CN102222558A - 光学电流互感器及其光电信息处理器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学电流互感器的改进，在被测电流通过的环形导体(1)内腔固定基本光路，按光通过顺序为输入自聚焦透镜(6)、起偏器(7)、传感头(2)、检偏器(9)和输出自聚焦透镜(10)，光纤(8)(11)经绝缘支撑到低压侧，接光电信息处理器，光电信息处理器包括光源(29)、可控电流源(40)、光电转换器(27)、交直流分离器(41)，交直流分离器输出的交流信号为电流互感器的输出信号，直流信号输入到反馈处理器(42)，反馈处理器接可控电流源的输入端，根据反馈信息控制光源的光强，克服温度等因素的影响，提高光学电流互感器的测量精度。该光电信息处理器可以用于各种传感形式的光学电流互感器中，提高其测量精度。

Description

光学电流互感器及其光电信息处理器

技术领域

本发明涉及电力***高压线路电流测量及控制应用的光学电流互感器的改进，特别是涉及以磁光材料为主要传感器件的光学电流互感器的改进。

背景技术

电流互感器是电力***计量和保护控制的重要设备，电磁式电流互感器经过长期发展，其测量稳态电流的精度可达万分之几，甚至更高；可是在短路故障情况下电磁式电流互感器出现严重的磁饱和现象，导致二次输出电流波形失真，不能描述短路电流的过渡过程，这是继电保护误动和拒动的主要原因之一。今后，电力***的监视与控制将走向全时间过程，从局部走向全局。继电保护的误动和拒动会给电力***带来灾难性的事故，因此，人们正在构建电力***安全防御体系，传统的电磁式电流互感器不能反映电网动态过程，迫切需要新型的电流互感器，于是基于法拉第磁光效应的光学电流互感器受到重视，特别是块状光学电流互感器。2007年5月16日中国专利局公开了申请号为200510117694.8名称为“光学电流互感器及其测定电流的方法”的发明专利说明书。其技术方案是：传感头为直条状磁光材料，沿直线布置的输入光纤、输入自聚焦透镜、起偏器、光学传感头、检偏器、平行输出自聚焦透镜和光纤及垂直输出自聚焦透镜和光纤构成基本光路。被测电流通过环形导体，在其腔内建立平行磁场，在磁场内至少有一条基本光路，其传感头与磁力线平行。多个光路时各传感头等长且到环形导体轴线等距，每光路的输出光纤分别接低压侧的两个光电转换器，输出平行电压信号和垂直电压信号，从而算出被测电流。该发明传感头中的偏振光直通，克服“光绕电”式的光学电流互感器的光路缺陷，不会因反射面变性而失稳。该互感器能长期稳定运行且测量精度较高；但是该发明还有不足之处，表现在：基本光路还有垂直偏振光路，一旦垂直自聚焦透镜与主轴线稍有不垂直，或者垂直自聚焦透镜与平行自聚焦透镜在性能上发生差异，则输出结果的精度就会受到影响。有多个光路时虽然可以进行温度修正，但其温度修正的作用很小，当温度及传感头应力变化时仍然使测量值产生较大误差。基本光路在工艺和运行过程中容易受到环境污染，也会影响到测量精度。综上所述，该光学电流互感器测量精度不够高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光学电流互感器，进一步提高光学电流互感器的测量精度。

为解决上述技术问题，本发明提供的光学电流互感器：包括绝缘支撑、供被测电流通过的导体、光学传感头、起偏器、检偏器、光学透镜；所说的供被测电流通过的导体是当电流通过后在其内腔形成平行磁力线的磁场的环形导体；所说的光学传感头是直条状的磁光材料，其长度远小于环状导体轴线方向的长度，传感头的两个端面为垂直于长度方向的平面；光学传感头连同与之相关的构成基本光路的元件以绝缘物体固定在环形导体的腔内，光学传感头平行于环形导体的轴线，且沿轴向方向位于腔内的中部，处于平行磁力线区域；输入光纤和输出光纤通过绝缘支撑的中孔到低压侧；

在供被测电流通过的环形导体内腔有至少一个基本光路，光学传感头和与其相关的光学元件沿直线布置，构成基本光路，这些元件按光通过的顺序布置为：输入光纤、输入自聚焦透镜、起偏器、光学传感头、检偏器、输出自聚焦透镜、输出光纤；检偏器相对起偏器的偏振面绕传感头的轴线旋转40度到50度，上述基本光路安装并封闭在导热性良好的金属壳内；输入光纤和输出光纤引出金属壳，在低压侧设有光电信息处理器，光电信息处理器包括光电转换器、交直流分离器、反馈处理器、可控电流源和光源，信息按照上述顺序传递，交直流分离器输出交直流两种电信号，其中交流信号即为光学电流互感器的输出信号；其直流信号输入到反馈处理器，反馈处理器的输出连接到可控电流源的输入端。

所述交直流分离器包括隔直放大器和光电减法器，隔直放大器接收光电转换器传来的电压信号，经过隔直而通过交流电压再经过放大后向外输出，即光学电流互感器的输出，同时向内输出到光电减法器，光电减法器还接收从光电转换器传来的电压信号，将二者进行减法运算，得到直流电压信号；所述反馈处理器包括光电放大器、光电CPU和基准电压源，基准电压源连接到光电CPU上，基准电压源是光电CPU的内置电压源，光电放大器接收从光电减法器输出的直流电压信号，将该电压信号放大，并输出到光电CPU，光电CPU根据该直流电压信号，进行分析计算，输出数字信号指令；所述可控电流源包括光源、可调基准电压源和数字电位器，可调基准电压源向光源供电，数字电位器接收光电CPU输出的数字信号指令将其转换为电压信号，输出到可调基准电压源，可调基准电压源根据数字电位器传来的电压信号改变了输出电压，进而改变了向光源输入的电流强度，也就改变了光源发出的光强度。

