线监测的一种有效手段，所以研制高精度、高准确性的绝缘子串的泄漏电流传感器装置是很重要的课题。

随着现代电力电子、光纤通讯和数字信号处理技术的发展，基于电磁感应原理的传统传感器面临着巨大的挑战，国内外已展开新型的基于光电技术的电流、电压传感器的研制。实际应用中对传感器的制作工艺要求较高，稳定性问题也未很好解决，所以给光电式电流、电压传感器的实际应用带来了极大的困难。自1970年康宁公司用高纯石英首次研制成功耗损率为0.2dB/km的光纤后，光纤通讯技术得到飞快的发展。与此同时在准确测试光纤传输信号和改进光器件性能的要求下，光纤传感技术相应地得到飞速发展。鉴于光纤传感技术具有灵敏度高、频带宽、动态范围大、可靠性强、抗电磁干扰以及能在恶劣环境下工作等独特的优势，光纤传感器正逐渐地被引入到电力***中。

现有的绝缘子串光纤电流传感器装置，如申请号为201010538230.5的“基于发光二极管的绝缘子泄漏电流光纤传感器***”专利，包括固定支架、传感器探头、光纤、光电转换器、信号调制器、数据采集卡和计算机等，其传感器探头通过国定支架固定在被监测的绝缘子串中某一片绝缘子的两端，传感器探头中的发光二极管LED将被检测的绝缘子串的泄漏电流监测出并转换为光信号，再通过光纤传输至信号调制器、数据采集卡和计算机中进行处理和分析。该电流传感器***的缺点是：传感器***采用一个基于发光二极管的传感器探头采集绝缘子串的泄漏电流，由于发光二极管具有单向导通性，因此导致该传感器仅能提取到绝缘子串泄漏电流的半个周波的信号，从而使得***检测时损失了被测绝缘子串泄漏电流波形的另外半周波信号，最终致使检测泄漏电流的信号信息不够完整，不能针对泄漏电流全波进行完整的刻画，影响了在线监测的准确性，不能满足现代电力***的电气设备的高准确性、高效率的要求。

发明内容

本发明的目的针对现有的绝缘子串的光纤电流传感器***的不足，提供一种双光路泄漏电流光纤传感器装置，该装置具有抗电磁干扰能力强，传感灵敏度高，线性度好，能够对泄漏电流全波进行实时检测，且检测泄漏电流的精度高，实时运行可靠性高，实用性强等特点。

实现本发明目的的技术方案是：一种双光路泄漏电流光纤传感器装置，主要包括固定支架、传感器头、光纤、转换器，调制器、采集卡和计算机等。与申请号为20101053823.5的“基于发光二极管的绝缘子泄漏电流光纤传感器***”专利相同，所述的传感器头通过固定支架固接在被测绝缘子串中任一片绝缘子的两端，固定在固定支架纵臂中部的传感器头中的发光二极管LED将被测绝缘子串的泄漏电流检测出并转化为光信号，经过光纤送往转换器和调制器处理后，在通过电缆传输至调度室的计算机或是便携式计算机进一步进行处理和分析。其特征是：

所述的传感器头由两个发光二极管LED1与LED2以及两个保护电路构成。所述的两个发光二极管LED1和LED2的同极性端口串联，用以分别检测被测绝缘子串的正、负半周波的泄漏电流。所述的每个保护电路由一个导通二极管D、一个稳压二极管VSD和一个放电管GDT并联构成。每个导通二极管D与发光二极管LED1或LED2反极性并联，用于疏导不能通过发光二极管的半周波泄漏电流，每个稳压二极管VSD与发光二极管LED1或LED2同极性并联，并与放电管GDT并联，用于防止发光二极管的端口承受过电压和流过大电流，从而保证其安全性和稳定性。所述的两个发光二极管LED1和LED2及保护电路封装在传感器头外壳中，分别通过两个固定在传感器头外壳的耦合器接口与两根光纤一端的耦合器接头连接，用以将两个发光二极管发出的光信号从传感器头导出进入光纤。所述的两根光纤另一端的耦合器接头分别与转换器上的两个耦合器接口相连，用以将发光二极管检测的绝缘子串泄漏电流转换出的光信号传输至转换器中的光电探测器进行处理。

