CN102087307B - 高精度全光纤电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度全光纤电流互感器，包括光路系统和信号调制解调单元，所述光路系统包括光源、所述光源依次连接有消偏器、环形器、起偏器、相位调制器、光纤延迟线、λ/4波片、传感光纤、光纤反射镜，还包括与信号调制解调单元相连的光探测器。本发明通过信号调制解调单元和相位调制器实现了对光纤电流互感器的相位闭环控制，大大提高了系统的信噪比和抗干扰能力；采用全光纤结构和闭环检测控制回路，提高了系统的可靠性；通过采用超低双折射率、高菲尔德常数旋转光纤做传感光纤，降低了光路传输过程中偏振光的偏转误差。可广泛应用于电力检测领域。

Description

高精度全光纤电流互感器

技术领域

本发明涉及一种电流互感器，特别是一种全光纤电流互感器。

背景技术

互感器是电力系统的眼睛，通过互感器检测线路的电压或电流并实现与一次设备的隔离，同时与二次设备配合实现电力系统的计量、保护、测控等功能。传统的电磁式电流互感器结构类似变压器，线路导线做一次绕组，通过硅钢片铁芯的把电磁传递给短路状态的二次线圈，二次线圈感应产生的电流与一次线圈产生的电流在硅钢片铁芯中相互抵消，I₁*N₁＝I₂*N₂，从而在二次线圈中感应出正比于线路电流的二次电流。传统的电磁式电流互感器以硅钢片铁芯为传导介质，除感应产生与一次电流成正比的二次电流外，还承担着绝缘、驱动负载、信号传导的作用，该类型互感器存在铁损大、铁磁饱和、谐振、绝缘结构复杂、精度受负载影响、开路高压、接地故障、电磁干扰等问题，已不能满足现代电力系统一次系统电压高、容量大和二次系统微机化、小型化、网络化的要求。

有源电子式互感器采用不含铁芯的传感头检查电压或电流、通过远端采集模块本地采样、通过光纤远程传输，实现了信号传感与驱动、绝缘、传输功能分离，简化了互感器的绝缘结构，减少了互感器的体积和重量，提高了互感器的性能。有源电子式互感器的缺点是：远端采集模块的供电成本高、电子元器件工作环境恶劣容易老化、远端模块位于高压端停电检修不方便。

新型的基于Fraday效应的光学电流互感器可以解决上述问题，光学电流互感器从结构上可以分为磁光玻璃结构和全光纤结构。采用磁光玻璃结构的电流互感器利用高菲尔德常数的重火石磁光玻璃作载体，使线偏振光在其中绕过时受到被测电流的调制而改变偏转角度，再通过渥拉斯顿棱镜作检偏器件来实现偏转角的检测从而间接测量电流，该方案为开环模式，光路系统采用独立光学器件粘接而成，光学器件容易受加工精度、环境温度、振动的影响，存在测量范围小、灵敏度低、长期稳定性差等缺点，难以满足实用化的要求；另一种为全光纤结构，在敏感光纤中传输的偏振光产生与磁场强度成正比的相位差，通过检测相位差即可检测得出与磁场对应的电流的大小，但是现有技术存在以下缺陷：第一、光纤相位调制器的抗干扰能力差，系统的灵敏度有待提高；第二、传感光纤的双折射系数大，对偏振光的影响大。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种的高精度全光纤电流互感器。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

高精度全光纤电流互感器，包括光路系统和信号调制解调单元，所述光路系统包括光源、所述光源依次连接有消偏器、环形器、起偏器、相位调制器、光纤延迟线、λ/4波片、传感光纤、光纤反射镜，所述光源发出光束经光纤反射镜反射后沿传感光纤、λ/4波片、光纤延迟线、相位调制器、起偏器返回至环形器，所述环形器还连接有光探测器，所述光探测器的输出端连接至调制解调单元的输入端，所述调制解调单元的输出端与相位调制器相连构成闭环相位控制。

进一步作为优选的实施方式，所述信号调制解调单元包括前置放大器、滤波器、AD采样单元、信号处理单元、数字锁相深度调制单元、相位解调电流计算单元、电光转换单元、光电转换单元、信号发生器，所述信号处理单元包括1倍频三角函数发生器、2倍频三角函数发生器、第一乘法器、第二乘法器、第一累加器、第二累加器、倍频单元，输出的光束经光探测器转换成电压的变化，经前置放大器提高信号幅度、滤波器滤除不需要的高次谐波，然后经高精度AD采样单元转换成数字信号，所述AD采样单元由同步输入信号经光电转换单元转换成电同步信号后经倍频采样单元倍频后触发，AD采样单元输出的数字信号分别与1倍频三角函数发生器、2倍频三角函数发生器相乘，第一乘法器、第二乘法器的输出信号分别经第一累加器、第二累加器累加后相叠加，所述叠加后的信号一路经相位解调电流计算单元、电光转换单元作为电流信号输出；另一路经数字锁相深度调制单元、信号发生器反馈至相位调制器构成相位闭环控制，所述1倍频三角函数发生器、2倍频三角函数发生器、第一乘法器、第二乘法器、数字锁相深度调制单元分别都与光电转换单元的电同步信号相连。

进一步作为优选的实施方式，所述传感光纤为超低双折射率、高菲尔德常数旋转光纤，所述旋转光纤由单模光纤紧密旋转而成。

进一步作为优选的实施方式，所述信号发生器产生的信号为500KHz正弦波信号。

进一步作为优选的实施方式，所述倍频单元输出的电同步信号的频率为8MHz。

进一步作为优选的实施方式，光源发出的光经待测电流和相位调制器调制后的综合输出公式为：

$I\left(t\right)=\frac{1+\cos (\mathrm{\δ}\·\sin (w\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\Ω}\·t+\mathrm{\φ})+\mathrm{\Φ})}{2}*I_0$