所述光电信息处理器中的可调基准电压源的型号为MAX8880，光源的型号为HFBR1414，数字电位器的型号为X9110，所述可控电流源中的可调基准电压源的第1管脚和第2管脚之间串联电容C1，可调基准电压源的第1管脚和第5管脚之间串联电阻R1，可调基准电压源的第3管脚和地线之间串联有电容C2，可调基准电压源的第3管脚和光源的第2管脚之间串联电阻R2，可调基准电压源的第3管脚连接到数字电位器的第3管脚，可调基准电压源的第3管脚连接到数字电位器的第17管脚，运算放大器U3的正输入端与数字电位器的第1管脚相连，运算放大器U3的负输入端与数字电位器的第7管脚相连，运算放大器U3的输出端与数字电位器的第7管脚相连，运算放大器U4的正输入端与数字电位器的第19管脚相连，运算放大器U4的负输入端与数字电位器的第11管脚相连，运算放大器U4的输出端与数字电位器的第11管脚相连；所述反馈处理器中的光电CPU的第61管脚和第62管脚分别与数字电位器的第9管脚和第14管脚相连，基准电压源是光电CPU中内置的电压源，运算放大器U6与电阻R3、R4、Rf共同构成光电放大器，光电放大器的输出连接到光电CPU的第18管脚；所述交直流分离器中的输入端点P51与光电转换器的输出端连接，运算放大器U51与电容C51、电阻R51、电阻R52构成隔直放大器，电容C51的一端与输入端点P51连接，运算放大器U52与电阻R53、电阻R54、电阻R55构成光电减法器，光电减法器的输入端即电阻R53和电阻R54的另一端分别与隔直放大器的输出端和交直流分离器的输入端点P51连接，输出端P52与反馈处理器的输入端P5连接，输出端P53即为光学电流互感器的输出端。

所述的金属壳为圆筒状，内部为贯通的圆孔，孔径与圆柱形的传感头、起偏器、检偏器的外径相匹配，圆孔靠近两端各有一段螺纹，两段螺纹外端各有一段圆锥面，中心圆孔与圆锥面具有同一个中心线，还有两个圆锥形的端盖，其外部是与金属壳相匹配的圆锥面，端盖的中部是与外部圆锥面具有同一中心线的锥形孔，锥形孔与起偏器、检偏器的外形相匹配；

传感头装在内孔的中部，两边各放置一个圆环形的弹性垫圈，弹性垫圈的外边分别装入起偏器和检偏器，两者的偏振方向相对旋转40度至50度，两边的外部分别用带有外螺纹的固定环将上述元件固定，端盖分别装入金属壳两端的圆锥面内，该圆锥面用快干胶粘接，外形为圆锥形的输入自聚焦透镜和输出自聚焦透镜分别装入两个端盖的锥孔内，输入自聚焦透镜和输出自聚焦透镜伸出端盖的细端，该锥面用快干胶粘接，锥孔的最外端用密封胶密封，最外端分别伸出输入光纤和输出光纤。

所述的金属壳为圆筒状，内部为贯通的圆孔，孔径与圆柱形的传感头、起偏器、检偏器的外径相匹配，圆孔两端各有一段螺纹，金属壳两端段各有至少三个在同一横截面内沿周向均布的贯通的自金属壳中心向外辐射的螺孔，螺孔内有沉入螺孔的调节固定螺钉，还有两个端盖，端盖是外径比金属壳端部的内径稍小的圆柱，其中心为与圆柱形的输入自聚焦透镜和输出自聚焦透镜外径相匹配的圆孔；传感头装在内孔的中部，两边各放置一个圆环形的弹性垫圈，弹性垫圈的外边分别装入起偏器和检偏器，两者的偏振方向相对旋转40度至50度，两边的外部分别用带有外螺纹的固定环将上述元件固定，输入自聚焦透镜和输出自聚焦透镜分别装入端盖的中心孔内，用快干胶粘接，端盖分别装入金属壳的两端圆孔内，用调节固定螺钉将其固定，圆孔的最外端用密封胶密封，最外端伸出输入光纤和输出光纤。

上述光电信息处理器可以作为一种独立装置，除了用于本光学电流互感器以外，还可以用于各种类型的光学电流互感器，用以提高测量精度。

与现有技术相比本发明的有益效果如下：

1、在低压侧采用光电信息处理器，不仅取代了垂直光路的作用，而且由于采用闭环负反馈结构，消除了温度、应力等引起的光学电流互感器测量精度的变化，闭环负反馈结构克服了现有技术开环结构的各元件误差累计的缺点进一步提高了测量精度。

2、由于在基本光路中取消了垂直光路，克服了现有技术中由于垂直光路存在而引发的影响测量精度的问题，从而提高了测量精度。

3、基本光路用金属壳密封，在工艺过程中和运行过程中可以防止污染，也提高了光学电流互感器的精度。

4、基本光路中光通过的界面没有用光学胶进行粘接，各元件之间都是位置相对固定，元件之间无接触，防止各元件相互接触摩擦而导致擦伤入射面，因而提高光学电流互感器的运行稳定性及测量精度。

5、由于金属壳端部与端盖、自聚焦透镜和端盖的中心孔采用了圆锥形结构，使得基本光路很容易实现对准，不用专用光学平台就可以实现基本光路的组装，便于生产。

6、由于在基本光路中取消了垂直光路，金属壳可以直接***圆柱形绝缘物体中心的通孔内，简化了生产工艺。

图形说明

图1光学电流互感器的结构示意图，

图2光电信息处理器的结构示意图，

图3可控电流源的电路原理图，

图4反馈处理器的电路原理图，

图5交直流分离器的电路原理图，

图6金属壳1的结构示意图，

图7金属壳2的结构示意图，

图8螺线管式单一光路的光学电流互感器传感部分结构示意图，

图9现场安装的螺线管式光学电流互感器结构示意图，

图10Ω母线式两条光路的光学电流互感器传感部分B-B剖视图，

图11Ω母线式两条光路的光学电流互感器传感部分A-A剖视图，

图12现场安装的Ω母线式光学电流互感器结构示意图。

1-1螺线管，1-2环形母线，2传感头，3绝缘物体，4通孔，5纵向槽，6输入自聚焦透镜，7起偏器，8输入光纤，9检偏器，10输出自聚焦透镜，11输出光纤，12金属壳，13端槽，14环氧树脂筒，15平法兰，16沟槽，17环氧树脂棒，18汇流盘，19壳体，20压盖，21绝缘子，22底座箱，23光电信息处理器，24夹紧带，25绝缘套，26导电杆，27光电转换器，29光源，30圆筒，31平板，32调节固定螺钉，33绝缘块，34夹板，35压板，36支撑板，37绝缘垫，38壳罩，39绝缘片，40可控电流源，41交直流分离器，42反馈处理器，43光电放大器，44光电CPU，45基准电压源，46隔直放大器，47光电减法器，48可调基准电压源，49数字电位器，50弹性垫圈，51固定环，52端盖。