所述的转换器为由两个光电探测器CA1和CA2与一个常规的差分比较电路DA构成的集成印刷电路板，因而方便安装、拆卸和携带。所述的每个光电探测器CA1或CA2均由一个硅光电二极管SPD1或SPD2和一个常规运算放大器A₁或A₂组成负反馈运算放大电路。即：每个硅光电二极管SPD1或SPD2的负极先串联电容C₁或C₂后，再与运算放大器A₁或A₂的负极输入端相连，两个硅光电二极管SPD1和SPD2的正极和运算放大器A₁和A₂的正极输入端分别接地，运算放大器A₁或A₂的负极输入端先串联反馈电阻R_f1或R_f2后再与其输出端连接而组合成一个负反馈的运算放大电路。所述的两个硅光电二极管SPD1和SPD2分别装设在前述的两根光纤另一端的两个耦合器接口处，用以分别接收所述传感器头检测的绝缘子串泄漏电流的正、负半周波进行处理。所述的两个负反馈运算放大电路的输出端，分别串联电阻R₁、R₂后再分别与差分比较电路DA的第一级运算放大器A₃和第二级运算放大器A₄的正极输入端连接，用以将两个光电探测器CA1和CA2处理后的反映绝缘子串泄漏电流的正、负半周波电流，分别传输给差分比较电路DA的第一级运算放大器A₃和第二级运算放大器A₄进行处理。两个硅光电二极管SPD1和SPD2的输出特性直接影响本发明传感器装置的输出结果。硅光电二极管对负载作用时，负载上的电流I_L0为：

$I_{L0}=I_p-I_0(e^{I_{L0}(R_s+R_L)/{\mathrm{AV}}_T}-1)-\frac{I_{L0}(R_S+R_L)}{R_d}---\left(1\right)$

其中I_p为硅光电二极管受光辐射后产生的光电流，I₀为硅光电二极管的反向饱和电流，R_s为硅光电二极管的串联电阻，R_L是负载电阻，R_d是其并联电阻，q是电子电量，k是波尔兹曼常数，Δf为工作带宽，T为绝对温度。对于硅材料，常数A≈2，V_T＝kT/q。由上式可知，其输出的负载电流与光电流并非线性关系，负载电流在短路情况下，由于R_s＜＜R_d，则：

$I_{L0}=I_P-I_0(e^{I_{L0}{R}_S/{\mathrm{AV}}_T}-1)---\left(2\right)$

当二极管的反向饱和电流很小而输出电流不大时，即I_L0R_s＜＜AV_T，可得到I_S≈I_P，即输出电流I_S与二极管的光电流I_P基本成线性，由此可知应选取R_d大、R_s小、I₀小的二极管，并要保持负载输出为短路工作状态，为此我们将硅光电二极管与负反馈运算放大器组合使用，由于负反馈运算放大器的等效输入阻抗为：

$R_{\mathrm{in}}=\left[\frac{R_f}{1+A_0}\right]//R_{\mathrm{id}}\≈\frac{R_f}{1+A_0}---\left(3\right)$

其中A₁＝A₂＝A₀为负反馈运算放大器的开环增益，R_f1＝R_f2＝R_f为反馈电阻，R_id为硅光电二极管的内阻，一般R_id的数量级在兆欧以上，A₀＞10⁶，因此R_in很小，使运算放大器的输入阻抗接近为零，从而能够保证硅光电二极管的负载电阻为零。

又由于硅光电二极管测量电流的线性度为：

$P=\frac{I_p-I_{L0}}{I_{L0}}$

$=\frac{I_0(e^{I_{L0}(R_S+R_L)/{\mathrm{AV}}_T}-1)+(R_S+R_L)I_{L0}/R_d}{I_{L0}}$ (4)

当硅光电二极管的R_s越小R_d越大，I₀越小，线性P值越小，即线性越好。在硅光电二极管负载短路时R_L＝0，且R_s＜＜R_d，则化简(4)式为：

$P=\frac{I_0}{I_{L0}}(e^{I_{L0}{R}_S/{\mathrm{AV}}_T}-1)---\left(5\right)$

由此可知，硅光电二极管与放大器的组合电路可以保证硅光电二极管在负载接近短路状态下工作，并且I_L0和R_s很小可以提高测量电流的线性度P。而其输出信噪比R_S，N在硅光电二极管负载电路短路时为：

