CN102084259B - 三相法拉第光学电流传感器组件 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种方法和一种系统，用于将法拉第光学电流传感器(12a，12b，12c)固定在合适的测量位置，以测量三相电缆(14)中的电流。三相电缆(14)包括3根独立的构成截面局部的相线(16a，16b，16c)，它们相互绝缘并且包埋在绝缘材料(18)里。所述方法包括提供一种法拉第光学电流传感器装置，该装置包括3个法拉第光学电流传感器(12a，12b，12c)，每个法拉第光学电流传感器都被固定在构成截面局部的相线(16a，16b，16c)的外侧的特定位置，并且提供根据磁场值计算电流值的处理单元。所述方法通过用3个法拉第光学电流传感器(12a，12b，12c)中的每一个测量3个磁场值并且用处理单元和3个磁场值计算每根构成截面局部的相线(16a，16b，16c)中的电流来完成。

Description

三相法拉第光学电流传感器组件

背景技术

三相中压电缆被用在许多应用中，用于将电能从发电机或者变电站分送到消费者。三相电缆一般被用作配电网，向电动机或者电力电子设备供电。在这种三相电缆网中，需要测量分配给消费者的电流。必须测量电流，以确定和记录传输到每个消费者的电力，并且在出故障或者出错的情况下，例如配电网中发生短路，也能起作用。历史上，电缆网被用作低压和中压应用，而高架线被用作高压应用，这是由于高压时需要增加绝缘。但是，高架线有更易受环境，例如暴风雨、暴风雪等等的影响的缺点。新开发的高压绝缘材料和对无断流配电网的更大依赖导致高压电缆代替了高架线。

三相电缆一般具有独立的三相导线，包埋在一个共同的绝缘材料里。每根相线都通过被包埋在高压绝缘材料中而与电缆里的其他相线单独绝缘。为了获得高效的和公知为圆形的电缆，一般每根相线都在电缆里占据一个构成截面局部的(section-shaped)空间。导电材料的屏蔽层一般包括绝缘线。屏蔽层一般接地，并且主要用作隔离物，用于保护3根相线，以免损坏，并且保护人员，以免在绝缘损坏的情况下触电。如果需要，屏蔽层还被用作电流的回路。

为了测量三相电缆中的电流，电缆一般需要断电，并且Rogowski线圈或者电流互感器之类的测量设备也必须分别与每一相相连。这非常麻烦，并且也很冒险，因为必须从电缆上除去外绝缘和屏蔽层。对于甚高压，不总能隔离各相，或者所需的测量设备会占据非常大的空间，因为需要大的绝缘距离。因此，能在三相电缆上直接测量所有的三相电流将是有利的。

在单相中测量电流的有利技术已经在2008年5月30日提交的欧洲专利申请08388018.7中作了描述，该申请在本申请的申请日还没有公开。上述专利申请的副本已经作为附件1被包含在本专利申请中。在上述专利申请中，用法拉第光学电流传感器在单相电力线中测量电流。

法拉第光学电流传感器可用于测量附近导线中的电流。法拉第光学电流传感器依靠法拉第效应。法拉第效应说的是偏振光束的旋光度与光束方向上的磁场分量成正比。电荷在导线内迁移会在导线周围产生环形磁场。因此，通过平行于磁场线方向放置法拉第电流传感器可以测量电流的大小。

与常规的电流测量设备相比，例如电流互感器、Rogowski线圈等等，用法拉第光学电流传感器提供了许多优点。最重要的优点之一是法拉第光学电流传感器可以完全由绝缘材料构成的事实。这对高电压应用来说尤其重要，因为它赋予了法拉第光学电流传感器相当大的克服电场干扰的抗扰性。法拉第光学电流传感器的另一个重要优点是因为它与导线电分离，并且它从不影响导线中的电流。这几乎消除了导线通过测量系统而短路的风险。这种法拉第光学电流传感器的一个例子是本申请人的公司生产的并且在US7,068,025中描述的DISCOSOpti模块，引用该文献，因此该文献通过引用被结合于本说明书中。可以在PCT申请WO2006/053567和WO 04/099798中发现另一个例子，因此这两份文献都通过引用被结合于本申请中。

法拉第光学电流传感器包括传感元件，传感元件是对磁场敏感并且一般以抗磁性的棒、纤维或者类似物形成的磁光部件，它们用表现出高法拉第效应的材料制成。不难理解，这是指具有高维尔德常数的材料。维尔德常数是法拉第效应的比例常数，它因材料不同，变化相当大。各种合适的材料存在列表值。偏振光的旋光角可以用下式描述：

β＝V×B×d

其中β是旋光角，d是磁场和光相互作用的路径的长度，B是光传播方向上的磁场，而V是维尔德常数。导线外侧某位置处的磁场可以用下面公知的公式来计算：

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{2\mathrm{\πr}}$

其中B是磁场，μ₀是磁常数，I是电流，而r是距导线的距离。

可以为磁光部件供应来自光源的偏振光，例如发射特定波长的线偏振光的灯或者LED。光源可以包括偏振滤光器，用于产生具有特定线偏光度的光。射出磁光部件的光可以被检测，并且优选被检测单元转换成电信号。检测单元检测射出磁光部件的偏振光的旋光度。控制单元可以评价来自检测单元的信号；进行必要的纠错和计算，以确定导线中的电流。可能的误差来源包括传感器相对于电力线的位置、光学噪声、磁噪声、当光进出不同光学介质时的过渡效应以及温度的影响。法拉第光学电流传感器优选在使用之前校准，例如通过与常规的电流测量设备比较测量结果。常规的电流测量设备可以包括例如电流互感器。校准之后，法拉第光学电流传感器可以代替常规的测量设备，用于监视导线中的电流。法拉第光学电流传感器也可以用来检测故障电流，例如短路电流，并将这种现象报告给安全系统，接着安全系统可以激活相应的断路器和后备系统，以免损坏配电网络中的其他设备。