具体实施方式

具体实施方式一：光学电流互感器的光电信息处理器，见图2，图3，图4，图5。

光电信息处理器23包括光电转换器27、交直流分离器41、反馈处理器42、可控电流源40和光源29，信息按照上述顺序传递，光电转换器27接收到输出光纤传输来的光学电流互感器的光强信号，转化为电压信号后输出到交直流分离器41，交直流分离器41输出交直流两种电信号，其中交流信号即为光学电流互感器的输出信号，其直流信号输入到反馈处理器42，该直流信号携带着当温度、应力变化时光学传感头输出光强的变化信息，经反馈处理器42处理，将处理信息传输给可控电流源40；反馈处理器42的输出连接到可控电流源40的输入端，根据处理信息来调整向光源29所提供的电流强度，从而改变光源29的发光强度，也就是调整了经输入光纤8输入到基本光路的输入光强度；根据负反馈的原理克服了温度、应力变化所造成的光学电流互感器的输出误差，提高了光学电流互感器的测量精度。

所述交直流分离器41包括隔直放大器46和光电减法器47，隔直放大器46接收光电转换器27传来的电压信号，经过隔直而通过交流电压再经过放大后向外输出，即光学电流互感器的输出，同时向内输出到光电减法器47，光电减法器47还接收从光电转换器27传来的电压信号，将二者进行减法运算，得到直流电压信号；所述反馈处理器42包括光电放大器43、光电CPU44和基准电压源45，基准电压源45连接到光电CPU44上，基准电压源45是光电CPU44的内置电压源，用于在光电CPU进行模拟/数字转换时提供基准电压信号，光电放大器43接收从光电减法器47输出的直流电压信号，将该电压信号放大，并输出到光电CPU44，光电CPU44根据该直流电压信号，进行分析计算，得到线性双折射δ的变化，再计算得到光学电流互感器随温度变化而变化的比例系数，然后计算得到数字调节指令，输出数字调节指令；所述可控电流源40包括光源29、可调基准电压源48和数字电位器49，可调基准电压源48向光源29供电，数字电位器49接收光电CPU44输出的数字调节指令将其转换为电压信号，输出到可调基准电压源48，可调基准电压源48根据数字电位器49传来的电压信号改变了输出电压，进而改变了向光源29输入的电流强度，也就改变了光源29发出的光强度。

所述光电信息处理器23中的可调基准电压源48的型号为MAX8880，光源29的型号为HFBR1414，数字电位器49的型号为X9110，所述可控电流源40中的可调基准电压源48的第1管脚和第2管脚之间串联电容C1，可调基准电压源48的第1管脚和第5管脚之间串联电阻R1，可调基准电压源48的第3管脚和地线之间串联有电容C2，可调基准电压源48的第3管脚和光源29的第2管脚之间串联电阻R2，可调基准电压源48的第3管脚连接到数字电位器49的第3管脚，可调基准电压源48的第3管脚连接到数字电位器49的第17管脚，运算放大器U3的正输入端与数字电位器49的第1管脚相连，运算放大器U3的负输入端与数字电位器49的第7管脚相连，运算放大器U3的输出端与数字电位器49的第7管脚相连，运算放大器U4的正输入端与数字电位器49的第19管脚相连，运算放大器U4的负输入端与数字电位器49的第11管脚相连，运算放大器U4的输出端与数字电位器49的第11管脚相连；述反馈处理器42中的光电CPU44的第61管脚和第62管脚分别与数字电位器49的第9管脚和第14管脚相连，基准电压源45是光电CPU44中内置的电压源，用于在光电CPU进行模拟/数字转换时提供基准电压信号，运算放大器U6与电阻R3、R4、Rf共同构成光电放大器43，光电放大器43的输出连接到光电CPU44的第18管脚；所述交直流分离器41中的输入端点P51与光电转换器的输出端连接，运算放大器U51与电容C51、电阻R51、电阻R52构成隔直放大器46，电容C51的一端与输入端点P51连接，运算放大器U52与电阻R53、电阻R54、电阻R55构成光电减法器47，光电减法器47的输入端即电阻R53和电阻R54的另一端分别与隔直放大器46的输出端和交直流分离器41的输入端点P51连接，输出端P52与反馈处理器42的输入端P5连接，输出端P53即为光学电流互感器的输出端。

把上述交直流分离器41、反馈处理器42、可控电流源41的电路制成一个线路板，三者之间连接关系为：图5中的端点P52与图4的端点P5相连接，图4中的端点P3与图3中的端点P1相连接，图4中的端点P4与图3中的端点P2相连接。

线路板装在一个机箱内，机箱上有两个电源接线柱，电源接线柱与机箱内的供电电源相连接(附图中未示出)，供电电源输出供交直流分离器41、反馈处理器42、可控电流源41使用的直流电。机箱上还有两个光纤法兰，分别与光源29及光电转换器27连接，工作时分别外接光学电流互感器的输入光纤8及输出光纤11。机箱上还有一个输出接线柱，与隔直放大器46的输出端点P53连接。工作时可以接仪表或者保护装置，输出为交流电压信号UAC。

具体实施方式二：带有螺线管式的光学电流互感器，见图1、图6、图7、图8。

图1是螺线管式单一光路的光学电流互感器示意图，一个光学传感头2，即一根直条状磁光材料，其一端依次连接起偏器7、输入自聚焦透镜6和输入光纤8，其另一端依次连接检偏器9、输出自聚焦透镜10和输出光纤11，上述各器件沿直线布置。沿直线布置的各元件的中心线在同一直线上，上述各件沿光的连接次序为输入光纤8、输入自聚焦透镜6、光学传感头2、检偏器9、输出自聚焦透镜10和输出光纤11，为叙述方便将其命名为基本光路。

