CN103969501B - 一种光学电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学电流传感器，包括依次连接的第一组件、第二组件和第三组件，第一组件用于放置在被测电流的远程端，包括光源、探测器、分束器、AD采集电路和第一信号处理装置；第二组件用于放置在被测电流的邻近端，包括消偏器、相位调制器、延迟线圈、第二信号处理装置和调制器驱动电路，消偏器与分束器通过单模光纤相连，第二信号处理装置与第一信号处理装置通过单模光纤相连；第三组件放置在被测电流的邻近端，包括依次连接的1/4波片、敏感光纤环和反射镜。该光学电流传感器能够避免干扰信号带来的测量误差和死区问题，具有测量准确度和可靠性高的优点。

Description

一种光学电流传感器

技术领域

本发明涉及一种电力设备技术领域，特别是一种新型的光学电流传感器。适用于现场环境恶劣的电力、冶金、化工、船舶等领域的交直流电流测量。

背景技术

电流传感器是电力***中继电保护与电能计量的重要设备，用来测量传输中的电流大小，并将测量到的电流大小发送至测量仪器和继电保护装置，其在电力、冶金、化工、船舶等诸多工业领域广泛应用。我国“十二五”规划建设具有“信息化、自动化、互动化”特征的智能电网，对电流传感器安全性、准确性等方面提出了新的更高要求。传统的电磁式电流传感器是基于电磁感应原理从一次电流上互相感应能量，存在绝缘结构复杂、安全性差、暂态特性差、难以实现直流测量等固有原理性缺陷，不能满足智能电网及其他工业领域技术发展的需求。为解决电磁式电流传感器所面临的问题，20世纪90年代以来，国内外开展了电子式电流传感器的研究。目前电子式电流传感器有罗氏线圈式、低功率线圈式、分流器式、磁光玻璃式、全光纤式等多种类型，其中全光纤式电流传感器是一种光学电流传感器，其采用光纤环作为敏感部件，并利用闭环信号检测技术，具有安全性好、可靠性高、暂态性能好等优点，成为光学电流传感器技术的主要发展方向。

现有的光学电流传感器的典型结构如图1所示，通常为前端光电单元和后端敏感单元的布局，前端光电单元包括光源、分束器、相位调制器、延迟线圈、探测器、AD采集电路、信号处理单元和DA驱动电路，相位调制器、分束器、探测器、AD采集电路、信号处理单元和DA驱动电路形成闭环结构，AD采集电路、信号处理单元和DA驱动电路为一个集成电路板设计，后端敏感单元包括1/4波片、敏感光纤环和反射镜。由于相位调制器与DA驱动电路之间是采用模拟连接方式，它们距离不能太远，否则容易受到干扰，也就是说，相位调制器与信号处理单元必须放置在一起，通常都集成封装在前端光电单元中，而相位调制器所在的前端光电单元与后端敏感单元之间连接光缆必须采用线性保偏光纤，现场安装调试时需要利用保偏光纤熔接机对其进行连接，这在实际使用过程中带来极大不便。此外，由于现有技术均采用DA驱动电路连接相位转换器进行模拟调制，AD采集电路进行数字采样的方式来实现信号处理，DA驱动电路的调制通道与AD采集电路的采集通道放置位置很近，不可避免地DA驱动电路输出的模拟信号串入AD采集电路的采样通道，形成电子干扰信号，这种干扰信号可以通过空间耦合，也可以通过电子线路串扰到解调通道，从而引起测量误差，更为严重的是造成调制波形频繁复位，即带来光纤陀螺技术中常见的“死区”问题，在小信号输入时出现了不敏感的现象，导致小电流测量时误差的增大，这种问题在电流传感器中的表现形式有所不同，主要会增加比差和角差，同时引起比差和角差的不稳定。

发明内容

本发明针对电磁式电流传感器存在绝缘结构复杂、安全性差、暂态特性差、难以实现直流测量等原理性缺陷以及现有的光学电流传感器存在使用不便利以及会产生干扰信号导致测量误差和死区的问题，提供一种新型的光学电流传感器，基于信号采集和调制分开设置的原理并结合远程控制调制解调技术，能够避免干扰信号带来的测量误差和死区问题，具有测量准确度和可靠性高的优点。