磁光部件、光源和检测单元优选经光纤之类的光导管连接。光纤提供了相当大的挠性，并且允许光远距离传播，而光强度没有大的损失。但是，重要的是要知道光纤的挠性是有限的。如果弯曲超过挠性限制，光纤可能因断裂、损坏或者变形而出故障。光纤因过度弯曲而出的故障一般会永久地使它无法用于传导光。一般的光纤可以弯曲的程度比电缆小得多。

为了更好地处理与保护，以防损坏和环境光源，磁光部件及其与光导管的端部的接合处用小的圆柱形外壳封装起来。光学法拉第光学电流传感器的上述所有特点使得大量的新测量位置变得可行。

由于光学传感器可以只用介电材料来构造，因此该传感器可以放在其他传感器，即包括导电材料的传感器不适合放的位置。这样的位置包括受强电场影响的地方，这在强电流和高电压工程中是常见的。另外，法拉第光学电流传感器非常紧凑而且轻，因为它们不含任何金属部件。由于高压应用需要安全距离，因此用于高压应用的电流互感器的尺寸常常有几米，与之相比，用于高压和强电流应用的磁光部件可以实现毫米范围内的尺寸。这种大电流互感器不能直接在三相高压电缆上精确地测量电流。因此需要一种用法拉第光学电流传感器直接在三相电缆上测量电流的电流测量系统和方法。

发明内容

因此，根据本发明的目的是提供一种方法和一种系统，用于将法拉第光学电流传感器固定在合适的测量位置，以测量三相电缆中的电流。

根据以下详细说明，上述需要和上述目的以及其他许多需要和目的是显而易见的，根据本发明的第一方面，它们是由一种用于测量三相电缆中的电流的系统获得的，所述三相电缆包括3根独立的构成截面局部的相线，它们彼此绝缘并且被包埋在绝缘材料里，所述三相电缆限定沿所述三相电缆的纵向维度和垂直于所述纵向维度的径向维度，所述系统包括：

法拉第光学电流传感器装置，该装置包括3个用于测量3个磁场值的法拉第光学电流传感器，每个法拉第光学电流传感器被固定在所述构成截面局部的相线的外侧的特定位置，

处理单元，用于根据磁场值计算电流值，并用3个磁场值计算每根所述的构成截面局部的相线中的电流。

构成截面局部的导线应该用厚得足以承受电压差的高压绝缘层分离，以免相线短路的任何风险。高压绝缘材料应该进一步厚得足以防止从相线到周围地电势的任何短路。相线原则上可以具有任何形状，但是，为了形成圆形的三相电缆，相线优选制成构成截面局部的。纵向维度用于表示沿三相电缆的方向，它与3根构成截面局部的相线中的电流路径相同。径向维度表示相对于三相电缆向外的方向，垂直于电流路径。

在这里，导线外侧应该理解为意指导线本身的外侧，但不一定是三相电缆外侧。法拉第光学电流传感器可以放在并可靠地固定在电缆外侧。作为替换方案，法拉第光学电流传感器可以部分或者完全放在三相电缆内的狭槽中。又一个替换方案可以是将法拉第光学电流传感器完全包埋在三相电缆内。法拉第光学电流传感器的特定位置被理解为意指根据法拉第光学电流传感器的工作原理获得合适测量结果的位置。固定可以包括简单的条带(strip)，用于将法拉第光学电流传感器永久固定在三相电缆上。处理单元可以包括运行算法的数字计算单元，例如电脑等。作为替换方案，可以使用等效的模拟装置。法拉第光学电流传感器可以测量传感元件位置处的磁场值，传感元件位于法拉第光学电流传感器内。传感元件位置处的磁场值取决于每根相线内的电流。因此，通过测量三相电缆周围3个不同位置处的磁场，可以得出每一根三相导线内的电流。每个法拉第光学电流传感器优选位于独立的相线附近。主要是最近的相线，但是两根远的相线也，会影响法拉第光学电流传感器。法拉第光学电流传感器装置被理解为包括3个法拉第光学电流传感器，每个法拉第光学电流传感器都包括用于发射和接收光信号的控制单元和两个用于在每个传感元件和每个控制单元之间往返传递偏振光信号的光导管。法拉第光学电流传感器优选包括包围传感元件的外壳。外壳保护传感元件，并将传感元件与外壳外部的任何环境光源隔开。外壳应该设置进口和出口，用于接收所设置的光导管。外壳会阻断从外壳逸出或者进入外壳的任何光，除非通过所设置的光导管。

根据本发明的方法的另一个特点，每个法拉第光学电流传感器可以限定一个单独的光传播方向，并且该方法还可以包括如下初始步骤：

将法拉第光学电流传感器环形间隔特定的角度定位在三相电缆周围、相对于纵向维度距离相等的位置处，并且将其定向，以便法拉第光学电流传感器的光传播方向基本垂直于纵向维度和径向维度定向，

用3个法拉第光学电流传感器中的每一个测量3个磁场值，

用处理单元和3个磁场值计算每根构成截面局部的导线内的电流值，

将法拉第光学电流传感器固定在电流值的算术和达到最大的最佳测量位置。

法拉第光学电流传感器的位置是获得可能最佳的测量结果的关键。最佳测量结果是在最佳测量位置获得的，在最佳测量位置处，3个法拉第光学电流传感器中的每一个都被定位在尽可能靠近分离的相线的中心位置处，即相线的对称线上。法拉第光学电流传感器还应该被定向，以使传感元件、即光传播方向平行于磁场方向。众所周知，根据毕奥-萨伐尔(Biot-Savarts)定律，磁场环绕电流方向形成环形路径。在将法拉第光学电流传感器、从而将定向传感元件如上所述定向在垂直于纵向维度和径向维度的方向上时，光传播方向会与环形磁场方向的切线方向相交。

将法拉第光学电流传感器固定在测量电流的算术和达到最大的位置处，可以确保找到最佳测量位置。法拉第光学电流传感器可以绕三相电缆旋转，直到发现最佳测量位置。这同时适用于同步和反向电流系统。

另外，在所有的三相导线上施加相同的参考电压，并根据测量电流计算功率值，可以确保通过使所有的三相导线内的功率之和最小，来测量纯同步和/或纯反向系统。由于施加的电压相同，因此众所周知，对于同步或者反向系统，功率之和一定是0。