基本光路安装并闭封在金属壳12中，见图6，金属壳12为圆筒状，内部为贯通的圆孔，孔径与圆柱形的传感头2、起偏器7、检偏器9的外径相匹配，圆孔靠近两端各有一段螺纹(图中未画出)，两段螺纹外端各有一段圆锥面，中心圆孔与圆锥面具有同一个中心线，还有两个圆锥形的端盖52，其外部是与金属壳12相匹配的圆锥面，端盖52的中部是与外部圆锥面具有同一中心线的锥形孔，锥形孔与起偏器7、检偏器9的外形相匹配；传感头2装在内孔的中部，两边各放置一个圆环形的弹性垫圈50，弹性垫圈50的外边分别装入起偏器7和检偏器9，两者的偏振方向相对旋转40度至50度，两边的外部分别用带有外螺纹的固定环51将上述元件固定，端盖52分别装入金属壳12两端的圆锥面内，该圆锥面用快干胶粘接，外形为圆锥形的输入自聚焦透镜6和输出自聚焦透镜10分别装入两个端盖52的锥孔内，输入自聚焦透镜6和输出自聚焦透镜10伸出端盖52的细端，该锥面用快干胶粘接，金属壳锥孔的最外端用密封胶密封，最外端分别伸出输入光纤8和输出光纤11。弹性垫圈50和固定环51的圆孔足够大，保证光路畅通。上述两种圆锥面的圆锥角都是比较小的。

上述金属壳12与端盖52连接的圆锥面可以不用粘接，而是用螺纹连接，具体说是用60度的密封锥管螺纹。

金属壳12还可以采用另一种方式：金属壳12为圆筒状，内部为贯通的圆孔，孔径与圆柱形的传感头2、起偏器7、检偏器9的外径相匹配，圆孔两端各有一段螺纹，金属壳12两端段各有至少三个在同一横截面内沿周向均布的贯通的自金属壳中心向外辐射的螺孔，螺孔内有调节固定螺钉32，固定螺钉沉入螺孔内，还有两个端盖52，端盖是外径比金属壳12端部的内径稍小的圆柱，其中心为与圆柱形的输入自聚焦透镜6和输出自聚焦透镜10外径相匹配的圆孔；传感头2装在内孔的中部，两边各放置一个圆环形的弹性垫圈50，弹性垫圈50的外边分别装入起偏器7和检偏器9，两者的偏振方向相对旋转40度至50度，两边的外部分别用带有外螺纹的固定环51将上述元件固定，输入自聚焦透镜6和输出自聚焦透镜10分别装入端盖52的中心孔内，用快干胶粘接，端盖52分别装入金属壳12的两端圆孔内，用调节固定螺钉32将其固定，圆孔的最外端用密封胶密封，最外端伸出输入光纤8和输出光纤11，当端盖52较短时，可以采用三个调节固定螺钉。调节固定螺钉32可以采用标准件，开槽平端紧定螺钉、开槽锥端紧定螺钉或内六角平端紧定螺钉。

上述两种结构的金属壳12还可以是一端开口另一端有底的圆筒，开口端仍然保留端盖52，在另一端的圆筒底部的中心部分开圆锥孔或圆孔，分别装入圆锥形或圆柱形的自聚焦透镜。在装配时将元件从开口端顺次装入，用固定环51固定，再装配端盖52。

金属壳12还可以是方形壳体，上面有一个上盖，两端各有一个端盖，壳体是槽型，其内下部是90度的贯通的V形槽，靠近一端有一个竖直的方形槽，方形槽的宽度与方形的检偏器相匹配。端盖中部有一个中心孔，该孔与圆柱形的输入自聚焦透镜及输出自聚焦透镜的外径相匹配，上盖和端盖可用螺钉固定在壳体上。装配时，把检偏器放置于竖直的方形槽内，把传感头放在靠近检偏器的V形槽内，把方形的起偏器放在靠近传感头的V形槽内的另一端，上述各元件的底部用胶粘接在V形槽和方形槽内。输入自聚焦透镜和输出自聚焦透镜放在端盖的中心孔内，侧面用胶粘接在端盖的中心孔内。将端盖用螺钉固定于壳体的端部，通过微调端盖与壳体的相对位置使得输入自聚焦透镜和输出自聚焦透镜对准，各元件上部加上一个弹性软垫，把上盖固定在壳体上。

以上所述的金属壳(包括端盖和上盖)的材料为铜及其合金或铝及其铝合金。

光学传感头的端面是与长度方向垂直的平面，起偏器、检偏器、自聚焦透镜相互连触的都是平面，沿直线布置，则光在介面都是正入射，通过的光强大。磁光材料的光学传感头横断面为正方形或圆形或矩形或菱形或椭圆形或正多边形。磁光材料可以用磁光晶体包括石榴石单晶和尖晶石晶体，也可以采用磁光玻璃，每类又可以采用各种具体型号，磁光玻璃可以用ZF系列；石榴石单晶可以用钇铁石榴石单晶系列；尖晶石晶体可以用CdCr₂S₄、CoCr₂S₄等。本例选用ZF-7磁光玻璃。

被测电流通过的螺线管1-1，例如可以由矩形或圆形或正方形或多边形断面的母线绕成，其材料可以是铜、铝或钢，其螺距尽量小，即螺线管的母线排列尽量密，可以为一层，也可以为两层或多层并联。本例采用圆形铜线绕一层。螺线管的两端磨平，并各焊接于一个铜制的平法兰15，平法兰15的内径等于螺线管的外径。用圆柱形的绝缘物体3把包括光学传感头2的基本光路固定在螺线管1-1内，绝缘物体的材料可以为环氧树脂、不饱和树脂、橡胶或尼龙，本例采用尼龙，绝缘物体3为与环形导体内腔相配合的圆柱，其内有与传感头数量相同的平行于轴线且到轴线距离相等的通孔4，在圆柱形绝缘物体侧面有一个纵向槽5，在圆柱形绝缘物体端面从每个通孔4到纵向槽5分别开端槽13，内装基本光路的金属壳分别装入通孔4内，光纤从端槽13引向纵向槽5，并从一端向外引出；利用尼龙的弹性，可以很好的装配到螺线管内，并保持光学传感头特别是条状磁光材料平行于螺线管的轴线。条状光学传感头的长度远小于螺线管的长度，沿长度方向位于螺线管中部，完全处于螺线管内的平行磁力线区域内。