本发明的技术方案如下：

一种光学电流传感器，其特征在于，包括依次连接的第一组件、第二组件和第三组件，

所述第一组件，用于放置在被测电流的远程端，包括光源、探测器、分束器、AD采集电路和第一信号处理装置，所述光源和探测器均与分束器相连，所述探测器依次连接AD采集电路和第一信号处理装置；

所述第二组件，用于放置在被测电流的邻近端，包括依次连接的消偏器、相位调制器和延迟线圈，还包括第二信号处理装置和调制器驱动电路，所述调制器驱动电路分别与第二信号处理装置和相位调制器相连，所述消偏器与分束器通过单模光纤相连，所述第二信号处理装置与第一信号处理装置通过单模光纤相连；

所述第三组件，用于放置在被测电流的邻近端，包括依次连接的1/4波片、敏感光纤环和反射镜，所述1/4波片与延迟线圈相连；

所述第一信号处理装置接收AD采集电路的信号后进行解调处理得到相位误差数字信号，从而获得被测电流数据信息输出同时将该相位误差数字信号经电光转换后通过单模光纤传输至第二信号处理装置；所述第二信号处理装置接收相位误差信号并经光电转换后作为反馈相位调制信号通过调制器驱动电路施加至相位调制器。

所述光学电流传感器还包括绝缘子形成支柱绝缘子式传感器，所述第二组件设置于绝缘子底座内，所述第三组件设置于绝缘子顶端与高压接触。

所述第一信号处理装置采用分时调制技术对一个调制解调周期的信号通过差分解算和数字积分处理后得到相位误差数字信号。

所述分时调制技术施加的调制解调周期信号包括偏置相位调制信号和反馈相位调制信号，所述偏置相位调制信号分别为0，0，反馈相位调制信号分别为-Δφ_f，0，Δφ_f，所述调制解调周期的长度为3τ，τ为光波在光学电流传感器的光路中的传输时间，所述第一信号处理装置发送含有Δφ_f数据帧的信号至第二信号处理装置。

所述相位调制器为Y型模拟调制器，所述调制器驱动电路为DA驱动电路，所述第二组件还包括保偏分束器，所述Y型模拟调制器通过保偏分束器连接延迟线圈。

所述相位调制器为基于数字电极的Y型数字电极调制器，所述调制器驱动电路为数字开关电路，所述第二组件还包括保偏分束器，所述Y型数字电极调制器通过保偏分束器连接延迟线圈。

所述相位调制器为条型模拟调制器，所述调制器驱动电路为DA驱动电路，所述第二组件还包括起偏器，所述条型模拟调制器通过起偏器连接消偏器。

所述相位调制器为基于数字电极的条型数字电极调制器，所述调制器驱动电路为数字开关电路，所述第二组件还包括起偏器，所述条型数字电极调制器通过起偏器连接消偏器。

本发明的技术效果如下：

本发明提供的光学电流传感器，包括用于放置在被测电流的远程端的第一组件，还包括用于放置在被测电流的邻近端的第二组件和第三组件，第一组件中的分束器和第二组件中的消偏器通过单模光纤相连，第一组件中的第一信号处理装置和第二组件中的第二信号处理装置通过单模光纤连接，第一信号处理装置接收AD采集电路的信号后进行解调处理得到相位误差数字信号，从而获得被测电流数据信息输出同时将该相位误差数字信号经电光转换后通过单模光纤传输至第二信号处理装置；第二信号处理装置接收相位误差信号并经光电转换后作为反馈相位调制信号通过调制器驱动电路施加至相位调制器。本发明为基于法拉第磁光效应的光学电流传感器，可以避免传统的基于电磁感应原理的电流传感器存在的绝缘结构复杂、安全性差、暂态特性差、难以实现直流测量等原理性缺陷，具有安全、高效的优点；远程端的距离为光学电流传感器在施工使用的常用范围，可以是控制室至安装施工现场的距离，将光学电流传感器的第二组件和第三组件设置于现场，将第一组件设置于控制室内，现场和控制室内的中间连接为普通的单模光纤，在现场安装调试等施工作业时，更加便利，避免了传统的光学电流传感器的现场安装调试时利用保偏光纤熔接机连接导致不便的问题。将包括AD采集电路和第一信号处理装置的第一组件放置在被测电流的远程端，包括第二信号处理装置和调制器驱动电路的第二组件放置在被测电流的邻近端，拉开了调制器驱动电路与AD采集电路之间的距离，即调制器驱动电路的调制通道与AD采集电路的采集通道放置位置很远，驱动电路输出的模拟信号不会串入AD采集电路的采样通道，避免形成电子干扰信号，进一步避免了其导致的测量误差和死区的问题，提高了光学电流传感器的测量准确度和可靠性。