根据本发明的方法的另一个特点，法拉第光学电流传感器可以固定在接触三相电缆的外表面的绝缘材料的外侧。将法拉第光学电流传感器固定在三相电缆的表面上，可以确保通过在绝缘材料上构造凹槽等，将法拉第光学电流传感器的传感元件定位得尽可能靠近相线，而无需减小高压绝缘材料的厚度和降低其绝缘性能。法拉第光学电流传感器可以优选具有凹槽等，以适应圆形的三相电缆，并适合将传感元件定位得尽可能靠近相线。

根据本发明的方法的另一个特点，法拉第光学电流传感器可以通过框架来固定。在校准如上所述的测量系统之后，就不能再扰乱法拉第光学电流传感器的位置。对位置的任何扰乱都会不可避免地导致测量结果不精确，在配电网出现任何故障的情况下，这会导致灾难性的结果。用框架来固定法拉第光学电流传感器，可以确保牢固的和永久的固定。这种框架最简单的形式可以包括至少部分环绕三相电缆并且能可靠地附接到三相电缆上的笼子等。可以用条带将笼子固定于三相电缆。不难理解，框架必须用硬质磁透明材料制成。磁透明材料可以是抗磁性或者顺磁性材料。优选使用抗磁性的介电材料，例如塑料。

根据本发明的方法的另一个特点，框架可以包括3块板，每块板都具有固定的法拉第光学电流传感器。为了允许牢固地固定法拉第光学电流传感器和用于输送光信号往返于传感元件的光导管，优选地，法拉第光学电流传感器和靠近法拉第光学电流传感器的部分光导管都被固定到板上。包括法拉第光学电流传感器的3块板可以随后用例如条带固定到三相电缆上。

根据本发明的方法的另一个特点，框架包括基本平行于径向维度安装在三相电缆上的圆板，圆板限定：

用于容纳三相电缆的中心定位孔，中心定位孔的直径约等于三相电缆的直径，

角度大约为120度的可分离的部分，3个法拉第光学电流传感器被固定在圆板上离三相电缆的距离大致相等的位置处。

将框架做成结实的板结构，从而确保法拉第光学电流传感器的永久定位。永久定位意指基本上锁紧，以防偶然扰动，但如果需要，也可以取下。上述结构是紧凑的，并且由于是分段结构，因此便于组装/拆卸。应该指出的是，圆板应该具有一定的宽度，即沿纵向维度延伸，以给予稳定的位置。圆板可以用围绕在圆板外圆周的条带来固定。因此三相电缆被可靠地夹在孔中。上述结构可以与板一起使用，其中板向外伸，以固定光导管。

根据本发明的方法的另一个特点，框架可以包括：

第一和第二圆板，两者基本平行于径向维度安装在三相电缆上，并且沿纵向维度分开特定的距离，每块圆板限定：

用于容纳三相电缆的中心定位孔，中心定位孔的直径约等于三相电缆的直径，和

可分离的部分，其角度大约为120度，和

在第一圆板和第二圆板之间基本平行于纵向维度延伸的3根纵杆，每根纵杆有固定的法拉第光学电流传感器，并且所述纵杆中的一根纵杆在第一圆板和第二圆板的可分离的部分之间延伸。

为了更稳定，可以使用两块圆板。上述结构类似于前面的结构，不过稍欠紧凑，但是第二圆板提供了更大的安全性和稳定性。它还为光导管提供了更好的保护，因为光导管可以附接到杆上。另外，可以用板代替杆，或者除了杆之外，还可以使用板。

根据本发明的方法的另一个特点，法拉第光学电流传感器可以固定在离三相电缆，就径向维度和/或纵向维度而言基本相等的距离处。为了提供简单的定位和精确的校准，每个法拉第光学电流传感器应该放在离相应的相线相同的距离处。另外，由于相线缠绕在一起，并且法拉第光学电流传感器之间的纵向位移会得到错误的测量结果，因此法拉第光学电流传感器的纵向位置应该相同。

根据本发明的方法的另一个特点，三相电缆可以包括包裹在构成截面局部的相线周围的屏蔽层。三相电缆一般包括具有地电势的屏蔽层。屏蔽层通常不传导任何电流，但可以充当零线，并起保护作用，以便在偶然损坏绝缘材料的情况下，不允许直接接触相线。必须根据测得的相线中的电流，导出屏蔽层中的电流。为计算目的，可以将屏蔽层处理成包括多个部分的结构，每一部分都传导相等的部分屏蔽电流。这会简化屏蔽电流对测量结果的影响的计算。

根据本发明的方法的另一个特点，三相电缆可以包括零线。上述方法主要用于高压应用。这种高压应用一般不设置零线。但是，所述方法也可以用于低压应用，它偶尔会提供称为零线的第四导线。上述方法也适合低压应用。对于这种低压应用，可以使用第四法拉第光学电流传感器，或者只用3个法拉第光学电流传感器来测量三相电流，而根据测量的三相电流导出零线中的电流。

根据本发明的方法的另一个特点，法拉第光学电流传感器位于三相电缆周围环形相隔大约120度角的位置处。三相电缆中的相线一般相隔120度角。因此，法拉第光学电流传感器优选也相隔120度。

根据本发明的方法的另一个特点，根据如下公式计算三相电缆中的电流：

其中 而I_s和I_i作为矢量考虑，并且

其中I_s表示同步系统电流，I_i表示反向系统电流，Gain(a)表示取决于偏移角的减缩系数，而是相位移。

用相隔120度的传感器计算三相中的测量电流。

由同步电流系统I_s与反向电流系统I_i一起构成的有效负载的测量结果取决于传感器的偏移角。应该指出的是，任何负载都可以描述为同步和反向对称的电流系统之和。

测量信号的振幅会减小，减缩系数为取决于偏移角a的Gain(a)。同步和反向电流系统的其他相位移是函数

根据以下详细说明，上述需要和上述目的以及其他许多需要和目的是显而易见的，根据本发明的第二方面，它们是通过一种用于测量三相电缆内的电流的系统获得的，三相电缆包括3根独立的构成截面局部的相线，它们彼此绝缘并且被包埋在绝缘材料里，三相电缆限定沿三相电缆的纵向维度和垂直于纵向维度的径向维度，该方法包括：

