CN101707129A - 一种全光纤电子式电流互感器敏感环 - Google Patents

Abstract

一种全光纤电子式电流互感器敏感环，由敏感环本体、敏感环上盖、敏感光纤、反射镜、1/4波片和保偏光纤组成。敏感环本体与敏感环上盖均采用环形结构，在敏感环本体的上表面留有U型槽，敏感光纤均匀绕制在U型槽底面。敏感环上盖固定于敏感环本体上部并密闭U型槽。反射镜和1/4波片分别位于敏感光纤的两端并固定在U型槽中，反射镜和1/4波片在环形结构的切线方向相互平行并沿环形结构的法线方向紧贴布置，在敏感光纤固定安装1/4波片的末端连接保偏光纤，保偏光纤作为敏感环的引出端。本发明具有应用形式灵活、体积小、重量轻、安全性高、安装维护便捷等特点，为全光纤电子式电流互感器的发展应用提供了必要的保证。

Description

一种全光纤电子式电流互感器敏感环

技术领域

本发明涉及一种用于光纤电子式电流互感器的敏感环结构。

背景技术

随着电力系统向高电压大电流方向的发展，传统的电磁式电流互感器尽管比较成熟，但存在敏感环体积大而笨重、安装困难、成本高、绝缘结构复杂、磁饱和现象等工程技术上的不足。Rogowsgi线圈式电子式电流互感器尽管其敏感环无磁饱和现象，但是其高压侧为有源电路，对互感器的可靠性会产生一定的影响，且该敏感环对二次负载和安装要求比较高，需要采取磁屏蔽。基于光学传感技术的磁光玻璃式和全光纤电子式电流互感器具有无磁饱和、安全性高等特点，一直受到国内外的广泛关注。全光纤电子式电流互感器采用了全光纤光路，可靠性及精度较磁光玻璃式互感器更高，因此成为国际上光学电流互感器发展的主流方向。

全光纤电子式电流互感器是基于法拉第磁光效应原理、以光纤为介质的新兴电力计量保护设备。敏感环是全光纤电子式电流互感器的敏感元件，其设计对全光纤电子式电流互感器在电力系统应用中的安全性和可靠性起至关重要的作用。

近年来，国内一些高校、企业对全光纤电子式电流互感器跟踪探索研究，但目前为止仍没有成熟的技术与产品问世。国外的ABB、Nxtphase公司有相关的产品报道，但该报道仅对相关产品的光路原理进行了简单介绍，并未对电流互感器敏感环的设计方案进行介绍。

专利申请号为200810116486.X，名称为《光纤电流传感器敏感线圈的制备方法》的专利公开了一种敏感线圈的制备方法，采用该方法制备的敏感线圈对于电流传感器敏感环的制备有一定的借鉴意义，但采用该方法制备的敏感线圈厚度较大、光纤绕制有悬空、且光纤侧面固定不平稳。若采用该方法制备的敏感线圈作为敏感环，存在敏感环体积、重量大，可靠性低，制备困难，现场应用灵活性差等不足。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可靠性高、体积小、重量轻、制备简便的全光纤电子式电流互感器敏感环。

本发明的技术解决方案是：一种全光纤电子式电流互感器敏感环，包括敏感环本体、敏感环上盖、敏感光纤、反射镜、1/4波片和保偏光纤，敏感环本体采用环形结构，所述环形结构的上表面留有U型槽，敏感光纤均匀绕制在所述U型槽底面，敏感环上盖为与敏感环本体相匹配的环形结构，敏感环上盖固定于敏感环本体上部并密闭所述U型槽，反射镜和1/4波片分别位于敏感光纤的两端并固定在所述U型槽中，反射镜和1/4波片在所述环形结构的切线方向相互平行并沿所述环形结构的法线方向紧贴布置，在敏感光纤固定安装1/4波片的末端连接保偏光纤，保偏光纤作为敏感环的引出端。