设置本发明光学电流传感器还包括绝缘子形成支柱绝缘子式传感器，适用于户外放置，优选将第二组件设置于绝缘子底座内，第三组件设置于绝缘子顶端与高压接触，此时第一组件可设置于远程室内的控制室内，实现结构更加合理化的远程调制的新型光学电流传感器的配置，远程距离可以达到10米至1000米，完全消除调制信号和解调信号的干扰，进一步避免因为信号干扰引起的误差。

第一信号处理装置采用分时调制技术对一个调制解调周期的信号通过差分解算和数字积分处理后得到相位误差数字信号，能够使得位于被测电流的远程端的第一信号处理装置发出的相位误差数字信号及时地通过单模光纤传输至放置在被测电流的邻近端的第二信号处理装置，避免了传输延迟与可靠性差的问题，通过分时调制技术实现在一个时间片的独立调制与解调，提高了光学电流传感器的测量的准确度和可靠性。

相位调制器可以为Y型模拟调制器或条型模拟调制器，此时调制器驱动电路为DA驱动电路，采用模拟调制技术，具有直观、容易实现的优点；相位调制器也可以是基于数字电极的Y型数字电极调制器或条型数字电极调制器，此时调制器驱动电路为数字开关电路，本发明提出了可采用数字电极调制的技术，具有抗干扰能力强，保密性好，便于集成化的优点。

附图说明

图1为现有的光学电流传感器的典型结构示意图。

图2为本发明光学电流传感器的结构示意图。

图3a和图3b均为相位调制器的优选结构示意图。

图4a和图4b均为优选的相位调制器的连接示意图。

图5为第一信号处理装置采用分时调制技术的优选工作原理图。

图中各标号列示如下：

1－第一组件；101－光源；102－分束器；103－探测器；104－AD采集电路；105－第一信号处理装置；2－第二组件；201－消偏器；202－相位调制器；203－延迟线圈；204－第二信号处理装置；205－调制器驱动电路；3－第三组件；301－1/4波片；302－敏感光纤环；303－反射镜；4－第一单模光纤；5－第二单模光纤；6－Y型调制器；7－保偏分束器；8－起偏器；9－条型调制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种光学电流传感器，其结构如图2所示，包括依次连接的第一组件1、第二组件2和第三组件3，其中，第一组件1用于放置在被测电流的远程端，包括光源101、分束器102、探测器103、AD采集电路104和第一信号处理装置105，光源101和探测器103均与分束器102相连，探测器103依次连接AD采集电路104和第一信号处理装置105；第二组件2用于放置在被测电流的邻近端，包括依次连接的消偏器201、相位调制器202和延迟线圈203，还包括第二信号处理装置204和调制器驱动电路205，调制器驱动电路205分别与第二信号处理装置204和相位调制器202相连，消偏器201与分束器102通过第一单模光纤4相连，第二信号处理装置204与第一信号处理装置105通过第二单模光纤5相连；相位调制器202、消偏器201、分束器102、探测器103、AD采集电路104、第一信号处理装置105、第二信号处理装置204和调制器驱动电路205形成闭环回路结构，第一信号处理装置105接收AD采集电路104的信号后进行解调处理得到相位误差数字信号，从而获得被测电流数据信息输出同时将该相位误差数字信号经电光转换后通过第二单模光纤5传输至第二信号处理装置204；第二信号处理装置204接收相位误差信号并经光电转换后作为反馈相位调制信号通过调制器驱动电路205施加至相位调制器202；第三组件3用于放置在被测电流的邻近端，包括依次连接的1/4波片301、敏感光纤环302和反射镜303，1/4波片301与第二组件2中的延迟线圈203相连。