$R_{S,N}=I_S/I_{\mathrm{ni}}=I_S/{[2q{I}_S\mathrm{\Δf}+4\mathrm{kT}(\frac{1}{R_d}+\frac{1}{R_f})+I_n^2+E_n^2(\frac{1}{R_d}+\frac{1}{R_f}{)}^2]}^{1/2}\mathrm{\Δf}---\left(6\right)$

这种光电检测电路的信噪比R_S，N在反馈电阻R_f1＜＜10⁶时随R_f的增大而明显增大，在反馈电阻R_f＞10⁶时R_S，N随R_f的增大而上升。硅光电二极管在负载电阻为零的短路状态下工作同时也大大提高了硅光电二极管的输出信噪比，从而保证了传感器装置检测微小的泄漏电流的准确性。

所述的转换器的差分比较电路DA由两级常规的运算放大器A₃和A₄构成，两级运算放大器A₃和A₄的正极输入端分别接收两个前述光电探测器CA1和CA2输出的电信号V_1out和V_2out，第一级运算放大器A₃的负极输入端通过电阻R₃接地，第一级运算放大器A₃的输出端信号

通过电阻R₄连接到第二级运算放大器A₄的输入端，第一、二级运算放大器的输出端分别通过反馈电阻R_f3和R_f4后再分别与其负极输入端连接，形成负反馈运算电路。第二级运算放大器的输出端通过电缆与调制器的后置放大器的输入端连接，用以将转换器的输出信号V_o out传输给调制器进行调制。所述的差分比较电路DA经过两级的比例运算和叠加运算，不仅可以实现信号的差分合成，而且可以将信号再一次放大，便于观测。实际中转换器中光电探测器CA1和CA2转换而来的两路电信号同为正的波信号，两者相差180度的相位，经过差分比较电路DA后合成为能够反映泄漏电流的全波信号，两个光电探测器的输出信号V_1out和V_2out作为差分比较电路的输入信号。差分比较电路的第一级输出为：

$U_{0^1\mathrm{out}}=(1+\frac{R_{f3}}{R_3})U_{1\mathrm{out}}---\left(7\right)$

利用叠加原理可得，第二级电路的输出为：

$U_{0\mathrm{out}}=-\frac{R_{f4}}{R_4}{U}_{0^1\mathrm{out}}+(1+\frac{R_{f4}}{R_4})U_{2\mathrm{out}}---\left(8\right)$

取R₃＝R_f4，R₄＝R_f3，则：

$U_{\mathrm{oout}}=(1+\frac{R_{f4}}{R_4})(U_{2\mathrm{out}}-U_{1\mathrm{out}})---\left(9\right)$

由(9)式可以得出两路信号的差分放大信号。所述的转换器的输出端为电缆接口，用于连接电缆引出经过光电转换和差分放大的信号至调制器处理。

所述的调制器为常规的后置放大器A和二阶滤波器F串联组成。调制器的输出端通过电缆与采集卡连接，采集卡通过信号线与计算机连接。调制器接收前述转换器输出的反映绝缘子串泄漏电流全波的信号V_o out，经进一步放大及滤波处理后，通过电缆传输至采集卡采集数据，最后经由采集卡的输出端的信号线将采集得到的数据传输至计算机上进行观察、记录和处理。

本发明的使用方法是：使用固定支架将传感器头固定在绝缘子串中的某一片绝缘子的两端，然后将光纤的一端耦合器接头与传感器头的输出端耦合器接口相连，将光纤合理布置，避免大幅度弯折，并使其沿着杆塔固定稳定，光纤的另一端耦合器接头连接到转换器输入端的耦合器接口上。转换器和调制器固定在输电杆塔的中下部易于安装的位置，使用信号电缆将转换器和调制器连器。最后使用信号电缆连接调制器，将信号引导至采集卡进行采集，再由信号线将信号引导至远离杆塔位置的计算机上进行观测。

本发明采用上述的技术方案后主要具有如下的效果：

1本发明的传感器头，采用两个造价低廉的发光二极管LED，将分别流过LED的绝缘子串泄漏电流的正、负半周波信号转化为光信号进行检测。因此能对绝缘子串的全波泄漏电流进行实时在线监测，使用方便，安全，易操作。