为了防振和增加弹性，还可以在尼龙的绝缘物体3的外面套一个环氧树脂筒14，在筒与尼龙绝缘块之间的空隙填充硅橡胶，环氧树脂筒装配在螺线管内，可以用纸条对称地塞紧。

圆柱形绝缘物体的长度等于螺线管焊接的平法兰15外缘的长度，平法兰相应于绝缘物体3开槽引出光纤处设有构槽16。平法兰的外面接带凸起的导电杆26的汇流盘18(即带凸杆的法兰)，平法兰及汇流盘各有8个孔，其中4个孔用螺栓把平法兰和汇流盘连接，另外4个孔用于加固，即把长度等于两个平法兰内表面距离的环氧树脂棒17装在两平法兰15之间，棒的两端面有螺孔，用螺钉把棒和法兰连接。

装配好的光学电流互感器下面有底座箱22，中间有绝缘子21，上面为壳体19，三者之间可以用法兰连接(图中未画出)，绝缘子21中心有纵向光纤束，光纤束两端伸到绝缘子两法兰之外。壳体的上部是水平的圆筒状，两端盖中心有孔供汇流盘的导电杆26穿出，两端盖至少有一个是活动盖，用螺钉固定在圆筒上，以便装入螺线管等。两端盖的外面还有压盖20，一端的压盖的孔径大于汇流盘的导电杆26直径，并且装有绝缘套25，绝缘套的内径与汇流盘的导电杆26配合，绝缘套的外径为粗细两段，细段在压盖的孔内，粗段在端盖孔内及壳体内，绝缘套使该端的汇流盘与壳体绝缘，并限制汇流盘轴向移动。另一端不装绝缘套，压盖孔与导电杆配合，该端汇流盘与壳体密切接触，使壳体与被测线路处于等电位。壳体的下部为一小段竖直的管，其下端为法兰。从构槽16引出的光纤在壳体下部分别与绝缘子21的上端延伸的光纤连接，绝缘子下端延伸的光纤与光电信息处理器23的光纤法兰连接，光电信息处理器23的内容完全与具体实施方式一相同，不再重复。光电信息处理器23可以放置于底座箱22内，也可以放置于用户的仪表盘上。应用时将光学电流互感器安装在构架上，用螺栓将底座箱上的地角孔固定在构架的平台上；通过汇流盘的导电杆将光学电流互感器串联在被测线路上。

具体实施方式三：Ω硬母线式具有两个基本光路的光学电流互感器，见图10、图11、图12。

供被测电流通过的导体是宽而扁的硬母线制成的Ω形的母线1-2，其曲线部分是有开口的圆筒，Ω形母线的圆筒内固定着绝缘物体3，该绝缘物体的形状是外面为圆筒30，圆筒30内固定通过母线的平板31。圆筒30的外径与Ω形母线1-2的圆筒的内径相等，在平板31的一侧(也可以在两侧分别布置)对称地布置两条基本光路。每条基本光路是依次沿直线布置的输入光纤8、输入自聚焦透镜6、起偏器7、光学传感头2、检偏器9、输出自聚焦透镜10、输出光纤11，基本光路安装并密封在金属壳12中，具体同实施方式二，不再重复。安装时用夹紧带24把金属壳12固定在平板31上。在安装固定时要保证直条状的光学传感头平行于圆筒30的轴线，且两个光学传感头的中心线到轴线的距离相等，也就是使两个光学传感头平行于Ω形母线的轴线且到该轴线的距离相等，从而保证两个光学传感头与磁力线平行，且两处的磁场强度相等。两个光学传感头的材料都是ZF-7磁光玻璃。

在Ω形母线1-2的开口处的平直段，内有绝缘块33，外侧各有一根夹板34，夹板两端用螺栓压紧，把Ω形母线的开口固定且夹紧绝缘物体3。在Ω形母线1-2的两端各有一个绝缘材料的压板35，压板的一面有与Ω形相吻合的槽或凸台，相对的嵌装在Ω形母线的两端。两个压板有对应的孔用螺栓把两个压板夹紧。绝缘物体3的长度和Ω形母线轴向长度差有2倍槽或凸台的深度或高度，压板不但固定Ω形母线的形状而且轴向固定绝缘物体3。两个压板相应夹板处有方孔，供两个夹板端部及螺栓伸出压板外。

把上述装好的Ω形母线连同基本光路装在壳罩38内，壳罩38下面为支撑板36，两者用螺栓固定。支撑板36为方形平板，板的下面中部有段圆管，管的下部为法兰(图中未画)，Ω形母线的两平段放在支撑板的上面，在相应的位置有两个绝缘垫37，Ω形母线的平直段放在两个绝缘垫上，上面扣上壳罩38，壳体罩的开口有翻边，用螺栓固定在支撑板上，Ω形母线一侧的平直段在绝缘垫37处上方有绝缘片39，使该侧Ω形母线与壳体绝缘，另一侧平直段上方不加绝缘片，使壳罩与流过被测电流的导体等电位。Ω形母线的平直段向两边伸到壳体外。固定在绝缘物体3内的各光路的输入光纤、输出光纤集为光纤束，从一个压板35的孔引出，经支撑板36下面的圆管伸到壳体下面。

应用时，在构架上装底座箱22，底座箱上为以法兰固定着中有贯通光纤束的绝缘子21，在绝缘子上面用法兰固定壳体，壳体内出口Ω形母线12的平直段串连接在被测高压线路。绝缘子两端的法兰在连接前，上端的光纤分别与壳体下部伸出的光纤分别用光纤法兰连接，绝缘子下端的光纤则用光纤法兰分别对应连接底座箱内的光电信息处理器23连接，光电信息处理器23的具体结构同具体实施方式一，不再重复。

当现场需要时光电信息处理器23还可以不装在底座箱内，而是延长光纤装在控制室内。

所说的当电流通过后在其内腔形成平行磁力线的磁场的环形导体还可以是多层薄片状母线绕成的柔性的Ω形母线，无论刚性还是柔性的母线回环形，还可以是U形、方的锯齿形、三角的锯齿形、多边形的折线形。