法拉第光学电流传感器装置，该装置包括3个用于测量3个磁场值的法拉第光学电流传感器，每个法拉第光学电流传感器被固定在构成截面局部的相线的外侧的特定位置，和

处理单元，用于根据每根构成截面局部的相线的磁场值计算电流值。

上述系统优选与上述方法结合使用。3根构成截面局部的导线优选用铝或者铜一类的金属制成。导线被包埋在高压绝缘材料中，以便各相之间或者任一相或地之间不可能放电。三相电缆一般放在地下，但也可以放在地上。绝缘材料应该厚得足以安全操作电缆。法拉第光学电流传感器具有用于容纳输入光导管和输出光导管的进口和出口。输入和输出光导管输送光信号往返于控制单元，控制单元可以远离测量位置。控制单元包括发射器和接收器。发射器可以包括具有线偏振滤光器的光源。接收器可以类似包括检测单元(即偏振滤光器)和光敏半导体一类的光探测器。

根据本发明的系统的另一个特点，上述系统可以包括上述方法的任一特点。显然，上述系统可以与上述方法结合使用。

显然，可以修改上述系统和方法，以用于除3相之外的相，例如2相或者4相。

由于法拉第光学电流传感器的成本相对较高，因此上述技术目前主要用于高压应用。上下文中的高压意指等于或者大于30kV的任何电压，例如40kV、50kV、90kV、120kV、300kV、400kV、500kV或者更高。但是，该技术并不局限于高压，而是也可以用于低压应用。上下文中的低压可能指低于30kV的任何电压，例如400V、1kV、1.5kV、3.5kV、5kV、10kV或者15kV。

附图说明

下面还将参照附图进一步描述本发明，其中：

图1a是包括屏蔽层的三相电缆的示意性的剖视图，

图1b是矢量图，描绘了三相电流中的每一相对每一相的测量结果的影响。

图1c-d显示三相电缆内的电流系统，

图2a是不带屏蔽层的三相电缆的数学模型的示意性的剖视图，

图2b是显示数值例的图表，

图3是法拉第光学电流测量系统的保持架的三维透视图，

图4是法拉第光学电流测量系统的备选保持架的三维透视图，以及

图5是法拉第光学电流测量系统的又一个备选保持架的三维透视图。

具体实施方式

下面是本发明的目前优选的实施方式的图的详细说明：

图1a显示了传感器组件10的切面图，其中传感器组件10包括安装在12kV三相电缆14上的3个法拉第光学电流传感器12a-c。三相电缆包括3根导线16a-c，其中每根导线16a-c具有构成截面局部(sectioned shape)，并且被包埋在高压绝缘材料18内。高压绝缘材料可以是任何合适的绝缘材料，优选为油浸渍纸或者PEX。高压绝缘材料本质上应该是磁透明的。每根导线16a-c表示三相电缆内的一相。导线16a-c用优选铜或者铝之类的导电材料制成。沿着电缆的纵向，导线一般被编织在一起，即彼此缠绕。每根导线16a-c具有一个面向外的圆形表面和两个面向内、大约成120度角的表面。每根导线16a-c被完全包埋在高压绝缘材料18内。高压绝缘材料18的厚度可以根据选择的材料和三相电缆14的额定电压而变化，高压绝缘材料18的厚度应该足以承受导线16a-c之间的电势差。

高压绝缘材料18形成圆形的外表面，并由屏蔽层20包裹。屏蔽层20可以被分成许多独立的屏蔽区，例如24个独立的屏蔽区。另外，屏蔽层20还可以是整体的或者编织的。屏蔽层20应该用优选铜或者铝之类的导电的磁透明材料制成。屏蔽层一般是接地的。屏蔽层20被外绝缘材料22包埋住，外绝缘材料优选用聚合物之类的固体绝缘材料(例如PEX)制成。外绝缘材料22的厚度应该足以允许电缆的安全操作，并防止从屏蔽层22向外部有丝毫放电。另外，外绝缘材料应该也是磁透明的。

每个法拉第光学电流传感器12a-c被安装在外绝缘材料22的外侧、靠近相应的构成截面局部的导线16a-c的位置处。法拉第光学电流传感器12a-c被安装在基本垂直于电流方向的位置上。因为导线16a-c是缠绕在一起的，所以法拉第光学电流传感器12a-c应该安装在距三相电缆14的中心相同的径向和纵向距离处。为了获得信号的高位值，径向距离应该尽可能小，即法拉第光学电流传感器12a-c应该位于三相电缆14的外表面上。

沿着传感器的轴线的磁场的大小可以当作由3根导线16a-c内的每个电流和屏蔽层20内的电流产生的磁场的矢量和来计算。由屏蔽层内的电流产生的磁场可以当作由屏蔽层20的每个独立的区产生的磁场的矢量和来计算。在目前的例子中，使用24个区。应该指出的是，这里将屏蔽层分成24个区是为了简化计算。实际上，屏蔽层可以是编织的，具有很多独立的分区单元，或者包括单个单元。进一步假定电流均匀分布在屏蔽层20上。

法拉第光学电流传感器12a-c的位置处的磁场与从导线中心到法拉第光学电流传感器2a-c内的传感元件的距离成反比。只检测法拉第光学电流传感器12a-c方向上的磁场。

数值例：

根据本发明的教导已经应用于计算图1的12kV三相电缆14中的电流。12kV三相电缆14具有以下用数字表示的性质：

高压绝缘材料的厚度：5mm

屏蔽层20的厚度：1mm

外绝缘材料22的厚度：3.5mm

总的直径：57mm

根据以上用数值表示的性质，可以确定三相电流和屏蔽层对传感元件位置处的、沿传感元件方向的磁场的相对理论贡献。用邻近1相导线16a的法拉第光学电流传感器12a测得的对磁场的相对理论贡献列表如下：