2本发明采用双光路光纤，分别将泄漏电流的正半周波和负半周波信号转化而来的光信号分别传导至转换器处理，光纤的高抗干扰能力强，能避免信号在采集和传输过程中受到高压电路中多变的强电磁干扰，同时将测量对象所在的高压端信号传送至位于低压端的信号处理电路，起到电压隔离，保证工作人员作业安全，因而本发明的抗干扰能力强，安全性高。

3本发明的转换器采用两个硅光电二极管组合放大器作为光学探测器，来检测光纤传导来的光信号。硅光电二极管和放大器组合使用能够保证硅光电二极管的负载电阻为零，从而大大降低硅光电二极管自身带来的噪声，降低硅光电二极管的线性响应偏差，提高本传感器装置测量的信噪比。

4本发明的转换器的差分比较电路采用了高输入电阻的差分比例运算电路。传感器头送来的两路光信号经过硅光电二极管转换为电信号后输入差分比较电路，经过两级比例运算电路的放大和差分作减后，信号被合成一路完整的全波信号经由电缆传输至调制器进行处理。

5本发明的调制器体积小，通过电缆与转换器连接。调制器能与转换器一同安装在输电线路的杆塔上，也可作为便携式的设备随身携带应用。调制器输出的信号可以直接送往计算机或是示波器进行记录和处理，因而本传感器装置方便安装，携带方便，实时在线监测的精度高，操作简便。

6本发明对泄漏电流的采集灵敏度高，可以准确测量到叠加有大幅值脉冲的泄漏电流全波信号，传感器的检测范围为0.2mA～80mA，频率范围为5Hz～10kHz，灵敏度约为40mV/mA。

本发明可广泛用于变电站和架空输电线路的交流线路中绝缘子串的泄漏电流的全波在线监测，特别适用于高电压等级的变电站和架空输电线路中交流线路的绝缘子串的泄漏电流的全波在线监测。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为图1的传感器头的原理电路图；

图3为图1的转换器的电路原理图；

图4为本实施例的正弦电流测试响应波形图；

图中：曲线a为函数发生器产生的正弦电流信号，作为对照，频率50HZ，曲线b为本发明测得的电压波形。

图5为本实施例的方波电流测试响应波形图；

图中：曲线a为函数发生器产生的方波电流信号，作为对照，频率50HZ，曲线b为本发明测得的电压波形。

图6为本实施例的三角波电流测试响应波形图；

图中：曲线a为函数发生器产生的三角波电流信号，作为对照，频率50HZ，曲线b为本发明测得的电压波形。

图7为本实施例的脉冲电流测试响应波形图；

图中：曲线a为经过采样电阻的脉冲电流波形，曲线b为本发明测得的电压信号波形。

图8为本实施例的测量的全量程线性度曲线图；

图9为本实施例测量0.2mA～0.8mA微弱泄漏电流的线性度曲线图；

图10为本实施例中泄漏电流光纤传感器装置的幅频响应特性曲线。

图中：1传感器头，2光纤，3转换器，4调制器，5电缆。LED1、LED2发光二极管，D导通二极管，VSD稳压二极管，GDT放电管，SPD1、SPD2硅光电二极管，R₁、R₂、R₃、R₄、R_f1、R_f2、R_f3、R_f4电阻，C₁、C₂电容，A₁、A₂、A₃、A₄、A放大器，CA1、CA2光电探测，F滤波器，I_L01、I_L02硅光电二极管输出电流。

具体实施方式

下面结合具体实施方式进一步说明本发明。

实施例

如图1～3所示，一种双光路泄漏电流光纤传感器装置，主要包括固定支架、传感器头1、光纤2、转换器3，调制器4、采集卡和计算机等。其特征是：

所述的传感器头1由两个发光二极管LED1与LED2以及两个保护电路构成。所述的两个发光二极管LED1和LED2的同极性端口串联，用以分别检测被测绝缘子串的正、负半周波的泄漏电流。所述的每个保护电路由一个导通二极管D、一个稳压二极管VSD和一个放电管GDT并联构成。每个导通二极管D与发光二极管LED1或LED2反极性并联，用于疏导不能通过发光二极管的半周波泄漏电流，每个稳压二极管VSD与发光二极管LED1或LED2同极性并联，并与放电管GDT并联，用于防止发光二极管的端口承受过电压和流过大电流，从而保证其安全性和稳定性。所述的两个发光二极管LED1和LED2及保护电路封装在传感器头1的外壳中，分别通过两个固定在传感器头外壳的耦合器接口与两根光纤2一端的耦合器接头连接，用以将两个发光二极管发出的光信号从传感器头导出进入光纤2。所述的两根光纤2另一端的耦合器接头分别与转换器3上的两个耦合器接口相连，用以将发光二极管LED检测的绝缘子串泄漏电流转换出的光信号传输至转换器3中的光电探测器进行处理。

