CN101449174A - 具有总和检测的光纤电流传感器 - Google Patents

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Abstract

为了测量不同导体(6)中的电流总和，光在围绕所有导体(6)的光学传感光纤(4)中引导。传感光纤(4)可以单个圈或以几个单独的圈的形式缠绕在导体(6)上。散置的保偏光纤(7)和延迟器(3)用于在各个圈之间传导光以阻止来自于杂散磁场的不期望的信号。该方法具有很高的准确性，尤其适于测量总和为零的大电流。

Description

具有总和检测的光纤电流传感器
技术领域
本发明涉及利用光波在法拉第效应的影响下在光纤中的传播来测量电流的领域。
背景技术
利用法拉第效应的电流的光学测量具有显著的优点，例如，即使对于大的电流，仍有高度线性的响应，这对于在短路的条件下的测量很重要。
为了用光学传感器(诸如在EP1174719中举例描述的)测量两个或更多的电流的总和，每个带有其自己的控制电子装置的独立传感器可被使用。控制电子装置将来自于传感器的物理测量结果转换为数字化的数字。随后这些数字被相加以获得电流的总和。
发明内容
本发明的目的是提供允许测量不同导体中电流总和的改进的方法。此目的由权利要求1中的方法获得。
因此，光被引导入至少一个围绕所有导体的光纤。这基于这种理解，传感光纤中的两个圈偏振模式间的总相移将取决于被传感光纤围绕的导体中的电流的总和。
因此，本方法避免了每个光纤对单独的光学系统和控制电子装置的需求，在单独的光纤中也不需要任何系统平衡。通过每一个电流对磁场的并因此对沿着传感光纤传播的两个光波间的相移的加法的(或减法的)贡献，固有地执行这种求和。
术语“电流总和”解释为包括这样的情形：至少一个导体中的电流的方向相对于那个导体中的缠绕方向，不同于另一个导体中的电流方向相对于该另一个导体中的缠绕方向。在这种情形下，电流符号是相反的，也就是，电流总和对应于电流绝对值的差。例如，如果光纤以同样的方向缠绕于所有导体，而在一个导体中的电流流动方向与其他导体中的电流相反，这种情形可出现。当所有电流以同样的方向流动，而光纤顺时针缠绕它们中的一些并逆时针缠绕另一些，这种情形也可出现。
如果一组电流加起来为零总和电流，本方法尤其对监测有用。基于分离的测量系统的传统的方法，在这种情形下，缺点为：如果总和接近于0，即使单个电流的测量结果中的小的误差也能累加为总和中的显著误差。
被求和的电流可在数值、幅值和/或相位上不同。
所述方法通过利用缠绕于单个导体的不同数量的传感光纤绕圈，也可用于测量电流的加权总和。
本发明的尤其有用的应用为监测变压器的输入和输出电流。在没有漏电流时，这样的变压器的输入电流和输出电流应具有等于变压器的耦合比率的比率。因此，如果围绕输入和输出导体的传感光纤的圈数的比率对应于变压器的耦合比率，则引导光围绕承载输入和输出电流的导体使得能够监测该变压器。
附图说明
本发明将被更好的理解，并且当考虑了随后的详细描述时，除了上述阐述的那些之外的目的将变得明显。这样的描述参考附图，其中：
图1示出了本发明的第一实施例，
图2示出了本发明的第二实施例，
图3示出了本发明的第三实施例，
图4示出了本发明的第四实施例，
图5示出了本发明的第五实施例，
图6示出了本发明用于监测电流总和的两个应用，
图7示出了用于监测被保护对象的应用，
图8示出了图7的第一备选，
图9示出了图7的第二备选，
图10示出了本发明用于监测变压器的应用。
具体实施方式
本发明所考虑的光纤传感器可为采用法拉第效应的任何类型的光纤传感器，诸如在EP1174719中所描述的。它使用反射形式操作的光纤线圈(fiber coil)。电子装置模块经由保偏光纤(PMF，例如，椭圆芯光纤)，发送两个正交线性偏振的光波给围绕电流导体的传感光纤。在传感光纤入口端的延迟器转换线性波为左和右圆偏振光波。传感光纤中的圆偏振光波，由于法拉第效应，受到与电流成比例的不同相移。
然而，本发明也能与如EP856737所公开的萨格纳克(sagnac)型电流传感器一起使用。
传感光纤有利地如EP856737(热退火光纤，在小于200-500mm的小的环直径的情况下)中所描述的那样准备，或者如EP1512981(在较大的环直径且需要弹性环的情况下)中所描述的那样封装。
图1示出了用于测量分离的导体中的电流总和的第一实施例(在本实施例中为在三个导体中的三个电流)。
传感器控制单元1将两个线性偏振光波耦合到保偏光纤2中，在光纤2末端，它们穿过与光纤主轴成45°的λ/4延迟器3。在延迟器3中，光纤2的这两个线性模式转换为右和左圆偏振光波，所述光波沿着传感光纤4传播，被位于光纤4末端的反射镜5反射，并传播回延迟器3，在延迟器3它们转换回到两个线性偏振光波返回传感器控制单元2。传感器控制单元1被设置成测量在正沿着传感光纤4行进的两个圆光波间引入的相位延迟。
在图1的实施例中，传感光纤4在单个环中围绕三个导体6。然而，传感光纤4可形成任何整数N个环。传感光纤4的起始端(位于延迟器3)以及它的末端(位于反射镜5)必须在空间上一致，使得形成闭环且磁场沿着封闭的路径积分。那么传感器对来自于环外导体的杂散磁场的影响不敏感，且信号不依赖于环内导体的位置。
在传感光纤4中的两个圆偏振波之间的磁感生相移，取决于流过三个导体6的电流总和。正如上面提到的，这个总和对电流符号(即，电流的方向)敏感。例如，如果三个直流电流的绝对值的总和要被测量，则所有电流必须以同样的方向流过光纤环。如果一个电流以相反的方向流动，其将贡献相反的符号给总信号，也就是，它将被从其它两个电流的总和中减去。
在图2的第二个实施例中，每一个导体6被一个单个光纤环包围，且所有的导体6被另外的公共光纤环包围。围绕每个导体6的有效的环数因此为2。用正确的方向(顺时针或逆时针)包围所有导体6以使得所有电流以正确的符号被检测，很重要。