1相：100％

2相：55％

3相：55％

屏蔽层：70％

1相对磁场的贡献表示为100％。每一份贡献都被认为是一个矢量分量。可以类似地计算不同的法拉第光学电流传感器12b-c的值。

3个法拉第光学电流传感器可以放在12kV三相电缆14周围间隔120度的固定装置中，并且相对于12kV三相电缆14的中心具有相等的径向和轴向距离。旋转传感器，直到传感器的信号达到最大。这意味着传感器被放在构成截面局部的导线的对称线处，毗邻12kV的三相电缆14。在下面的列表中可以找到数值测量结果：

从上表可以看出，1相中50A的电流对2相的测量结果的贡献为48％，对3相的测量结果的贡献为56％。2相中50A的电流对1相的测量结果的贡献为56％，对3相的测量结果的贡献为48％。3相中50A的电流对1相的测量结果的贡献为42％，对2相的测量结果的贡献为48％。因此，根据测量结果，一个相位对其他相位的测量结果的总的平均贡献是50％。这应该可与理论值相比，理论值被确定在55％以上。

图1b展示了一幅矢量图，描绘了三相电流中的每一相对每一相的测量结果的影响。施加50A的电流到每根相线会产生25A、26A和23A的测量电流。这在图3中用图表的形式加以展示，其中矢量1、2和3表示结果矢量。矢量1-1、1-2和1-3分别表示1相对1、2、3相的测量结果的贡献。矢量2-1、2-2和2-3分别表示2相对1、2、3相的测量结果的贡献。矢量3-1、3-2和3-3分别表示3相对1、2、3相的测量结果的贡献。

三相电缆上的任一负载电流都可以描述成3个独立的负载电流系统的组合：

1.具有3股振幅相等、相隔120电角度并且逆时针旋转的电流的同步系统。

2.具有3股振幅相等、相隔120电角度并且顺时针旋转的电流的反向系统。

3.具有3股振幅和相位相等、但不旋转的电流的零序系统。所述零序电流是唯一的回路通过屏蔽层的电流系统。

源于同步电流系统的磁场是同步磁场系统，它相对于由单一的交变相电流产生的磁场，具有减小的振幅，但相同的相位。换句话说，同步电流可以当作振幅减小、但相位正确的同步电流来测量。在上面的例子中，振幅的数值是(100％-55％)，即45％。

关于反向电流系统，反向电流可以当作振幅减小、但相位正确的反向电流来测量。应该指出的是，同步和反向电流系统的振幅的减小是相同的。

源于零序电流系统的磁场是相位和振幅都不同于零序电流系统的零序磁场系统。在上面的例子中，振幅的数值会是(100％-3*70+55％)，即-55％。这意味着所述零序电流被当作具有减小的振幅(55％)和180电角度的相位移的零序电流来测量。

图1c-d显示了三相电缆中的电流系统，其中1c显示实际的电流值，而1d显示测量的电流值。这些图没有显示正确的比例，但角度是正确的。电缆中的电流系统具有很高的零序电流(20％的相电流)。这意味着屏蔽电流约为相电流的50％。

因此下面的步骤可以执行三相电缆上的法拉第光学电流测量组件的校准：

1.将三相传感器放在虚拟的三相装置中。

2.仅施加电流到附近相线，并调节结果电流到100％，借此来校准每一个法拉第光学电流传感器。

3.施加同步电流到所有相线，并且作为测量电流除以施加电流的平均值，导出结果增益系数G_同步。

4.施加反向电流到所有相线，并且作为测量电流除以施加电流的平均值，导出结果增益系数G_反向。

5.用屏蔽层作回路施加零序电流到所有相线，并且作为测量电流除以施加电流的平均值，导出结果增益系数G_零。零序电流必须被相位移0或180电角度。

随后可以进行三相测量，并且测量值可以转换成同步、反向和零序电流系统。每个磁场系统都除以相应的增益系数，从而转换成电流系统。零序系统必须额外相位移0或180电角度。

下面的初始步骤可以优选用来定位并安装法拉第光学电流传感器组件：

1.将3个传感器放在三相电缆上。

2.将传感器固定在电流的算术和最大的位置。

上述程序会得到传感器的最佳位置，因为源于同步电流系统的电流达到最大。这也适用于反向电流系统。这意味着在上述位置传感器会产生最大响应，并且会代表没有任何相位移的同步以及反向电流系统。这是最简单的安装传感器的方式，因为不需要电压。

下面的初始步骤也可以用来定位并安装法拉第光学电流传感器组件：

1.将3个传感器放在三相电缆上。

2.施加相同的单相电压到所有的3相，并绕着电缆的轴向旋转传感器。

3.将传感器固定在功率之和等于零或者尽可能接近零的位置。

上述程序会也得到传感器的最佳位置，因为当在所有的3相上使用相同的电压时，源于同步电流系统的功率等于零。这也适用于反向电流系统。零功率意味着测量的电流系统只拥有同步和反向电流，并且只有当电流传感器处于正确位置时才是如此。

图2a显示了三相电缆的普通的几何形状的示意图，图中没有屏蔽层，但有法拉第光学电流传感器。外圆表示法拉第光学电流传感器在三相电缆的外表面处的可能位置。传感器位置X距三相电缆中心的距离为R，偏移角为α。电流传感器会受每根导线16a-c中的电流的影响。电流传感器的位置X处的磁场是每根导线16a-c的贡献之和。每根导线16a-c的贡献与导线16a-c中的电流成正比，而与从导线16a-c到位置X的距离F、G、H成反比。距离F、G、H是从电流传感器的传感元件到导线16a-c的中心来计算。导线16a-c的中心可以确定为二维切面图中的质心。

此外，法拉第光学电流传感器可以只检测传感元件轴向上、即通过传感元件的光束的方向上的磁场。假定电流传感器被放在外绝缘材料22外侧的切线方向上。因此，将只检测平行于光学电流传感器、即切线方向上的磁场分量。