所述的转换器3为由两个光电探测器CA1和CA2与一个常规的差分比较电路DA构成的集成印刷电路板，因而方便安装、拆卸和携带。所述的每个光电探测器CA1或CA2均由一个硅光电二极管SPD1或SPD2和一个常规运算放大器A₁或A₂组成负反馈运算放大电路。即：每个硅光电二极管SPD1或SPD2的负极先串联电容C₁或C₂后，再与运算放大器A₁或A₂的负极输入端相连，两个硅光电二极管SPD1与SPD2的正极和运算放大器A₁和A₂的正极输入端分别接地，运算放大器A₁或A₂的负极输入端先串联反馈电阻R_f1或R_f2后再与其输出端连接而组合成一个负反馈的运算放大电路。所述的两个硅光电二极管SPD1和SPD2分别装设在前述的两根光纤2另一端的两个耦合器接口处，用以分别接收所述传感器头1检测的绝缘子串泄漏电流的正、负半周波进行处理。所述的两个负反馈运算放大电路的输出端分别串联电阻R₁、R₂后再分别与差分比较电路DA的第一级运算放大器A₃和第二级运算放大器A₄的正极输入端连接，用以将两个光电探测器CA1和CA2处理后的反映绝缘子串泄漏电流的正、负半周波电流，分别传输给差分比较电路DA的第一级运算放大器A₃和第二级运算放大器A₄进行处理。两个硅光电二极管SPD1和SPD2的输出特性直接影响本发明传感器装置的输出结果。所述的两个硅光电二极管SPD1和SPD2测量下限均可达1×10^-8W，分辨率可达1×10^-12W。所述的两个常规运算放大器A₁和A₂，其开环增益均远大于10⁶。硅光电二极管对负载作用时，负载上的电流I_L0为：

$I_{L0}=I_P-I_0(e^{I_{L0}(R_S+R_L)/{\mathrm{AV}}_T}-1)-\frac{I_{L0}(R_S+R_L)}{R_d}---\left(1\right)$

其中I为硅光电二极管受光辐射后产生的光电流，I₀为硅光电二极管的反向饱和电流，R_s为硅光电二极管的串联电阻，R_L是负载电阻，R_d是其并联电阻，q是电子电量，k是波尔兹曼常数，Δf为工作带宽，T为绝对温度。对于硅材料，常数A≈2，V_T＝kT/q。由上式可知，其输出的负载电流与光电流并非线性关系，负载电流在短路情况下，由于R_s＜＜R_d，则：

$I_{L0}=I_P-I_0(e^{I_{L0}{R}_S/{\mathrm{AV}}_T}-1)---\left(2\right)$

当二极管的反向饱和电流很小而输出电流不大时，即I_L0R_s＜＜AV_T，可得到I_S≈I_P，即输出电流I_S与二极管的光电流I_P基本成线性，由此可知应选取R_d大、R_s小、I₀小的二极管，并要保持负载输出为短路工作状态，为此我们将硅光电二极管与负反馈运算放大器组合使用，由于负反馈运算放大器的等效输入阻抗为：

$R_{\mathrm{in}}=\left[\frac{R_f}{1+A_0}\right]//R_{\mathrm{id}}\≈\frac{R_f}{1+A_0}---\left(3\right)$

其中A₁＝A₂＝A₀为负反馈运算放大器的开环增益，R_f1＝R_f2＝R_f为反馈电阻，R_id为硅光电二极管的内阻，一般R_id的数量级在兆欧以上，A₀＞10⁶，因此R_in很小，使运算放大器的输入阻抗接近为零，从而能够保证硅光电二极管的负载电阻为零。