图2所示的光学电流传感器可以是户外支柱式传感器，即通过增设绝缘子形成支柱绝缘子式传感器，此时，第二组件2可以设置于绝缘子底座内，第三组件3设置于绝缘子顶端与高压接触，第二组件2和第三组件3可以在与绝缘子安装好后形成整体放置于现场，第一组件1在被测电流的远程端，远程距离可以是几米至上千米，优选设置在控制室中。现场和控制室内的中间连接为普通的单模光纤，即第一单模光纤4和第二单模光纤5，在现场安装调试等施工作业时，更加便利，避免了传统的光学电流传感器的现场安装调试时利用保偏光纤熔接机连接导致不便的问题，只需要单模光纤熔接或者连接头插接即可实现。

第一组件1负责产生一束宽谱的激光，送至第一单模光纤4，同时接收第二组件2通过第一单模光纤4返回的光信号。在第一组件1内部，光源101在驱动电流的作用下产生宽谱的激光，输入分束器102的一端，激光通过分束器102的另一端输出，进入第一单模光纤4，第一单模光纤4连接第一组件1和第二组件2，并且，由于第一单模光纤4只负责传输光能量，允许断开重新熔接或者用连接器进行连接，方便现场安装和调试。

第二组件2负责接收第一单模光纤4传输过来的光信号，经过第二组件2内部的光路后返回携带电流信息的光信号，反向传输给第一单模光纤4。在第二组件2内部，第一单模光纤4传输过来的光信号经过消偏器201，进行偏振的均匀化处理，这里可以将第一单模光纤4熔接或者连接引入的偏振误差进行完美的抑制，避免了偏振涨落误差，保证光信号的稳定；经过消偏器201的光信号进入相位调制器202，完成相位调制。本发明中，相位调制器202采用的相位调制方案包括多种方式。

相位调制器可以采用模拟调制技术，例如是基于常规的Y型模拟调制器或条型模拟调制器，这两种方案需要配置的调制器驱动电路为DA驱动电路；相位调制器也可以采用数字电极调制技术，例如是基于数字电极的Y型数字电极调制器(如图3a所示)或条型数字电极调制器(如图3b所示)，这两种方案需要配置的调制器驱动电路为数字开关电路。无论是模拟调制技术还是数字电极调制技术，本发明的相位调制器采用Y型调制器(Y型模拟调制器或Y型数字电极调制器)时的光路优选连接一个保偏分束器，如图4a所示的连接示意图，Y型调制器6的合路端连接消偏器201，Y型调制器6的两个分路端分别通过0°和90°熔接点连接至保偏分束器7，即Y型调制器6通过保偏分束器7连接延迟线圈203。本发明的相位调制器采用条型调制器(条型模拟调制器或条型数字电极调制器)时的光路优选连接一个起偏器，如图4b所示的连接示意图，条型调制器9一端连接延迟线圈203，另一端通过45°熔接点连接起偏器8，即条型调制器9通过起偏器8连接消偏器201。

