CN101907650B - 磁光平衡型光纤电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁光平衡型光纤电流互感器，该互感器在继承传统光纤电流互感器显著特征基础上，能够抑制多种因素在测量光纤中造成的双折射效应，从而提高测量光纤检测电流的准确度，实现光纤电流互感器的工程应用。

Description

磁光平衡型光纤电流互感器

技术领域

本发明涉及大电流计量检测用电流互感器，特别涉及一种用于超特高压场合的大电流计量检测的光纤电流互感器。

背景技术

随着电力系统传输容量的不断增加和电网电压的提高，广泛应用于110kV以上的电磁式电流互感器(Current Transformer，CT)已经暴露出诸多缺点：易发生爆炸；存在磁饱和现象；体积庞大；容易受到周围电磁环境的干扰。与传统的电磁式电流互感器相比，光学电流互感器(OCT)不存在上述缺点，甚至具有更高的准确度，已经得到广泛和深入的关注。

光学电流互感器OCT，按照高压区工作单元是否需要供电，通常可分为有源型和无源型两大类；按照传感机理和传感头的具体结构，又可分为全光纤型(FOCT)、光学玻璃型(BGOCT)、混合型(HOCT)、磁场传感器型和其它传感机理型。其中，全光纤型电流互感器(FOCT)的工作原理主要分为法拉弟效应、逆压电效应和磁致伸缩效应。基于法拉第效应的FOCT实现方案中，主要采用偏振检测方法或者利用法拉第效应的非互易性采用Sagnac干涉仪实现检测。

基于法拉第效应的FOCT，以其显著的隔离耐压高、施工方面等特点，成为在超特高压场合中解决大电流检测的最有效方法。但是由于光纤中的线性双折射效应严重影响电流检测的准确度，而引起双折射的因素较多，如光学传感器件的形变、内部应力、光源波长、环境温度、弯曲、扭转、振动等。

图1所示是一种基于法拉第磁光效应的传统全光纤电流互感器(FOCT)方案，图中，L是光源，LP是线性起偏器，OFC是光纤准直器，T1是被测电流导体上的传感光纤，A是检偏器，OEC是光电转换器，SPU是信号处理单元。入射偏振光在通过被测电流形成的磁场后，偏振面发生偏转，其法拉第偏转角Δθ₁和被测电流i₁的大小成正比。在Δθ₁≈sin(Δθ₁)的条件下，通过检测偏振光的光强，可计算出被测电流i₁的大小。

这种方案的缺点是，当被测电流i₁较大时，法拉第偏转角Δθ₁增大，就不满足Δθ₁≈sin(Δθ₁)的条件，检偏器A输出光强与被测电流i₁之间的非线性增强，导致检测结果的准确度降低；另外，光纤的线性双折射效应会导致应当输出的圆偏振光变成了椭圆偏振光，进一步加剧光强与被测电流之间的非线性关系。

发明内容

针对法拉第磁光效应的全光纤电流互感器FOCT中存在的线性双折射效应对测量准确度带来的影响，本发明提出了一种全新的、磁光平衡的光路设计方案及其控制技术，可抑制线性双折射效应、检测非线性等因素带来的影响，从而提高检测电流的准确度；并能保证全光纤电流互感器良好的绝缘特性，非常适合于超特高压场合的大电流计量检测。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种磁光平衡型光纤电流互感器，包括由n₁匝环绕在被测电流导体C上的传感光纤T₁及由光源L、线性起偏器LP和光纤准直器OFC组成的光输入部分，传感光纤T₁的光输出部分包括检偏器A以及光电转换器OEC，其特征在于，传感光纤T₁的光输出部分还包括一个带有光纤侧和电磁侧的磁光平衡单元T₂，磁光平衡单元T₂的电磁侧连接一个受控电流源CCS，形成电磁回路，传感光纤T₁的输出检测光通过磁光平衡单元T₂的光纤侧，连接到检偏器A以及光电转换器OEC；光电转换器OEC的输出连接到控制单元PIC，作为其输入，控制单元PIC的输出连接到受控电流源CCS，形成对传感光纤T₁输出光的闭环控制；受控电流源CCS输出至磁光平衡单元T₂的电磁侧，其电磁回路上串接一个取样电阻R_s，通过采样其端电压u_s，得到检测电流i₂。

上述方案中，所述磁光平衡单元T₂的光纤侧由n₂匝光纤缠绕成圆环骨架，其起始端连接传感光纤T₁的输出端；其终端连接到检偏器A；所述磁光平衡单元T₂的电磁侧由绕制在圆环骨架上n₃匝线圈绕组CW构成，其始、末端连接到受控电流源CCS，形成电磁回路。

本发明不依赖输出光强与法拉第旋转角之间必须满足线性关系这一条件，通过磁光平衡单元T₂及闭环控制，始终保持线偏振光处于起始平衡位置，而线性双折射效应带来的影响作为误差信号(即控制量)送入控制系统，通过闭环控制，自动得到补偿和校正，使得线性双折射效应产生的影响得到抑制，从而提高电流检测的高准确度，并保留了传统方案良好的绝缘特性。