在工作时两个光路中的一个运行，另一个作为备用；也可以两个同时使用，输出结果取平均值，从而提高光学电流互感器的测量精度。

把基本光路及其外面的金属壳固定在环形导体内腔的绝缘物体3的形状还可以是以下几种：1、绝缘物体3的外部是圆筒，内部为十字形的板；

2、绝缘物体3的主体是平板，平板的两端为短段的圆筒；

3、绝缘物体3的主体是平板，板的两侧是通长的弧形板，其横断面呈工字形；

4、绝缘物体的中部是平板，两端各有一个与平板垂直的圆板；

5、绝缘板是Y状布置的三个板；

6、绝缘物体是浇注在环形导体腔内形成的；

金属壳12用夹紧带固定在平板上；上述各种形式中的圆柱体、圆筒、弧形板、圆形板的外径都与环形导体的内腔直径相配合；绝缘物体的材料为环氧树脂、不饱和树脂、橡胶、尼龙之中的任一种。

下面简要叙述本光学电流互感器的基本原理：

输入到基本光路的输入光强为J_i，在电流产生的磁场的作用下，通过磁光玻璃后的线偏振光的偏振面偏转了法拉第旋转角

通过检偏器后的光强为J_ol：

式中，δ——法拉第磁光玻璃的线性双折射，温度、应力等因素对光学电流互感器的影响集中反映在法拉第磁光玻璃的线性双折射δ，δ随着温度、应力等因素的变化而变化；

——法拉第旋转角，反映被测交流电流i。

当基本光路的输出光输出到光电转换器上，则光电转换器输出的电压信号U_O为：

$U_o=U_{\mathrm{DC}}+U_{\mathrm{AC}}=[K\·\frac{J_i}{2}+K\·\frac{J_i}{2}\·{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)\·\sin \left(4\mathrm{\θ}\right)]-[2\·K\·\frac{J_i}{2}\·\frac{\sin \mathrm{\δ}}{\mathrm{\δ}}\·V\·i]$

其中，K为光电转换器的电压光强响应比，是个常数；V为磁光玻璃的Verdet常数；θ为起偏器透光轴与***坐标X轴之间的预偏角，是个常数；J_i为输入光强。

当温度不改变时，线性双折射δ是常数，光电转换器输出的电压信号U_O包括直流电压信号U_DC和交流电压信号U_AC，交流电压信号U_AC与被测交流电流i成正比例，比例系数是常数。

当温度变化时，线性双折射δ是变量，光电转换器输出的电压信号U_O包括缓慢变化的直流电压信号U_DC和交流电压信号U_AC，交流电压信号U_AC与被测交流电流i成比例系数K_w为变量的比例关系，即i＝K_w·U_AC，而由于温度变化的随机性使得这个变化的比例系数K_w是无法事先得到的，因此，在电力***中实际应用光学电流互感器时，环境温度是变化的，如果直接根据交流电压信号U_AC和一个固定的比例系数来输出被测电流值，很显然是不准确的，此时的光学电流互感器的测量精度不高。

为此，本发明提供了一种负反馈的光学电流互感器，他的基本理论方法是：随温度变化而变化的线性双折射δ既包含于交流电压信号U_AC中，也包含于直流电压信号U_DC，由于温度变化很缓慢，因此在一个很短的时间内，可以将光电转换器输出的电压信号U_O分离为交流电压信号U_AC和直流电压信号U_DC，直流电压信号U_DC含有线性双折射δ，通过所测量的直流电压信号U_DC就可以知道线性双折射δ的变化，从而实时得到随温度变化而变化的比例系数K_w，然后通过调节基本光路的输入光强J_i，使得比例系数K_w在温度变化时保持不变，从而消除了温度对光学电流互感器的影响，从而提高了光学电流互感器的测量精度。

Claims (10)

1.一种光学电流互感器，包括绝缘支撑、供被测电流通过的导体、光学传感头、起偏器、检偏器、光学透镜；所说的供被测电流通过的导体是当电流通过后在其内腔形成平行磁力线的磁场的环形导体；所说的光学传感头(2)是直条状的磁光材料，其长度远小于环状导体轴线方向的长度，传感头的两个端面为垂直于长度方向的平面；光学传感头连同与之相关的构成基本光路的元件以绝缘物体(3)固定在环形导体的腔内，光学传感头平行于环形导体的轴线，且沿轴向方向位于腔内的中部，处于平行磁力线区域；输入光纤(8)和输出光纤(11)通过绝缘支撑的中孔到低压侧；其特征是：

在供被测电流通过的环形导体内腔有至少一个基本光路，光学传感头和与其相关的光学元件沿直线布置，构成基本光路，这些元件按光通过的顺序布置为：输入光纤(8)、输入自聚焦透镜(6)、起偏器(7)、光学传感头(2)、检偏器(9)、输出自聚焦透镜(10)、输出光纤(11)；检偏器(9)相对起偏器(7)的偏振面绕传感头的轴线旋转40度到50度，上述基本光路安装并封闭在导热性良好的金属壳(12)内；在低压侧设有光电信息处理器(23)，光电信息处理器(23)包括光电转换器(27)、交直流分离器(41)、反馈处理器(42)、可控电流源(40)和光源(29)，信息按照上述顺序传递，交直流分离器(41)输出交直流两种电信号，其中交流信号即为光学电流互感器的输出信号；其直流信号输入到反馈处理器(42)，反馈处理器(42)的输出连接到可控电流源(40)的输入端。