光信号经过相位调制器202后，分为了两束光，并且两束光的相位受到了相位调制器202的调制，会产生特定的相位差。这两束光波分别进入延迟线圈203的快轴(X轴)和慢轴(Y轴)，同时传播，经过延迟线圈203的传播后到达第三组件3中的1/4波片301，并且两束光波均以45°的角度入射到1/4波片301，快轴(X轴)的光波经过1/4波片301以后变为了右旋光(或者左旋光)，而慢轴(Y轴)的光波经过1/4波片301以后变为了左旋光(或者右旋光)。两束圆偏振光经过敏感光纤环302，敏感光纤环302绕在被测电流母线上，绝缘性能良好的敏感光纤环302对被测电流信号进行感应，在法拉第磁光效应的作用下，母线电流形成的环形磁场调制敏感光纤环302的光相位，该磁场在敏感光纤环302上的分量使得两束圆偏振光一个速度变快，另一个速度变慢，从而出现相位差，左旋光和右旋光的相位变化为ΔΦ和-ΔΦ，两束旋光(即左旋光和右旋光)在敏感光纤环302末端被反射镜303反射返回到敏感光纤环302，反向输入1/4波片301，经过延迟线圈203返回到相位调制器202发生光学干涉，干涉输出光强与法拉第相位差为余弦关系。

这个干涉光强信号反向通过消偏器201，经过连接第一单模光纤4返回到第一组件1中的分束器102，从第三端出射后抵达探测器103，探测器103为光电探测器是将光强信号转换为电压信号，送至AD采集电路104，转换为数字信号，进入第一信号处理装置105，经过信号处理装置105解调处理后，生成调制信号和反馈信号叠加的相位误差数字信号，从而获得被测电流数据信息输出同时将该相位误差数字信号经电光转换后通过光信号的方式进入第二单模光纤5，传输到远端的第二信号处理装置204，在第二组件2内部的第二信号处理装置204接收连接第二单模光纤5传过来的相位误差数字信号，经过光电转换后作为反馈相位调制信号通过调制器驱动电路205施加至相位调制器202，相位调制器202接收驱动信号后进一步用电信号实现对光信号的相位调制。这里，如果相位调制器202采用数字电极的话，调制器驱动电路205输出的是数字驱动信号；如果相位调制器202采用的是常规模拟电极，调制器驱动电路205就需要输出模拟电压驱动信号。

本发明中，第一信号处理装置105解算出总调制信号，经电光转换后通过第二单模光纤5传输至第二信号处理装置204，第二信号处理装置204接收总调制信号经光电转换后施加至相位调制器。而第二单模光纤5的光数字信号传输将带来时间延迟，为解决此时间延迟对调制和解调带来的影响，第一信号处理装置105优选采用分时调制技术对一个调制解调周期的信号通过差分解算和数字积分处理后得到相位误差数字信号，也就是说，第一信号处理装置105采用分时独立调制方式进行工作，可以实现在一个时间片内的独立调制与解调。具体如图5所示的第一信号处理装置采用分时调制技术的优选工作原理图，一个调制解调周期T的长度为3τ，τ为光波在光学电流传感器的光路中的传输时间，为光学电流传感器的本征周期。分时调制技术施加的调制解调周期信号包括偏置相位调制信号和反馈相位调制信号，偏置相位调制信号分别为0，0，反馈相位调制信号分别为-Δφ_f，0，Δφ_f。通过对第2，3个本征周期进行采样生成采样脉冲，所得探测器103光电转换的电压值分别为P₁，P₂。则有：

$P_1=P_0(1+cos({\mathrm{\Δ\φ}}_I+{\mathrm{\Δ\φ}}_f+\frac{\mathrm{\π}}{2}\left)\right)$

$P_2=P_0(1+cos({\mathrm{\Δ\φ}}_I+{\mathrm{\Δ\φ}}_f-\frac{\mathrm{\π}}{2}\left)\right)$

其中，P₀为光源101的输出功率，Δφ_I为被测电流产生的法拉第相移，令Δφ＝Δφ_I+Δφ_f为在T周期内平均相位增量。将P₁，P₂差分解算可得相位误差数字信号D₁：