导线16a-c中两两之间的角度一般为120度。下面用余弦定律可以导出从导线16a-c的中心到法拉第光学电流传感器的距离：

$H=\sqrt{R^2+D^2-2\·R\·D\·\cos \left(a\right)}$

$F=\sqrt{R^2+D^2+2\·R\·D\·\cos (60+a)}$

$G=\sqrt{R^2+D^2+2\·R\·D\·\cos (60-a)}$

此外，每根导线16a-c的磁场线和法拉第光学电流传感器的方向之间的角度c、d、e可以计算如下：

$c=-a+\mathrm{arctg}\left(\frac{R\·\sin \left(a\right)}{R\·\cos \left(a\right)-D}\right)$

$d=\mathrm{arctg}\left(\frac{D\·\sin (60+a)}{D\·\cos (60+a)+R}\right)$

$e=\mathrm{arctg}\left(\frac{D\·\sin (60-a)}{D\·\cos (60-a)+R}\right)$

对法拉第光学电流传感器的位置X处的磁场的贡献与导线16a-c中的电流成正比，与到导线16a-c的距离F、G、H成反比。磁场方向不一定平行于法拉第光学电流传感器的方向。因此对磁场的贡献度减小，系数为cos(α)，其中α表示每根导线16a-c的磁场线和法拉第光学电流传感器的方向之间的角度a、b、c。对每根导线16a-c的磁场的贡献度M(下标为H、G、F)可以计算如下：

$M_H=k\·\cos \left(c\right)\·\frac{I}{H}$

$M_F=k\·\cos \left(d\right)\·\frac{I}{F}$

$M_G=k\·\cos \left(e\right)\·\frac{I}{G}$

其中k是比例常数，I是通过导线的电流，H、F和G是光学电流传感器和相应的导线之间的距离，而c、d和e是磁场方向和法拉第光学电流传感器的方向之间的各个角度。

对磁场的贡献度会根据电流的相位角随时变化。

因此，三相同步电流系统的磁场的最终的时间依赖性(Icos(ωt))根据下式计算：

其中相位移：

因此，三相反向电流系统的磁场的最终的时间依赖性(Icos(ωt))根据下式计算：

其中相位移：

在图2b中，显示的是R＝1、D＝0.7、k＝0.5且I＝2时的数值例。同步和反向电流系统的振幅相等，并且在偏移角a＝0度的位置处有最大值。同步电流系统的相位移在反向系统的相位移的反方向上，并且在偏移角a＝0度的位置处，两者均为0。

由同步电流系统I_s与反向电流系统I_i一起构成的有效负载的测量结果取决于传感器的偏移角。应该指出的是，任何负载都可以被描述为同步和反向对称电流系统之和。

测量信号的振幅会减小，系数为取决于偏移角a的Gain(a)。同步和反向电流系统的其他相位移是函数因此，传感器间隔120度的3相中的测量电流为：

其中 而I_s和I_i被看作矢量。f(a)表示电流传感器和相线的对称线之间的角。将传感器放在导线的对称线上得到最大的Gain(a)，因为f(a)＝0，f(-a)＝0，且这导致最大化的响应信号和简单的信号处理。

电流之和为：

$I=\left|I1\right|+\left|I2\right|+\left|I3\right|=\mathrm{Gain}\left(a\right)\·$

电流I之和相对于角度a的导数为：

$\mathrm{dI}/\mathrm{da}={\mathrm{Gain}}^{\′}\left(a\right)\·$

其中Gain′(a)表示Gain(a)相对于a的导数。

图3显示了根据本发明的三相测量组件30的目前最佳的实施方式的三维透视图。该测量组件包括第一圆板32和第二圆板32′。第一圆板32和第二圆板32′分别限定有中心定位孔34和34′。中心定位孔34、34′的直径应该基本上等于该测量组件30打算测量的三相电缆(未显示)的直径。这需要不同尺寸的中心定位孔34、34′，因此每种尺寸的三相电缆都需要单独的测量组件。这一般不会造成什么问题，因为对于不同的电压和电流定额，用于高压应用的三相电缆是按数目有限的标准化尺寸提供的。孔34和34′可以选择性地衬有或者涂有可压缩的挠性密封。该密封允许三相电缆的直径因制造公差有小的变化，或者允许不同类型的电缆与相同的测量组件30一起使用。密封可以例如用橡胶之类的弹性体材料或者聚合物泡沫之类的泡沫材料制造。

第一和第二圆板32、32′都可以分为主要部分36、36′和次要部分38、38′。主要部分36、36′相当于第一圆板32、32′的大约120度，而次要部分38、38′相当于第一圆板32、32′的大约240度。当安装测量组件30和从三相电缆拆下它时，主要部分和次要部分36、36′、38、38可以分开。

主要部分36、36′由沿垂直于主要部分36、36′的表面的纵向延伸的第一矩形板40a相连。同样，次要部分38、38′由第二和第三矩形板40b、40c相连。优选在圆板32和32′上形成与矩形板40a-c相对应的矩形孔。然后可以短距离馈送矩形板，使其通过圆板。这样，可以在纵向上进行小的调节。可以使用独立的紧固装置来释放和紧固矩形板40a-c。或者，矩形板40a-c被胶粘剂永久固定。每块矩形板40a-c都附有法拉第光学电流传感器42a-c，优选靠近第二圆板32′。法拉第光学电流传感器42a-c被固定于矩形板40a-c的内表面，并且被定向在基本垂直于矩形板40a-c的延长线的方向上。法拉第光学电流传感器42a-c应该位于相对于三相电缆的纵向和径向距离相同的位置处，优选地，以使法拉第光学电流传感器42a-c接触到三相电缆，更优选地，以使法拉第光学电流传感器42a-c施加轻微的压力于三相电缆上。施加轻微的压力于法拉第光学电流传感器上，从而将它们夹在三相电缆和矩形板之间会锁紧法拉第光学电流传感器42a-c的位置。法拉第光学电流传感器的外表面优选被做成与电缆的表面契合，并且法拉第光学电流传感器优选被做成能让传感元件尽可能靠近三相电缆的形状。每个法拉第光学电流传感器42a-c都引入用光纤等制成的输入光导管44a-c，输入光导管在第一端处进入法拉第光学电流传感器42a-c，并从控制单元(未显示)输送偏振光。光穿过每个法拉第光学电流传感器42a-c内的法拉第光学传感元件。光在与法拉第光学电流传感器42a-c的第一端相对的第二端处通过也用光纤等制成的输出光导管46a-c射出。输出光导管46a-c将偏振光输送回控制单元(未显示)。

