CN106324323B - 一种全光纤电流互感器及其电流测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全光纤电流互感器及其电流测量方法，它主要由传感单元、信号处理单元和合并单元三部分组成。所述传感单元采用法拉第磁光效应原理，用于感应被测导体的电流，并生成光强信号携带Faraday旋光角的数据信息。所述信号处理单元主要完成对传感单元光信号的输入、输出光信号的解析、数字化处理、温度补偿等，并按照规定的同步串行方式进行输出。所述合并单元完成对信号处理单元信息的同步、切换或并列逻辑，并传输给电气测量仪器和继电保护设备。

Description

一种全光纤电流互感器及其电流测量方法

【技术领域】

本发明涉及一种基于法拉第磁光效应原理的全光纤电流互感器。其适用于GIS的电能计量、继电保护和电量监测。

【背景技术】

电流互感器承担着电力***中电流的计量作用。作为GIS的重要组成部分，传统的电磁式电流互感器由于其体积庞大、成本高、动态范围小、易产生铁磁谐振、模拟量输出等不利因素，已不能满足智能电网对电流互感器低造价、体积小、线性度好、数字量输出、安全可靠的要求。有源式电子互感器在126～252kV电压等级的开关中应用日益可靠，虽然其具有体积小、数字量输出、无磁饱等优势，但由于其结构及原理的限制，在更高电压等级上的可靠性大大降低，影响智能电网的可靠运行。

【发明内容】

本发明提供了一种全光纤电流互感器及其电流测量方法，效解决传统电磁式互感器体积大、动态范围小、易产生铁磁谐振、开路产生高压、模拟量输出等不利因素，同时解决了有源电子式互感器抗干扰性差、结构复杂、稳定性差等弊端。满足智能电网对电流互感器低能耗、高准确度、安全、可靠的要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于法拉第磁光效应原理的全光纤电流互感器，包括传感单元、信号处理单元，以及合并单元，所述合并单元与电气测量仪器和继电保护设备连接，所述传感单元包括绕制成首尾相接的闭合圆环的传感光纤，该传感光纤的首尾分别熔接有反射镜和转换光纤，所述信号处理单元内设置有光源，该光源发出的光被分为两束光后，经转换光纤转换为旋转方向相反的两束光，经在传感光纤内传输后，被反射镜反射。

所述的转换光纤为螺旋结构双折射光纤，分为递增双螺旋段和均匀双螺旋段。

所述的反射镜熔接在传感光纤的末端，与传感光纤的截面呈45°夹角。

所述传感光纤安装在环形法兰的U形槽内，所述反射镜和转换光纤在U型槽的切线方向相互平行。

所述反射镜和转换光纤沿环形结构的法线方向紧贴布置。

所述转换光纤另一端通过保偏光纤与信号处理单元电连接。

所述的环形法兰为金属材料，上部覆盖绝缘材料的环型盖板，阻断了环形法兰的感应电流。

所述的传感光纤在保护环体中的绕制圈数，是根据被测电流的大小、互感器要求的精度和环体的尺寸决定。

所述信号处理单元包括光路模块、电路模块、电源模块和防护外壳，所述光路模块用于发射、接收和测量光信号，输出两束光的相位差，所述电路模块用于解析两束光的相位差，并以此计算电流，并将结果以数字信号输出。

所述光路模块包括发射光源的激光发射器、对光源发出的光进行耦合的耦合器、将光源分为两束线性偏振光的起偏器，与起偏器连接的调制器，对两束光进行干涉测量的光源探测器。

所述电路模块包括依次连接的信号处理和数字输出，其中，信号处理的输入端进一步连接有温度补偿，消除温度对测量偏差影响。

所述的数字输出将测量结构按照同步串行方式输出给合并单元。

所述的防护外壳，由铁磁材质制成，对放入其中的光路模块、电路模块、电源模块具有相应等级的防电磁屏蔽、防水、防潮功能，同时留有安装及数据输出、输入接口。

一种全光纤电流互感器的电流测量方法，光源发出的连续光被分为两束偏振方向相互垂直的光，转换光纤接收到该光后，将该两束垂直线性偏振光转换成左旋和右旋椭圆偏振光，经过在传感光纤中绕圆周传播，该两路偏振光被反射镜反射，同时两束椭圆偏振光的旋转方向也被 逆转；两路反射光回到转换光纤处，被转换为两路互相垂直的线性偏振光束，最后恢复为两路互相垂直的偏振光，该两束光被传回信号处理单元后，信号处理单元据此计算得到电流。