又由于硅光电二极管测量电流的线性度为：

$P=\frac{I_p-I_{L0}}{I_{L0}}$

$=\frac{I_0(e^{I_{L0}(R_S+R_L)/{\mathrm{AV}}_T}-1)+(R_S+R_L)I_{L0}/R_d}{I_{L0}}$ (4)

当硅光电二极管的R_s越小R_d越大，I₀越小，线性P值越小，即线性越好。在硅光电二极管负载短路时R_L＝0，且R_s＜＜R_d，则化简(4)式为：

$P=\frac{I_0}{I_{L0}}(e^{I_{L0}{R}_S/{\mathrm{AV}}_T}-1)---\left(5\right)$

由此可知，硅光电二极管与放大器的组合电路可以保证硅光电二极管在负载接近短路状态下工作，并且I_L0和R_s很小可以提高测量电流的线性度P。而其输出信噪比R_S，N在硅光电二极管负载电路短路时为：

$R_{S,N}=I_S/I_{\mathrm{ni}}=I_S/{[2q{I}_S\mathrm{\Δf}+4\mathrm{kT}(\frac{1}{R_d}+\frac{1}{R_f})+I_n^2+E_n^2{(\frac{1}{R_d}+\frac{1}{R_f})}^2]}^{1/2}\mathrm{\Δf}---\left(6\right)$

这种光电检测电路的信噪比R_S，N在反馈电阻R_f1＜＜10⁶时随R_f的增大而明显增大，在反馈电阻R_f＞10⁶时R_S，N随R_f的增大而上升。硅光电二极管在负载电阻为零的短路状态下工作同时也大大提高了硅光电二极管的输出信噪比，从而保证了传感器装置检测微小的泄漏电流的准确性。

所述的转换器3的差分比较电路DA由两级常规的运算放大器A₃和A₄构成，两级运算放大器A₃和A₄的正极输入端分别接收两个前述光电探测器CA1和CA2输出的电信号V_Iout和V_2out，第一级运算放大器A₃的负极输入端通过电阻R₃接地，第一级运算放大器A₃的输出端信号

通过电阻R₄连接到第二级运算放大器A₄的输入端，第一、二级运算放大器的输出端分别通过反馈电阻R_f3和R_f4后再分别与其负极输入端连接，形成负反馈运算电路。第二级运算放大器的输出端通过电缆5与调制器4的后置放大器的输入端连接，用以将转换器3的输出信号V_o out传输给调制器4进行调制。所述的差分比较电路DA经过两级的比例运算和叠加运算，不仅可以实现信号的差分合成，而且可以将信号再一次放大，便于观测。实际中转换器3中光电探测器CA1和CA2转换而来的两路电信号同为正的波信号，两者相差180度的相位，经过差分比较电路DA后合成为能够反映泄漏电流的全波信号，两个光电探测器的输出信号V_1 out和V_2out作为差分比较电路的输入信号。差分比较电路的第一级输出为：

$U_{0^1\mathrm{out}}=(1+\frac{R_{f3}}{R_3})U_{1\mathrm{out}}---\left(7\right)$

利用叠加原理可得，第二级电路的输出为：

$U_{0\mathrm{out}}=-\frac{R_{f4}}{R_4}{U}_{0^1\mathrm{out}}+(1+\frac{R_{f4}}{R_4})U_{2\mathrm{out}}---\left(8\right)$

取R₃＝R_f4，R₄＝R_f3，则：

$U_{\mathrm{oout}}=(1+\frac{R_{f4}}{R_4})(U_{2\mathrm{out}}-U_{1\mathrm{out}})---\left(9\right)$

由(9)式可以得出两路信号的差分放大信号。所述的转换器3的输出端为电缆接口，用于连接电缆5引出经过光电转换和差分放大的信号至调制器4处理。

所述的调制器4为常规的后置放大器A和二阶滤波器F串联组成。调制器4的输出端通过电缆5与采集卡连接，采集卡通过信号线与计算机连接。调制器4接收前述转换器3输出的反映绝缘子串泄漏电流全波的信号V_o out，经进一步放大及滤波处理后，通过电缆5传输至采集卡采集数据，最后经由采集卡的输出端的USB信号线将采集得到的数据传输至计算机上进行观察、记录和处理。