此外，本发明设备简单，易于实现；且完全采用光纤进行高压隔离，并采用磁光平衡实现高准确度的信号调理。

附图说明

图1是一种基于法拉第效应的传统全光纤型FOCT原理图。

图2是本发明磁光平衡型光纤电流互感器原理图。

图3、图4是图2中磁光平衡单元T2的具体结构图。

图5是图2中光电转换器OEC、控制器PIC和受控电流源CCS的电路原理图。

图6是传统方案中线性双折射效应造成椭圆偏振光的仿真结果。

图7是本发明方案的检偏器输出的仿真结果。

图8是本发明方案被测电流i₁与检测电流i₂折算成被测电流的仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出的磁光平衡型光纤电流互感器原理如图2所示。通过改进图1中右边虚框部分的光路和电路实现。通过控制单元PIC的闭环控制作用，使得通过磁光平衡单元T₂中的线偏振光发生反向偏转-Δθ₂，那么通过检测电流i₂的大小，使得整个光纤的磁偏转角保持在光偏振的起始平衡位置，就可以得出i₂和i₁呈线性关系。

测量光纤环绕被测导体C缠绕n₁匝，构成传感光纤T₁，通过传输光纤AF连接光输入部分和光输出部分。光源L采用激光束，和起偏器LP、光纤准直器OFC一起组成光输入部分，将线偏振光注入到具有法拉第磁光效应的传感光纤T₁中，光输出部分包括检偏器A以及光电转换器OEC，磁光平衡单元T₂，控制单元PIC。传感光纤T₁的输出检测光通过磁光平衡单元T2的光纤侧连接到检偏器A以及光电转换器OEC；光电转换器OEC的输出连接到控制单元PIC，作为其输入，该控制单元PIC的输出连接导受控电流源CCS，形成对传感光纤T₁输出光的闭环控制；

如图3、图4所示，磁光平衡单元T₂是由n₂匝的光纤构成的圆环，然后采用漆包线在其上均匀缠绕n₃匝，绕组名称为CW。这样，以n₂匝光纤为骨架，以n₃匝空心线圈，在CW绕组上通以i₂的电流，CW绕组产生的磁场和光纤构成的圆环方向一致，则光纤圆环中的偏振光发生偏转。如果通过控制单元PIC的闭环控制作用，使得光纤圆环中的线偏振光发生反向偏转-Δθ₂，那么通过检测电流i₂的大小，使得整个光纤的磁偏转角保持在光偏振的起始平衡位置，就可以得出i₂和i₁呈线性关系。

如图5所示，检偏器A将检测到的光强I送入光电转换器OEC中，其内部的光敏二极管将光信号转换成电压信号，并与基准光强I_45°转换得到的基准电压信号作比较，误差作为控制单元PIC的输入；控制单元PIC的输出作为受控电流源CCS的控制量，控制注入线圈CW的电流i₂，使得偏转的线偏振光的偏转角度为零。则被测电流i₁和检测电流i₂之间满足通过检测i₂的大小，进而求出i₁的大小。

电流i₂的检测是在线圈CW上串接一个取样电阻R_s，通过采样其端电压u_s，得到电流i₂，最终被测电流为：

图6所示是传统方案中线性双折射效应造成椭圆偏振光的仿真结果，图7是本发明方案的检偏器输出的仿真结果，比较两者可知，传统方案中线偏振光在通过传感光纤T₁后，由于光纤线性双折射效应的存在，导致输出椭圆偏振光，降低了检测设备的灵敏度，进而降低了检测的准确度；新方案中，在磁光平衡单元T₂和闭环控制系统(OEC、PIC和CCS)的共同作用下，输出光仍然为线偏振光，消除了线性双折射效应的影响，图8是被测电流i₁(上图)和检测电流i₂折算成被测电流(下图)的仿真结果，可以看出，效果是理想的。

Claims (2)

1.一种磁光平衡型光纤电流互感器，包括由n₁匝环绕在被测电流导体C上的传感光纤T₁及由光源L、线性起偏器LP和光纤准直器OFC组成的光输入部分，传感光纤T₁的光输出部分包括检偏器A以及光电转换器OEC，其特征在于，传感光纤T₁的光输出部分还包括一个带有光纤侧和电磁侧的磁光平衡单元T₂，磁光平衡单元T₂的电磁侧连接一个受控电流源CCS，形成电磁回路，传感光纤T₁的输出检测光通过磁光平衡单元T₂的光纤侧，连接到检偏器A以及光电转换器OEC；光电转换器OEC的输出连接到控制单元PIC，作为其输入，该控制单元PIC的输出连接到受控电流源CCS，形成对传感光纤T₁输出光的闭环控制；受控电流源CCS输出至磁光平衡单元T₂的电磁侧，其电磁回路上串接一个取样电阻R_s，通过采样其端电压u_s，得到检测电流i₂；

所述检偏器A将检测到的光强I送入光电转换器OEC中，其内部的光敏二极管将光信号转换成电压信号，并与基准光强I_45°转换得到的基准电压信号作比较，误差作为控制单元PIC的输入；控制单元PIC的输出作为受控电流源CCS的控制量，控制注入线圈CW的电流i₂，使得偏转的线偏振光的偏转角度为零。

2.如权利要求1所述的磁光平衡型光纤电流互感器，其特征在于，所述磁光平衡单元T₂的光纤侧由n₂匝光纤缠绕成圆环骨架，其起始端连接传感光纤T₁的输出端；其终端连接检偏器A；所述磁光平衡单元T₂的电磁侧由绕制在圆环骨架上n₃匝线圈绕组CW构成，其始、末端连接受控电流源CCS形成电磁回路。

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