所述的敏感环本体采用线膨胀系数小于5.0×10^-5/K的材料。

所述的敏感环上盖采用绝缘材料。

所述的绝缘材料为电阻率大于10¹²Ω·cm的材料。

所述的敏感光纤通过胶固定于所述U型槽的内壁。

所述的敏感环本体上设有用于敏感环本体与敏感环上盖固定连接的螺纹孔以及用于敏感环本体与安装基面固定连接的螺纹孔。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明敏感环在敏感环本体上表面开设U型槽，并采用平面渐开螺旋的方式绕制敏感光纤，并对敏感光纤、反射镜和1/4波片进行固定，避免了敏感环内部光纤绕制空间上的悬空现象、使得敏感光纤在敏感环本体上绕制平稳，有效避免了光纤绕制时外部应力造成的光纤断裂和损伤，提高了敏感环工作过程中的可靠性，且在制备操作时容易实施，便于安装和维护，为全光纤电子式电流互感器在电力系统中的发展应用提供了保障；

(2)本发明敏感环本体和敏感环上盖采用的环形结构形态，既可以是GIS法兰嵌入式安装，也可以是套筒式、悬挂式、支柱式等其它安装方式，应用形式灵活多样；

(3)本发明中敏感环本体采用线膨胀系数小于5.0×10^-5/K的材料制备，如铝合金等，该种材料机械强度高、重量轻，无发热现象，在显著减轻传感器重量的同时，保证了敏感环运行过程中的可靠性；

(4)本发明敏感环上盖采用绝缘材料，如环氧玻璃层压布板材料等，可有效消除感应环流对敏感环测量精度的影响；

(5)本发明敏感环采用胶对敏感光纤进行固定，可以有效减小敏感光纤所受应力。

附图说明

图1为本发明敏感环的总体结构图；

图2为本发明敏感环本体的横截面图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明全光纤电子式电流互感器敏感环的总体结构图，包括敏感环本体1、敏感环上盖2、敏感光纤3、反射镜4、1/4波片5和保偏光纤6。敏感环本体1采用环形结构，在环形结构的上表面留有U型槽，敏感光纤3均匀绕制在U型槽的底面，并通过胶对敏感光纤进行固定，如图2所示。采用该种方式，可以有效保护敏感光纤3、反射镜4和1/4波片5免受外部损伤，同时容易将敏感光纤3、反射镜4和1/4波片5的绕制位置限制在一个水平面上。敏感环上盖2为与敏感环本体1相匹配的环形结构，敏感环上盖2固定于敏感环本体1上部并密闭U型槽，反射镜4和1/4波片5分别位于敏感光纤3的两端并固定在所述U型槽中，反射镜4和1/4波片5在所述环形结构的切线方向相互平行并沿所述环形结构的法线方向紧贴布置，在敏感光纤3固定安装1/4波片5的末端连接保偏光纤6，保偏光纤6作为敏感环的引出端，与传感器其它部件连接。

在敏感环本体1的上表面开有用于与法兰和敏感环上盖2连接的螺纹孔，分别用于与敏感环上盖2和安装基面进行连接。

由于敏感环的光路是基于法拉第磁光效应原理，只有敏感光纤能产生此效应。为了保持敏感信号传输光的偏振态不变、抗干扰能力强，选取保偏光纤作为敏感环的引出端。

敏感环本体1的主体结构设计为一种环形骨架，为了保证敏感环本体1的结构尺寸及精度长期稳定，需要对其进行稳定处理。另外，为了应用的灵活性，敏感环本体1还可以采用其它的环形结构形态，既可以是GIS法兰嵌入式安装，也可以是套筒式、悬挂式、支柱式等其它安装方式。敏感环本体1的尺寸可以根据现场应用的电压等级以及安装方式来具体综合确定。

图1中，将敏感环本体1的一处设计为转角凸出结构，以便于灵活安装1/4波片5和保偏光纤6。转角凸出结构作为敏感环的过渡件也可以根据现场安装方式进行灵活设计。

敏感环本体1采用线膨胀系数小于5.0×10^-5/K的材料制成，如选用铝合金、石英、陶瓷材料等，这些材料重量轻且机械强度高，可以有效地预防因环境变化所产生的形变。其中，石英的热膨胀系数最小、陶瓷次之、铝合金稍高，但是石英和陶瓷加工困难、而且易脆，铝合金易加工，成本相对较低。敏感环本体1选用的材料的线膨胀系数只有与敏感光纤3和固定敏感光纤3所用的胶的线膨胀系数相近，才可以尽量减小由热胀冷缩所引起的热应力。通常敏感光纤3的线膨胀系数为5.0×10^-7/K，胶的线膨胀系数约为10^-4/K，综合考虑，敏感环本体1采用线膨胀系数小于5.0×10^-5/K的材料。