不同导体的光纤环数可不同，以便于计算不同电流的加权总和，其中每个总和的权重对应于围绕其的光纤环数。
在一些应用中，例如，在用于高压变电站的气体绝缘开关(GIS)中，需要的光纤环的直径和它们之间的距离可能相当大。如果使用图1或2的技术，这将导致相当长的传感光纤。随着光纤长度的增加，来自于弯曲和封装的应力以及光纤的各向异性可能愈加改变圆光波的偏振状态，并因此降低传感器的精度。
图3的实施例避免了这个缺陷，其减少了传感光纤的总长度。在该实施例中，每一个导体6具有它自己的单独的传感光纤4部分。不同的传感光纤4通过保偏光纤7连接。这些光纤7和光纤2是同样的类型，并用于从导体传递线性偏振光到导体。另外的1/4波长延迟器3设置在第一传感光纤部分的末端、第二传感光纤部分的开端和末端以及最后传感光纤部分的开端。延迟器3的双折射轴相对于相邻的PMF 7成45°取向。延迟器3在传感光纤4的各部分中将圆偏振波转换成沿着随后的PMF 7传播的两个线性偏振波，反之亦然。
最后的传感光纤部分被反射镜5终止以用于沿着PMF7和传感光纤4将光传送回传感器控制单元1。
在每个延迟器3和它相邻的PMF 2或7之间的45°角的符号必须适当地选择，以使得每个传感光纤线圈贡献正确的符号给总信号。例如，如果电流要被累加，在第一传感光纤部分中的左圆光波必须在其它部分中重新为左圆。这需要给定的传感光纤部分4的两个延迟器都相对于相应pm光纤的快轴成+45°或—45°(从保偏光纤朝向延迟器的方向看所见的角度)。
如果延迟器的方向选择成使得在第一传感光纤部分中的左圆光波在第二传感光纤部分中变成右圆，第二传感光纤部分必须以与第一传感光纤部分相反的方向缠绕导体以便于使两个电流以同样的符号贡献于信号。
为了测量两个电流的差，可使用图4的设置。此实施例利用第三实施例的技术，具有传感光纤4的两个部分之间的保偏光纤4和用于在PMF2和7中的线性偏振以及传感光纤4各部分中的圆偏振之间进行转换的1/4波长延迟器3。
在图4的实施例中，传感光纤4的两个部分以不同的方向缠绕导体6，传感光纤4的第一部分形成顺时针环，而传感光纤4的第二部分形成逆时针组。这确保两个电流以相反的符号对信号做贡献。
可替换地，两个环可以以同样的方向缠绕导体6，在这种情形中，延迟器3必须设置成将在第一传感光纤部分中的左圆光转换为在第二传感光纤部分中的右圆光，反之亦然。
用于测量两个电流间的差的可替换实施例如图5所示。此处，使用传感光纤4的单个部分，该部分以8字环的形式包围两个导体6。延迟器3和反射器5设置在该传感光纤部分的中央交叉点。向前传播的光围绕下部导体顺时针传播，而围绕上部导体逆时针传播。因此，传感器的信号对应于两个电流的差。
图6阐明了本技术的两个应用。它示出了具有三个输入/输出分支9、10、11的三相母线8。
根据本发明的第一传感器12监测输入/输出分支9的三个相位的电流总和。它是图1所示的类型，具有传感光纤4的单个部分，但是传感光纤4围绕输入/输出分支9的三个导体多次缠绕以增强信号。(注意，延迟器和反射镜在图6中未示出。)传感器12用于监测是否所述分支9的三个相位A、B和C中的电流总和为0。非零的总和指示系统中的问题。
第二传感器13例如是图3中所示的类型，具有围绕每个输入/输出分支9、10、11的相位A缠绕的传感光纤环。其监测所有分支的相位A的电流总和为0。非零的总和指示母线8中的问题。类似的传感器也可用于监测相位B或C中的电流总和。
图7中示出了另一个应用。此处，传感器监测流过连接于两个导体6的保护对象14的电流。假设，在正常的操作下，保护对象14正在工作以使得流入一个导体6的电流必须通过另一个导体6流出。
此处，传感器14被设置成测量流入和流出保护对象14的电流间的差，以便于监测没有故障/泄漏电流出现。
在图7的实施例中，围绕两个导体6的环具有同样的缠绕方向，但是位于第一导体6的延迟器3引入λ/4的相移，而位于第二导体的延迟器引入—λ/4的相移，因此，使得来自于两个电流的贡献在总和信号中相减。
图8示出了用于同样目的的实施例，但是此处两个环具有不同的缠绕方向，而延迟器3都引起同样的相移。
然而，用于减去两个电流的另一个实施例如图9中所示。其基本相应于图5的实施例，具有传感光纤4的单个部分。其形成两个以相反方向围绕两个导体6缠绕的环，环经由传感光纤4的中央部分15连接。在中央部分15中，两股传感光纤非常靠近地设置，因此最小化测量信号中的误差。
图10中示出了另一个应用。此处，传感器被用于监测具有第一电线圈17和第二线圈18的变压器16，第一电线圈17具有n1个绕组，第二线圈18具有n2个绕组。传感光纤4的具有N1个绕组的第一线圈19围绕第一电线圈17的导体缠绕，而传感光纤的具有N2个绕组的第二线圈20围绕第二电线圈18的导体缠绕。保偏光纤7在两个线圈19，20间延伸，且延迟器(未示出)用于传感光纤4中的圆偏振和PMF 7中的线性偏振的转换。
如果变压器16操作正确，第一和第二电线圈17和18中的电流的比率等于变压器的耦合比率n2:n1。当选择n2:n1＝N2:N1时，也就是，如果比率N2:N1等于变压器的耦合比率，则由传感器测量的信号在变压器理想操作时为零。在出现泄漏电流时，信号偏离0。因此，来自于传感器的信号允许及早地以及准确地检测变压器16中的泄漏。
本发明也适于至少两个导体中的电流不同的测量系统。电流可为交流或直流电流。在交流电的情形下，举例来说，电流的幅值和/或相位可不同。
参考标记列表
1：传感器控制单元
2：保偏光纤
3：延迟器
4：传感光纤
5：反射镜
6：导体
7：保偏光纤
8：母线
9、10、11：输入/输出分支
12、13：传感器
14：保护对象
15：中央部分
16：变压器
17、18：变压器线圈
19、20：传感光纤线圈