每对对应的输入和输出光导管44a、46a、44b、46b、44c、46c被装进3根挠性软管48a-c，挠性软管优选用弹性体材料制成，并用于保护敏感的光导管免受污垢、灰尘、日光和类似的环境影响。应该小心不要过度弯曲光导管44a、46a、44b、46b、44c、46c。软管48a-c被一组绑带或者类似物(未显示)永久固定于每块相应的矩形板40a-c上。软管48a-c优选沿着从测量组件30到控制单元(未显示)的路径保护光导管44a、46a、44b、46b、44c、46c。接近法拉第光学电流传感器42a-c的最后一小段距离，输入和输出光导管44a、46a、44b、46b、44c、46c不受保护，因为它们分开，并进入法拉第光学电流传感器42a-c相对的两端。

用于上述组件的材料可以是任何磁透明的固体材料，但是优选使用塑料之类的聚合物材料，因为它具有耐久性、重量轻和绝缘特性。控制单元(未显示)用于输送和接收偏振光，确定偏振度的变化，并分别计算每根导线中的电流。

为了安装测量组件30，应该将它分成两部分：主要部分36、36′和次要部分38、38′。三相电缆被安装在主要部分36、36′和次要部分38、38′之间、中心定位孔34、34′内。然后旋转整个组件，以求发现如上所述的最佳测量位置。当发现最佳测量位置时，可以将测量组件30永久夹在三相电缆上。这可以通过用塑料绑带或带沿圆板32、32′的外表面缠绕在圆板上来进行。这样，两个部分将会可靠地附接在一起，同时通过从圆板向三相电缆拉紧绑带来施加固定力。可以使用凹槽，以允许将绑带可靠地定位在圆板34、34′的相对较小的外表面上。或者，可以将绑带固定在3块矩形板40a-c的周围。也可以用条带或者橡皮圈代替绑带。

图4显示了根据本发明的三相测量组件60的备选实施方式的三维透视图。该备选实施方式包括单个圆板62，该圆板限定有中心定位孔64。圆板62可以分成主要部分66和次要部分68。主要部分66相当于单个圆板62的大约120度，而次要部分68相当于单个圆板62的大约240度。在安装或从三相电缆上拆下测量组件60时，主要部分和次要部分66、68可以分开。

法拉第光学电流传感器72安装在圆板62的表面上、靠近圆孔64的地方。输入光导管74和输出光导管76分别与法拉第光学电流传感器72的第一端和相对的第二端附接。输入光导管74a和输出光导管76a相对于圆板62沿径向向外伸，并且被装进挠性软管78a。

图5显示了根据本发明的单相测量组件50的又一个备选实施方式的三维透视图。单相测量组件90包括通过利用两根固定带96而固定到支撑板94上的法拉第光学电流传感器92。支撑板94和固定带96应该用磁透明材料制成。光导管98从法拉第光学电流传感器92的每一侧伸出。光导管98形成环形，并且光导管98的两端被装入引导软管100。引导软管100通过利用两根固定带102而被固定到支撑板94上。

支撑板94还限定了圆形的固定孔104。圆形固定孔104优选借助带(未显示)用于将单相测量组件90固定到三相电缆上。单相测量组件90还限定了两个矩形固定孔106，用于借助带(未显示)在与三相电缆的延长线基本相切的位置将支撑板94固定到三相电缆(未显示)上。必须设置另外两个单相测量组件90，并且将它们相隔大约120度固定到三相电缆上的径向和纵向距离相同的位置处。

图1a、3、4和5中的零件总结如下：

10.法拉第光学电流传感器组件

12.法拉第光学电流传感器

14.三相电缆

16.导线

18.高压绝缘材料

20.屏蔽层

22.外绝缘材料

30.三相测量组件

32.圆板

34.中心定位孔

36.主要部分

38.次要部分

40.矩形板

42.法拉第光学电流传感器

44.输入光导管

46.输出光导管

48.挠性软管

50.馈通孔

60.三相测量组件

62.圆板

64.圆孔

66.主要部分

68.次要部分

72.法拉第光学电流传感器

74.输入光导管

76.输出光导管

78.挠性软管

90.单相测量组件

92.法拉第光学电流传感器

94.支撑板

96.固定带

98.光导管

100.引导软管

102.固定带

104.圆形固定孔

106.矩形固定孔

因此，提供了一种用法拉第光学电流传感器组件测量三相电缆内的电流的方法。还提供了一种包括三相法拉第光学电流传感器组件的系统。这里公开的本发明的优选实施方式的修改容易被本领域熟练技术人员想到。因此，本发明意在包括落在权利要求范围内的所有结构。

Claims (24)

1.一种测量三相电缆中的电流的方法，所述三相电缆包括3根独立的、构成截面局部的相线，这些相线彼此绝缘，并且被包埋在绝缘材料内，所述三相电缆限定沿所述三相电缆的纵向维度和垂直于所述纵向维度的径向维度，所述方法包括：

提供法拉第光学电流传感器装置，该装置包括3个法拉第光学电流传感器，每个法拉第光学电流传感器被固定在所述构成截面局部的相线的外侧的特定位置，并且

提供用于根据磁场值计算电流值的处理单元，并且

通过如下步骤进行：

用所述的3个法拉第光学电流传感器中的每一个测量3个磁场值，并且

用所述处理单元和所述的3个磁场值计算每根所述的构成截面局部的相线中的电流，

其中所述法拉第光学电流传感器被框架固定。

2.根据权利要求1所述的方法，其中每个所述的法拉第光学电流传感器都限定独立的光传播方向，并且所述方法还包括如下初始步骤：

将所述法拉第光学电流传感器环形间隔特定的角度定位在所述三相电缆周围、相对于所述纵向维度距离相等的位置处，并且将其定向，以便所述法拉第光学电流传感器的所述光传播方向基本垂直于所述纵向维度和所述径向维度定向，