D₁＝-P₁+P₂＝2P₀sin(Δφ)≈2P₀Δφ

对D₁进行数字积分可得数字积分器F_n的迭代关系：F_n＝F_n-1+D₁

通过选择合适的反馈回路增益K，则可获得此调制解调周期的电流输出，同时也是下个周期的反馈相位调制信号：Δφ_f＝K·F_n

事实上，T周期内反馈相位调制信号分别为-Δφ_f，0，Δφ_f，形成了一个3阶的小阶梯波，而并非现有技术通过数字不断累加产生的阶梯波。

由此可见，第一信号处理装置需要将反馈相位调制信号Δφ_f通过第二单模光纤5发送至第二组件2，也就是说，第一组件1中的第一信号处理装置105发送含有Δφ_f数据帧的信号经第二单模光纤5至第二组件2中的第二信号处理装置204。可采用的帧结构可以如表1所示：

表1

可以根据调制解调周期T的大小，确定传输波特率，保证在一个调制解调周期内将以上数据发送至第二组件2即可。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (8)

1.一种光学电流传感器，其特征在于，包括依次连接的第一组件、第二组件和第三组件，

所述第一组件，用于放置在被测电流的远程端，包括光源、探测器、分束器、AD采集电路和第一信号处理装置，所述光源和探测器均与分束器相连，所述探测器依次连接AD采集电路和第一信号处理装置；

所述第二组件，用于放置在被测电流的邻近端，包括依次连接的消偏器、相位调制器和延迟线圈，还包括第二信号处理装置和调制器驱动电路，所述调制器驱动电路分别与第二信号处理装置和相位调制器相连，所述消偏器与分束器通过单模光纤相连，所述第二信号处理装置与第一信号处理装置通过单模光纤相连；

所述第三组件，用于放置在被测电流的邻近端，包括依次连接的1/4波片、敏感光纤环和反射镜，所述1/4波片与延迟线圈相连；

所述第一信号处理装置接收AD采集电路的信号后进行解调处理得到相位误差数字信号，从而获得被测电流数据信息输出同时将该相位误差数字信号经电光转换后通过单模光纤传输至第二信号处理装置；所述第二信号处理装置接收相位误差信号并经光电转换后作为反馈相位调制信号通过调制器驱动电路施加至相位调制器。

2.根据权利要求1所述的一种光学电流传感器，其特征在于，所述光学电流传感器还包括绝缘子形成支柱绝缘子式传感器，所述第二组件设置于绝缘子底座内，所述第三组件设置于绝缘子顶端与高压接触。

3.根据权利要求1或2所述的一种光学电流传感器，其特征在于，所述第一信号处理装置采用分时调制技术对一个调制解调周期的信号通过差分解算和数字积分处理后得到相位误差数字信号。

4.根据权利要求3所述的一种光学电流传感器，其特征在于，所述分时调制技术施加的调制解调周期信号包括偏置相位调制信号和反馈相位调制信号，所述偏置相位调制信号分别为0，0，反馈相位调制信号分别为-Δφ_f，0，Δφ_f，所述调制解调周期的长度为3τ，τ为光波在光学电流传感器的光路中的传输时间，所述第一信号处理装置发送含有Δφ_f数据帧的信号至第二信号处理装置。

5.根据权利要求1或2所述的一种光学电流传感器，其特征在于，所述相位调制器为Y型模拟调制器，所述调制器驱动电路为DA驱动电路，所述第二组件还包括保偏分束器，所述Y型模拟调制器通过保偏分束器连接延迟线圈。

6.根据权利要求1或2所述的一种光学电流传感器，其特征在于，所述相位调制器为基于数字电极的Y型数字电极调制器，所述调制器驱动电路为数字开关电路，所述第二组件还包括保偏分束器，所述Y型数字电极调制器通过保偏分束器连接延迟线圈。

7.根据权利要求1或2所述的一种光学电流传感器，其特征在于，所述相位调制器为条型模拟调制器，所述调制器驱动电路为DA驱动电路，所述第二组件还包括起偏器，所述条型模拟调制器通过起偏器连接消偏器。

8.根据权利要求1或2所述的一种光学电流传感器，其特征在于，所述相位调制器为基于数字电极的条型数字电极调制器，所述调制器驱动电路为数字开关电路，所述第二组件还包括起偏器，所述条型数字电极调制器通过起偏器连接消偏器。