敏感环上盖采用绝缘材料制成，绝缘材料的电阻率大于10¹²Ω·cm，如选用环氧玻璃层压布板材料及工程塑料等。这些材料重量轻且容易加工、成本低，可以有效地消除感应环流对敏感环精度的影响。

实施例

首先采用热膨胀系数为2.0×10^-5的铝合金材料将敏感环本体1制备成环形结构，敏感环本体1的外径为335mm，内径为280mm，厚度为19mm。采用环氧玻璃层压布板材料将敏感环上盖2制备成与敏感环本体1相匹配的结构形态，敏感环上盖2的外径为335mm，内径为280mm，厚度为3mm。此外，在敏感环本体1的上表面设置4个与水平轴向成45°的螺纹孔用于与法兰连接，螺纹孔中心距敏感环本体1的轴心距离为143.5mm。在敏感环本体1的上表面还设置有7个螺纹孔用于与敏感环上盖2连接。

其次在敏感环本体1的U形槽底面中心处制作宽度为10mm的凹槽，用以限定敏感光纤3、反射镜4和1/4波片5的绕制位置，同时保护敏感光纤3、反射镜4和1/4波片5免受外部损伤。

随后将敏感光纤3均匀绕制在凹槽中，通过胶对敏感光纤3固定。敏感光纤3的两端分别安装反射镜4和1/4波片5，并将反射镜4和1/4波片5以沿环形结构的切线方向相互平行并沿环形结构的法线方向紧贴的方式固定在凹槽中，在敏感光纤3的一端使用石英管安装反射镜4，反射镜4在与敏感光纤3连接的一端采用光纤熔接技术固定，另一端用胶固定于凹槽中。在敏感光纤3的另一端使用石英管安装1/4波片5，1/4波片5在与敏感光纤3连接的一端采用光纤熔接技术固定，另一端采用同样技术与保偏光纤6固定。保偏光纤6作为敏感环的引出端，并通过热缩套管对引出端进行防护。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种全光纤电子式电流互感器敏感环，其特征在于包括：敏感环本体(1)、敏感环上盖(2)、敏感光纤(3)、反射镜(4)、1/4波片(5)和保偏光纤(6)，敏感环本体(1)采用环形结构，所述环形结构的上表面留有U型槽，敏感光纤(3)均匀绕制在所述U型槽底面，敏感环上盖(2)为与敏感环本体(1)相匹配的环形结构，敏感环上盖(2)固定于敏感环本体(1)上部并密闭所述U型槽，反射镜(4)和1/4波片(5)分别位于敏感光纤(3)的两端并固定在所述U型槽中，反射镜(4)和1/4波片(5)在所述环形结构的切线方向相互平行并沿所述环形结构的法线方向紧贴布置，在敏感光纤(3)固定安装1/4波片(5)的末端连接保偏光纤(6)，保偏光纤(6)作为敏感环的引出端。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤电子式电流互感器敏感环，其特征在于：所述的敏感环本体(1)采用线膨胀系数小于5.0×10^-5/K的材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种全光纤电子式电流互感器敏感环，其特征在于：所述的敏感环上盖(2)采用绝缘材料。

4.根据权利要求3所述的一种全光纤电子式电流互感器敏感环，其特征在于：所述的绝缘材料为电阻率大于10¹²Ω·cm的材料。

5.根据权利要求3所述的一种全光纤电子式电流互感器敏感环，其特征在于：所述的敏感光纤(3)通过胶固定于所述U型槽的内壁。

6.根据权利要求3所述的一种全光纤电子式电流互感器敏感环，其特征在于：所述的敏感环本体(1)上设有用于敏感环本体(1)与敏感环上盖(2)固定连接的螺纹孔以及用于敏感环本体(1)与安装基面固定连接的螺纹孔。

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