本发明一种双光路泄漏电流光纤传感器装置的检测泄漏电流的幅值为0.2mA～80mA、检测频率为5Hz～10kHz、灵敏度约为40mV/mA。

试验结果

对本实施例的一种双光路泄漏电流光纤传感器装置进行以下测试：

响应度和线性度的测试。测试方法是：使用函数发生器产生不同电压幅值的正弦、方波、三角波和单脉冲电压信号，已知阻值的无感电阻作为负载，将传感器头串联进电路，电路的电流即为测试信号，然后将转换器经过光纤与传感器头连接，后续用电缆连接转换器和调制器，并将最后的信号输入示波器，通过示波器读取取样电阻上的电压值。改变输出电压幅值和信号类型，记录电流电压数据和波形，采用描点法绘制出本发明电流传感器装置的响应曲线和线性度曲线。如图4、图5、图6、图7、图8和图9所示。

从上述试验结果知：如图4、图5、图6和图7所示，本发明中的传感器装置对正弦、方波、三角波和脉冲电流的测量都比较反映源信号的基本情况，从图8、图9和图10，在0.1mA～80mA范围内波形的线性响应偏差较小，线性度稳定，灵敏度稳定在40mV/mA，拟合度均达到99％以上，且对5Hz低频信号和5kHz高频信号均能稳定的准确测量到电流幅值。综上所述本发明能满足工程实际对架空线路绝缘子串泄漏电流在线监测的要求，并具有精度高，线性度好，灵敏度高，抗干扰能力强等特点，而且装卸非常方便，可广泛用于新建的和已投入运行的变电站及架空输电线路的高压交流输电线路中。

Claims (1)

1.一种双光路泄漏电流光纤传感器装置，主要包括固定支架、传感器头(1)、光纤(2)、转换器(3)、调制器(4)、采集卡和计算机，其特征是：

所述的传感器头(1)由两个发光二极管LED1与LED2以及两个保护电路构成，所述的两个发光二极管LED1和LED2的同极性端口串联，所述的每个保护电路由一个导通二极管D、一个稳压二极管VSD和一个放电管GDT并联构成，每个导通二极管D与发光二极管LED1或LED2反极性并联，每个稳压二极管VSD与发光二极管LED1或LED2同极性并联，并与放电管GDT并联，所述的两个发光二极管LED1和LED2及保护电路封装在传感器头(1)的外壳中，两个发光二极管LED1和LED2分别通过两个固定在传感器头(1)的外壳的耦合接口与两根光纤(2)一端的耦合器接头连接，所述的两根光纤(2)另一端的耦合器接头分别与转换器(3)上的两个耦合器接口相连；

所述的转换器(3)为由两个光电探测器CA1和CA2与一个常规的差分比较电路DA构成的集成印刷电路板，所述的每个光电探测器CA1或CA2均由一个硅光电二极管SPD1或SPD2和一个常规运算放大器A₁或A₂组成负反馈运算放大电路，即：每个硅光电二极管SPD1或SPD2的负极先串联电容C₁或C₂后，再与运算放大器A₁或A₂的负极输入端相连，两个硅光电二极管SPD1与SPD2的正极和运算放大器A₁和A₂的正极输入端分别接地，运算放大器A₁或A₂的负极输入端先串联反馈电阻R_f1或R_f2后再与其输出端连接而组合成一个负反馈的运算放大电路，所述的两个硅光电二极管SPD1和SPD2分别装设在前述的两根光纤(2)另一端的两个耦合器接口处，所述的两个负反馈运算放大电路的输出端，分别串联电阻R₁、R₂后再分别与差分比较电路DA的第一级运算放大器A₃和第二级运算放大器A₄的正极输入端连接；

所述的转换器(3)的差分比较电路DA由两级常规的运算放大器A₃和A₄构成，第一级运算放大器A₃的负极输入端通过电阻R₃接地，第一级运算放大器A₃的输出端信号通过电阻R₄连接到第二级运算放大器A₄的输入端，第一、二级运算放大器的输出端分别通过反馈电阻R_f3和R_f4后再分别与其负极输入端连接，形成负反馈运算电路，第二级运算放大器的输出端通过电缆(5)与调制器(4)的后置放大器的输入端连接；

所述的调制器(4)为常规的后置放大器A和二阶滤波器F串联组成，调制器(4)的输出端通过电缆(5)与采集卡连接，采集卡再通过信号线与计算机连接。

Images