2.根据权利要求1所述的光学电流互感器，其特征是：所述交直流分离器(41)包括隔直放大器(46)和光电减法器(47)，隔直放大器(46)接收光电转换器(27)传来的电压信号，经过隔直而通过交流电压再经过放大后向外输出，即光学电流互感器的输出，同时向内输出到光电减法器(47)，光电减法器(47)还接收从光电转换器(27)传来的电压信号，将二者进行减法运算，得到直流电压信号；所述反馈处理器(42)包括光电放大器(43)、光电CPU(44)和基准电压源(45)，基准电压源(45)连接到光电CPU(44)上，基准电压源(45)是光电CPU(44)的内置电压源，光电放大器(43)接收从光电减法器(47)输出的直流电压信号，将该电压信号放大，并输出到光电CPU(44)，光电CPU(44)根据该直流电压信号，进行分析计算，输出数字信号指令；所述可控电流源(40)包括光源(29)、可调基准电压源(48)和数字电位器(49)，可调基准电压源(48)向光源(29)供电，数字电位器(49)接收光电CPU(44)输出的数字信号指令将其转换为电压信号，输出到可调基准电压源(48)，可调基准电压源(48)根据数字电位器(49)传来的电压信号改变了输出电压，进而改变了向光源(29)输入的电流强度，也就改变了光源(29)发出的光强度。

3.根据权利要求2所述的光学电流互感器，其特征是：所述光电信息处理器(23)中的可调基准电压源(48)的型号为MAX8880，光源(29)的型号为HFBR1414，数字电位器(49)的型号为X9110，所述可控电流源(40)中的可调基准电压源(48)的第1管脚和第2管脚之间串联电容C1，可调基准电压源(48)的第1管脚和第5管脚之间串联电阻R1，可调基准电压源(48)的第3管脚和地线之间串联有电容C2，可调基准电压源(48)的第3管脚和光源(29)的第2管脚之间串联电阻R2，可调基准电压源(48)的第3管脚连接到数字电位器(49)的第3管脚，可调基准电压源(48)的第3管脚连接到数字电位器(49)的第17管脚，运算放大器U3的正输入端与数字电位器(49)的第1管脚相连，运算放大器U3的负输入端与数字电位器(49)的第7管脚相连，运算放大器U3的输出端与数字电位器(49)的第7管脚相连，运算放大器U4的正输入端与数字电位器(49)的第19管脚相连，运算放大器U4的负输入端与数字电位器(49)的第11管脚相连，运算放大器U4的输出端与数字电位器(49)的第11管脚相连；所述反馈处理器(42)中的光电CPU(44)的第61管脚和第62管脚分别与数字电位器(49)的第9管脚和第14管脚相连，基准电压源(45)是光电CPU(44)中内置的电压源，运算放大器U6与电阻R3、R4、Rf共同构成光电放大器(43)，光电放大器(43)的输出连接到光电CPU(44)的第18管脚；所述交直流分离器(41)中的输入端点P51与光电转换器的输出端连接，运算放大器U51与电容C51、电阻R51、电阻R52构成隔直放大器(46)，电容C51的一端与输入端点P51连接，运算放大器U52与电阻R53、电阻R54、电阻R55构成光电减法器(47)，光电减法器(47)的输入端即电阻R53和电阻R54的另一端分别与隔直放大器(46)的输出端和交直流分离器(41)的输入端点P51连接，输出端P52与反馈处理器(42)的输入端P5连接，输出端P53即为光学电流互感器的输出端。

4.根据权利要求1所述光学电流互感器，其特征是：所述的金属壳(12)为圆筒状，内部为贯通的圆孔，孔径与圆柱形的传感头(2)、起偏器(7)、检偏器(9)的外径相匹配，圆孔靠近两端各有一段螺纹，两段螺纹外端各有一段圆锥面，中心圆孔与圆锥面具有同一个中心线，还有两个圆锥形的端盖(52)，其外部是与金属壳(12)相匹配的圆锥面，端盖(52)的中部是与外部圆锥面具有同一中心线的锥形孔，锥形孔与起偏器(7)、检偏器(9)的外形相匹配；

传感头(2)装在内孔的中部，两边各放置一个圆环形的弹性垫圈(50)，弹性垫圈(50)的外边分别装入起偏器(7)和检偏器(9)，两者的偏振方向相对旋转40度至50度，两边的外部分别用带有外螺纹的固定环(51)将上述元件固定，端盖(52)分别装入金属壳(12)两端的圆锥面内，该圆锥面用快干胶粘接，外形为圆锥形的输入自聚焦透镜(6)和输出自聚焦透镜(10)分别装入两个端盖(52)的锥孔内，输入自聚焦透镜(6)和输出自聚焦透镜(10)伸出端盖(52)的细端，该锥面用快干胶粘接，锥孔的最外端用密封胶密封，最外端分别伸出输入光纤(8)和输出光纤(11)。

5.根据权利要求1所述光学电流互感器，其特征是：所述的金属壳(12)为圆筒状，内部为贯通的圆孔，孔径与圆柱形的传感头(2)、起偏器(7)、检偏器(9)的外径相匹配，圆孔两端各有一段螺纹，金属壳(12)两端段各有至少三个在同一横截面内沿周向均布的贯通的自金属壳中心向外辐射的螺孔，螺孔内有沉入螺孔的调节固定螺钉(32)，还有两个端盖(52)，端盖是外径比金属壳(12)端部的内径稍小的圆柱，其中心为与圆柱形的输入自聚焦透镜(6)和输出自聚焦透镜(10)外径相匹配的圆孔；

传感头(2)装在内孔的中部，两边各放置一个圆环形的弹性垫圈(50)，弹性垫圈(50)的外边分别装入起偏器(7)和检偏器(9)，两者的偏振方向相对旋转40度至50度，两边的外部分别用带有外螺纹的固定环(51)将上述元件固定，输入自聚焦透镜(6)和输出自聚焦透镜(10)分别装入端盖(52)的中心孔内，用快干胶粘接，端盖(52)分别装入金属壳(12)的两端圆孔内，用调节固定螺钉(32)将其固定，圆孔的最外端用密封胶密封，最外端伸出输入光纤(8)和输出光纤(11)。