所述信号处理单元根据返回的两束光的相位差计算得到相位差。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：全光纤电流互感器能耗低、成本低、测量准确、性能稳定、安全可靠，易于安装维护，避免了电磁式互感器能耗高、容易产生开路和***危险的不足，同时消除了电子式互感器稳定相差、易受电磁场干扰的缺点。

【附图说明】

图1示出了本发明中传感单元的结构图。

图2示出了本发明中传感单元A-A结构图。

图3所示为本发明中全光纤电流互感器的***图。

图中:1、环型盖板；2、环型法兰；3、传感光纤；4、转换光纤；5、反射镜；6、保偏光纤。

【具体实施方式】

下面结合附图及具体实例对本发明作进一步详细说明。

一种基于法拉第磁光效应原理的全光纤电流互感器，它主要由传感单元、信号处理单元和合并单元三部分组成。所述传感单元采用法拉第磁光效应原理，用于感应被测导体的电流，并生成光强信号并携带Faraday旋光角的数据信息。所述信号处理单元主要完成对传感单元光信号的输入、输出光信号的解析、数字化处理、温度补偿等，并按照规定的同步串行方式进行输出。所述合并单元完成对信号处理单元信息的同步和并列逻辑，并传输给电气测量仪器和继电保护设备。

图1、2所示为本发明中传感单元的结构图，所述传感单元为圆环型结构，其主要由环型盖板1、环型法兰2、传感光纤3、转换光纤4、反射镜5和保偏光纤6组成，根据被测的额定电流、动稳定电流、测量精度及环型法兰2的U型槽尺寸，计算出传感光纤3的长度，在传感光纤3的一端熔接反射镜5，使反射镜5与光纤的截面成45°夹角。传感光纤3的另一端与转换光纤4熔接，使两根光纤的纤芯对正。同时将转换光纤4的另一端与保偏光纤6熔接，熔接时使两者的纤芯对正。在熔接完成后，将其绕制成首尾相接的闭合圆环并固定在环型法兰U型槽中，并使反射镜5和转换光纤3在U型槽的切线方向相互平行，并沿环形结构的切线方向紧贴布置，保偏光纤6作为传感单元的引出端从环型法兰2的出口引出，与后续的数据处理单元连接。

所述的转换光纤为螺旋结构双折射光纤，分为递增双螺旋段和均匀双螺旋段，将线性偏振光转换为椭圆偏振光；所述环形法兰为金属材料，中间开设有U型槽，传感光纤、反射镜、转换光纤绕制的圆环固定在U型槽中，所述环形盖板为绝缘材料，起到对外壳感应电流有阻断的作用，两者配合后对放在其中的光器件起到保护作用。

图3所示为本发明中全光纤电流互感器的***图，整***按功能划分为3部分，分别是传感单元、信号处理单元、合并单元。传感单元采用法拉第磁光效应原理，用于感应被测导体的电流，并生成光强信号携带Faraday旋光角的数据信息。信号处理单元主要完成对传感单元光信号的输入、输出光信号的解析、数字化处理等，并按照规定的同步串行方式进行输出。合并单元完成对信号处理单元信息的同步、切换或并列逻辑，并传输给电气测量仪器和继电保护设备。

所述的信号处理单元主要由光路模块、电路模块、电源模块和防护外壳组成。光路模块完成光信号的发射、接收、测量及输出，电路模块接收光路模块数据信息，并将其转换成数字信号输出。

所述的光路模块，主要由激光发射器、耦合器、偏振器、光电探测器等光学器件组成，对传感单元发射两束线性偏振光，同时对反射回来的两束线性偏振光，采用Sagnac干涉原理， 测量出两束偏振光的相位差。

所述的电路模块，通过对相位差的解析，对应出被测电流，将测量结果按照同步串行方式输出给合并单元。

所述的电源模块，是将外部供给的电源，转换成各电子元器件所需的电流量或电压量。

所述的防护外壳，由铁磁材质制成，对放入其中的光路模块、电路模块、电源模块具有相应等级的防电磁屏蔽、防水、防潮功能，同时留有安装及数据输出、输入接口。

在图3中，全光纤电流互感器测量电流的实现过程如下：数据处理单元中的光源在工作情况下，发出的连续光经过耦合器后，由起偏器起偏为两束线性偏振光，经调制器完成相位调制并分成两束偏振方向相互垂直的光，经过保偏光纤输出；在传感单元的传感光纤前端，转换光纤将两束垂直线性偏振光转换成左旋和右旋椭圆偏振光，椭圆偏振光在传感光纤中绕圆周传播；两路偏振光绕着导体转了几圈后，在传感光纤的终点有一个反射镜，对两束光进行反射，同时两束椭圆偏振光的旋转方向也被逆转；两路光回到转换光纤处，转换光纤再将它们转为两路互相垂直的线性偏振光束，由保偏光纤传回偏振器，恢复为两路互相垂直的偏振光，两束光波在光源探测器处发生相干叠加。