用所述的3个法拉第光学电流传感器中的每一个测量3个磁场值，

用所述处理单元和所述的3个磁场值计算每根构成截面局部的导线中的电流值，

将所述法拉第光学电流传感器固定在所述电流值的算术和达到最大的最佳测量位置。

3.根据上述任一权利要求所述的方法，其中所述法拉第光学电流传感器被固定在与所述三相电缆的外表面接触的所述绝缘材料的外侧。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述框架包括3块板，每块板都具有固定的法拉第光学电流传感器。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其中所述框架包括基本平行于所述径向维度安装在所述三相电缆上的圆板，所述圆板限定：

用于容纳所述三相电缆的中心定位孔，所述中心定位孔的直径约等于所述三相电缆的直径，

角度大约为120度的可分离的部分，所述的3个法拉第光学电流传感器被固定在所述圆板上、离所述三相电缆的距离大致相等的位置处。

6.根据权利要求1或4所述的方法，其中所述框架包括：

第一圆板和第二圆板，两者基本平行于所述径向维度安装在所述三相电缆上，并且沿所述纵向维度分开特定的距离，每块圆板限定：

用于容纳所述三相电缆的中心定位孔，所述中心定位孔的直径约等于所述三相电缆的直径，和

可分离的部分，其角度大约为120度，和

在所述第一圆板和所述第二圆板之间基本平行于所述纵向维度延伸的3根纵杆，每根纵杆有固定的法拉第光学电流传感器，并且所述纵杆中的一根纵杆在所述第一圆板和所述第二圆板的所述可分离的部分之间延伸。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述法拉第光学电流传感器被固定在，就所述径向维度和/或所述纵向维度而言，离所述三相电缆基本相等的距离处。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述三相电缆包括包裹所述构成截面局部的相线的屏蔽层。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述三相电缆包括零线。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述法拉第光学电流传感器位于所述三相电缆周围环形相隔大约120度角的位置处。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述三相电缆中的电流由如下公式计算：

其中 $b=\frac{1}{2}+j\·\frac{\sqrt{3}}{2},$ 而I_s和I_i作为矢量考虑，并且

其中I_s表示同步系统电流，I_i表示反向系统电流，Gain(a)表示取决于偏移角a的减缩系数，而是相位移。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述构成截面局部的相线为扇形截面。

13.一种测量三相电缆中的电流的系统，所述三相电缆包括3根独立的构成截面局部的相线，这些相线彼此绝缘，并且被包埋在绝缘材料内，所述三相电缆限定沿所述三相电缆的纵向维度和垂直于所述纵向维度的径向维度，所述系统包括：

法拉第光学电流传感器装置，该装置包括3个用于测量3个磁场值的法拉第光学电流传感器，每个法拉第光学电流传感器被固定在所述构成截面局部的相线的外侧的特定位置，

处理单元，用于根据磁场值计算电流值，并用3个磁场值计算每根所述的构成截面局部的相线中的电流，

其中所述法拉第光学电流传感器被框架固定。

14.根据权利要求13的系统，其中每个所述的法拉第光学电流传感器都限定独立的光传播方向，并且通过如下的初始步骤来定位并安装：

将所述法拉第光学电流传感器环形间隔特定的角度定位在所述三相电缆周围、相对于所述纵向维度距离相等的位置处，并且将其定向，以便所述法拉第光学电流传感器的所述光传播方向基本垂直于所述纵向维度和所述径向维度定向，

用所述的3个法拉第光学电流传感器中的每一个测量3个磁场值，

用所述处理单元和所述的3个磁场值计算每根构成截面局部的导线中的电流值，

将所述法拉第光学电流传感器固定在所述电流值的算术和达到最大的最佳测量位置。

15.根据权利要求13或14所述的系统，其中所述法拉第光学电流传感器被固定在与所述三相电缆的外表面接触的所述绝缘材料的外侧。

16.根据权利要求13所述的系统，其中所述框架包括3块板，每块板都具有固定的法拉第光学电流传感器。

17.根据权利要求13或16所述的系统，其中所述框架包括基本平行于所述径向维度安装在所述三相电缆上的圆板，所述圆板限定：

用于容纳所述三相电缆的中心定位孔，所述中心定位孔的直径约等于所述三相电缆的直径，

角度大约为120度的可分离的部分，所述的3个法拉第光学电流传感器被固定在所述圆板上、离所述三相电缆的距离大致相等的位置处。

18.根据权利要求13或16所述的系统，其中所述框架包括：

第一圆板和第二圆板，两者基本平行于所述径向维度安装在所述三相电缆上，并且沿所述纵向维度分开特定的距离，每块圆板限定：

用于容纳所述三相电缆的中心定位孔，所述中心定位孔的直径约等于所述三相电缆的直径，和

可分离的部分，其角度大约为120度，和

在所述第一圆板和所述第二圆板之间基本平行于所述纵向维度延伸的3根纵杆，每根纵杆有固定的法拉第光学电流传感器，并且所述纵杆中的一根纵杆在所述第一圆板和所述第二圆板的所述可分离的部分之间延伸。

19.根据权利要求13所述的系统，其中所述法拉第光学电流传感器被固定在，就所述径向维度和/或所述纵向维度而言，离所述三相电缆基本相等的距离处。

20.根据权利要求13所述的系统，其中所述三相电缆包括包裹所述构成截面局部的相线的屏蔽层。

21.根据权利要求13所述的系统，其中所述三相电缆包括零线。

22.根据权利要求13所述的系统，其中所述法拉第光学电流传感器位于所述三相电缆周围环形相隔大约120度角的位置处。

23.根据权利要求22所述的系统，其中所述三相电缆中的电流由如下公式计算：

其中 $b=\frac{1}{2}+j\·\frac{\sqrt{3}}{2},$ 而I_s和I_i作为矢量考虑，并且

其中I_s表示同步系统电流，I_i表示反向系统电流，Gain(a)表示取决于偏移角a的减缩系数，而是相位移。

24.如权利要求13所述的系统，其中所述构成截面局部的相线为扇形截面。