Claims (10)

1、一种利用光纤中的法拉第效应测量多个导体(6)中电流的总和的方法，其特征在于，光被引导到围绕所有所述导体(6)的至少一个光学传感光纤(4)中。
2、权利要求1的方法，其中，至少两个所述导体(6)的电流是不同的。
3、任一前述权利要求的方法，其中，光被单独引导围绕至少两个导体(6)。
4、权利要求3的方法，其中，两个圆偏振光波被引导围绕所述两个导体(6)中的每一个，并且其中，在所述两个导体(6)之间，延迟器(3)被用于将圆偏振光波转换为线性偏振光波，且特别地，其中所述线性偏振光波在至少一个保偏光纤(7)中从导体传递到导体。
5、权利要求3或4任一项中的方法，其中，光被以第一方向引导围绕所述至少两个导体(6)中的第一个，并以与所述第一方向相反的第二方向引导围绕所述至少两个导体(6)中的第二个，以便于测量所述导体(6)中的电流差。
6、权利要求3或4任一项中的方法，其中，光被以同样的方向引导围绕所述两个导体(6)两者，但是，当被引导围绕第一导体(6)时是左圆的光，转换为右圆光以被引导围绕第二导体(6)，反之亦然。
7、权利要求3至6任一项中的方法，其中，所述光被引导以N1个绕组围绕所述至少两个导体(6)中的第一个，并且以N2个绕组围绕所述至少两个导体(6)中的第二个，其中，N1≠N2，用于测量所述导体(6)中的电流的加权总和。
8、前述权利要求中的任一项的方法，其中，第一导体(6)为承载流过变压器(16)的第一线圈(17)的第一电流的导体，并且第二导体(6)为承载流过变压器的第二线圈(18)的第二电流的导体，其中，光被引导以N1个绕组围绕第一导体(6)且以N2个绕组围绕第二导体(6)，其中，N2：N1的比率等于变压器(16)的耦合比率。
9、前述权利要求中的任一项的方法，用于监测是否一组电流相加为零总和电流。
10、权利要求10的方法，用于监测变压器(16)。
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