当导体中无电流时，两束光的相对传播速度相同，在光电探测器处相干叠加时没有相位差；当导体中有电流时，在通电导体周围会产生电磁场，在电磁场的作用下，围绕着载流导体的两束椭圆偏振光波，由于法拉第磁致旋光效应原理，载流导体形成的电磁场使一路椭圆偏振光减速，另一路椭圆偏振光加速，传感光纤终点的反射镜，将两路光信号反射回去，由于逆转使两束椭圆偏振光的加速、减速的效应得到了加倍，此时两束光的传播速度发生相对变化，即出现相位差。

两路光信号的相位差与被测电流有严格的对应关系，通过测量两束光的相位差对应出被测电流的大小，并将测量信息采用数字量输出给合并单元，合并单元对数据处理单元的数字量信 息按照IEC61850-9-2LE规约进行数字量转换,输出给继电保护***和电流测量计量仪表。

在实际应用时，传感单元为单相结构，每相分别安装在被测电流的外部，数据处理单元与传感单元一一对应，放置在就地或智能柜内，合并单元为三相共用式,放置在智能控制柜或保护室内。

以上内容是结合具体的优选方式对本发明所作的详细说明，不能认定本发明的实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，凡根据本发明精神实质所作的任何简单修改及等效结构变换或修饰，均属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种基于法拉第磁光效应原理全光纤电流互感器，其特征在于：包括传感单元、信号处理单元，以及合并单元，所述合并单元与电气测量仪器和继电保护设备连接，所述传感单元包括绕制成首尾相接的闭合圆环的传感光纤(3)，该传感光纤的首尾分别安装有反射镜(5)和转换光纤(4)，所述信号处理单元内设置有光源，该光源发出的光被分为两束光后，经转换光纤转换为旋转方向相反的两束光，经在传感光纤内传输后，被反射镜反射；

所述的转换光纤(4)为螺旋结构双折射光纤；

所述信号处理单元包括光路模块、电路模块、电源模块，所述光路模块用于发射、接收和测量光信号，输出两束光的相位差，所述电路模块用于解析两束光的相位差，并以此计算电流，并将结果以数字信号输出；

所述光路模块包括发射光源的激光发射器、对光源发出的光进行耦合的耦合器、将光源分为两束线性偏振光的起偏器，与起偏器连接的调制器，对两束光进行干涉测量的光源探测器。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于：所属转换光纤包括递增双螺旋段和均匀双螺旋段。

3.根据权利要求1所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于：所述反射镜(5)与传感光纤(3)的截面呈45°夹角。

4.根据权利要求1所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于：所述传感光纤安装在环形法兰的U形槽内，所述反射镜(5)和转换光纤(4)在U型槽的切线方向相互平行。

5.根据权利要求1所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于：所述反射镜(5)和转换光纤(4)沿环形结构的法线方向紧贴布置。

6.根据权利要求4所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于：所述的环形法兰(2)为金属材料，上部覆盖绝缘材料的环型盖板(1)，阻断了环形法兰的感应电流。

7.根据权利要求1所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于：所述信号处理单元还包括防护外壳；所述的防护外壳，由铁磁材质制成，对放入其中的光路模块、电路模块、电源模块具有相应等级的防电磁屏蔽、防水、防潮功能，同时留有安装及数据输出、输入接口。

8.一种基于权利要求1所述的全光纤电流互感器的电流测量方法，其特征在于：数据处理单元中的光源发出的光经过耦合器后，起偏为两束线性偏振光，经调制器完成相位调制并分成两束偏振方向相互垂直的光，经过保偏光纤输出；转换光纤将两束垂直线性偏振光转换成左旋和右旋椭圆偏振光，椭圆偏振光在传感光纤中绕圆周传播；两路偏振光绕着导体转了几圈后，在传感光纤的终点有一个反射镜，对两束光进行反射，同时两束椭圆偏振光的旋转方向也被逆转；两路光回到转换光纤处，转换光纤再将它们转为两路互相垂直的线性偏振光束，由保偏光纤传回偏振器，恢复为两路互相垂直的偏振光，两束光波在光源探测器处发生相干叠加；

当导体中无电流时，两束光的相对传播速度相同，在光电探测器处相干叠加时没有相位差；当导体中有电流时，两束光的出现相位差；两路光信号的相位差与被测电流有严格的对应关系，通过测量两束光的相位差对应出被测电流的大小。