6.根据权利要求1所述的光学电流互感器，其特征是：所说的环形导体为螺线管(1-1)或宽的扁母线弯制成的曲面部分为圆筒的Ω形母线(1-2)；所说的螺线管(1-1)的两端磨平并各焊接一个平法兰(15)，两平法兰的一部分孔用于固定加固棒(17)，加固棒长度等于两平法兰内侧距离，材料为环氧树脂，两端有螺孔，平法兰(15)的另一部分孔连接具有凸起的导电杆(26)的汇流盘(18)；螺线管为一层或多层并联，螺距小，螺线管的材料为铜、铝或钢之中的任一种，螺线管的线的横断面为圆形、矩形、正方形、椭圆形中的任一种；所说的Ω形母线(1-2)是硬母线弯制成的刚性的Ω形母线或多层薄片绕圆柱形绝缘物体构成的柔性的Ω形母线，刚性Ω形母线的圆筒部分为半圆筒到接近圆筒，开口处被绝缘固定，柔性的Ω形母线的圆筒部分有绝缘夹子，Ω形母线圆筒部分的两端分别设压板(35)，两压板接触面上有与Ω形母线吻合的槽或凸台，螺栓把两个压板夹紧Ω形母线中的绝缘物体固定在两压板之间，Ω形母线的材料为铜、铝、钢之中的任一种。

7.根据权利要求1所述的光学电流互感器，其特征是：把光学传感头及与之相关的构成基本光路的元件固定在所说的环形导体腔内的绝缘物体的形状为下述A、B、C、D、E、F、G、H中的任一种：

A、绝缘物体(3)为与环形导体内腔相配合的圆柱，其内有与传感头数量相同的平行于轴线且到轴线距离相等的通孔(4)，在圆柱形绝缘物体侧面有一个纵向槽(5)，在圆柱形绝缘物体端面从每个通孔(4)到纵向槽(5)分别开端槽(13)，内装基本光路的金属壳(12)分别装入通孔(4)内，光纤从端槽(13)引向纵向槽(5)，并从一端向外引出；

B、绝缘物体3的外部是圆筒(30)，其内部为至少一个纵向的平板(31)；

C、绝缘物体3的外部是圆筒，内部为十字形的板；

D、绝缘物体3的主体是平板，平板的两端为短段的圆筒；

E、绝缘物体3的主体是平板，板的两侧是通长的弧形板，其横断面呈工字形；

F、绝缘物体的中部是平板，两端各有一个与平板垂直的圆板；

G、绝缘板是Y状布置的三个板；

H、绝缘物体是浇注在环形导体腔内形成的；

当采用B、C、D、E、F或G方式时，基本光路封闭在金属壳内，并固定在平板上；

上述各种形式中的圆柱体、圆筒、弧形板、圆形板的外径都与环形导体的内腔直径相配合；

绝缘物体的材料为环氧树脂、不饱和树脂、橡胶、尼龙之中的任一种。

8.一种用于光学电流互感器的光电信息处理器，其特征是：光电信息处理器包括光电转换器(27)、交直流分离器(41)、反馈处理器(42)、可控电流源(40)和光源(29)，信息按照上述顺序传递，交直流分离器(40)输出交直流两种电信号，其中交流信号即为光学电流互感器的输出信号；其直流信号输入到反馈处理器(42)，反馈处理器(42)的输出连接到可控电流源(40)的输入端。

9.根据权利要求8所说的光电信息处理器，其特征是：所述交直流分离器(41)包括隔直放大器(46)和光电减法器(47)，隔直放大器(46)接收光电转换器(27)传来的电压信号，经过隔直而通过交流电压再经过放大后向外输出，即光学电流互感器的输出，同时向内输出到光电减法器(47)，光电减法器(47)还接收从光电转换器(27)传来的电压信号，将二者进行减法运算，得到直流电压信号；所述反馈处理器(42)包括光电放大器(43)、光电CPU(44)和基准电压源(45)，基准电压源(45)连接到光电CPU(44)上，基准电压源(45)是光电CPU(44)的内置电压源，光电放大器(43)接收从光电减法器(47)输出的直流电压信号，将该电压信号放大，并输出到光电CPU(44)，光电CPU(44)根据该直流电压信号，进行分析计算，输出数字信号指令；所述可控电流源(40)包括光源(29)、可调基准电压源(48)和数字电位器(49)，可调基准电压源(48)向光源(29)供电，数字电位器(49)接收光电CPU(44)输出的数字信号指令将其转换为电压信号，输出到可调基准电压源(48)，可调基准电压源(48)根据数字电位器(49)传来的电压信号改变了输出电压，进而改变了向光源(29)输入的电流强度，也就改变了光源(29)发出的光强度。

10.根据权利要求9所说的光电信息处理器，其特征是：所述光电信息处理器(23)中的可调基准电压源(48)的型号为MAX8880，光源(29)的型号为HFBR1414，数字电位器(49)的型号为X9110，所述可控电流源(40)中的可调基准电压源(48)的第1管脚和第2管脚之间串联电容C1，可调基准电压源(48)的第1管脚和第5管脚之间串联电阻R1，可调基准电压源(48)的第3管脚和地线之间串联有电容C2，可调基准电压源(48)的第3管脚和光源(29)的第2管脚之间串联电阻R2，可调基准电压源(48)的第3管脚连接到数字电位器(49)的第3管脚，可调基准电压源(48)的第3管脚连接到数字电位器(49)的第17管脚，运算放大器U3的正输入端与数字电位器(49)的第1管脚相连，运算放大器U3的负输入端与数字电位器(49)的第7管脚相连，运算放大器U3的输出端与数字电位器(49)的第7管脚相连，运算放大器U4的正输入端与数字电位器(49)的第19管脚相连，运算放大器U4的负输入端与数字电位器(49)的第11管脚相连，运算放大器U4的输出端与数字电位器(49)的第11管脚相连；所述反馈处理器(42)中的光电CPU(44)的第61管脚和第62管脚分别与数字电位器(49)的第9管脚和第14管脚相连，基准电压源(45)是光电CPU(44)中内置的电压源，运算放大器U6与电阻R3、R4、Rf共同构成光电放大器(43)，光电放大器(43)的输出连接到光电CPU(44)的第18管脚；所述交直流分离器(41)中的输入端点P51与光电转换器的输出端连接，运算放大器U51与电容C51、电阻R51、电阻R52构成隔直放大器(46)，电容C51的一端与输入端点P51连接，运算放大器U52与电阻R53、电阻R54、电阻R55构成光电减法器(47)，光电减法器(47)的输入端即电阻R53和电阻R54的另一端分别与隔直放大器(46)的输出端和交直流分离器(41)的输入端点P51连接，输出端P52与反馈处理器(42)的输入端P5连接，输出端P53即为光学电流互感器的输出端。

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