其中，δ为调制深度；φ为信号发生器调制信号的初始相位；φ＝4NVI为待测电流引起的相移，N为光纤圈数，V为菲尔德系数，I为待测电流大小，I₀为光源光强，I(t)为被相位调制器和待测电流调制后的实时光强。

本发明的有益效果是：本发明通过信号调制解调单元和相位调制器实现了对光纤电流互感器的相位闭环控制，大大提高了系统的信噪比和抗干扰能力；本发明采用了全光纤结构和闭环检测控制回路，提高了系统的可靠性；本发明通过采用超低双折射率、高菲尔德常数旋转光纤做传感光纤，降低了光路传输过程中偏振光的偏转误差。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明光纤电流互感器的结构原理图；

图2是本发明光纤电流互感器信号调制解调单元的原理框图。

具体实施方式

参照图1，高精度全光纤电流互感器，包括光路系统和信号调制解调单元9，所述光路系统包括光源1、所述光源1依次连接有消偏器2、环形器3、起偏器4、相位调制器5、光纤延迟线6、λ/4波片7、传感光纤8、光纤反射镜11，所述光源1发出光束通过消偏器2消偏后经过环形器3进入起偏器4变成线偏振光；起偏器4的尾纤与相位调制器5的尾纤以45°角熔接，这样线偏振光就被平分成分别沿保偏光纤的快轴和慢轴传输两束正交模式的线偏振光；两束线偏振光通过相位调制器5时调制成光强为500kHz的三角函数波形，而后经光纤延迟线6保偏进入λ/4波片7转变成为左旋和右旋的圆偏振光，同时进入传感光纤8；由于被测电流对两束光的Faraday磁光效应使得这两束圆偏振光以不同的速度传输从而产生相位变化；在传感光纤的末端安装了光纤反射镜11，两束圆偏振光经光纤反射镜11反射后偏振模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)，然后再次穿过传感光纤8，因而Faraday效应产生的相位加倍；在两束光再次通过λ/4波片7后，恢复成为线偏振光，并且原来光纤延迟线6快轴传播的光变为沿慢轴传播，原来沿光纤延迟线慢轴传播的光变为沿快轴传播；分别沿光纤延迟线快轴、慢轴传播的光在光纤起偏器4处发生干涉后经环形器3进入光探测仪10；信号调制解调单元9根据光强变化解调出两束光相位的变化从而测出被测电流的大小，信号调制解调电路11同时根据特征量对相位调制器5的调制深度进行闭环控制，保证系统长期稳定。

进一步作为优选的实施方式，所述信号调制解调单元9包括前置放大器91、滤波器92、AD采样单元93、信号处理单元94、数字锁相深度调制单元95、相位解调电流计算单元96、电光转换单元97、光电转换单元98、信号发生器99，所述信号处理单元94包括1倍频三角函数发生器941、2倍频三角函数发生器942、第一乘法器943、第二乘法器944、第一累加器945、第二累加器946、倍频单元947，输出的光束经光探测器10转换成电压的变化，经前置放大器91提高信号幅度、滤波器92滤除不需要的高次谐波，然后经高精度AD采样单元93转换成数字信号，所述AD采样单元93由同步输入信号经光电转换单元98转换成电同步信号后经倍频采样单元947倍频后触发，AD采样单元93输出的数字信号分别与1倍频三角函数发生器941、2倍频三角函数发生器942相乘，第一乘法器943、第二乘法器944的输出信号分别经第一累加器945、第二累加器946累加后相叠加，所述叠加后的信号一路经相位解调电流计算单元96作傅里叶运算后即可得到当前时刻的相位值，从而可计算出该时刻的电流值，经电光转换单元97以光数字形式输出当时的电流值；另一路经数字锁相深度调制单元95、信号发生器99反馈至相位调制器5构成相位闭环控制，根据叠加信号的特征值判断相位调制器5的调制深度是否发生变化，若有变化则由数字锁相深度调节单元95动态调整信号发生器99的调制深度。所述1倍频三角函数发生器941、2倍频三角函数发生器942、第一乘法器943、第二乘法器944、数字锁相深度调制单元95分别都与光电转换单元98的电同步信号相连。

进一步作为优选的实施方式，所述传感光纤8为超低双折射率、高菲尔德常数旋转光纤，所述旋转光纤由单模光纤紧密旋转而成，能大大降低各向异性，因而能把传感光纤的圆偏振光的双折射系数降到最低。

进一步作为优选的实施方式，所述信号发生器99产生的信号为500KHz正弦波信号。

进一步作为优选的实施方式，所述倍频采样单元947输出的电同步信号的频率为8MHz。

进一步作为优选的实施方式，光源1发出的光经待测电流和相位调制器5调制后的综合输出公式为：

$I\left(t\right)=\frac{1+\cos (\mathrm{\δ}\·\sin (w\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\Ω}\·t+\mathrm{\φ})+\mathrm{\Φ})}{2}*I_0$

其中，δ为调制深度；φ为信号发生器99调制信号的初始相位；φ＝4NVI为电流引起的相移，N为光纤圈数，V为菲尔德系数，I₀为光源光强，I(t)为被相位调制器和待测电流调制后的实时光强。按贝赛尔函数展开后，分成多个N阶分量的组合：

I(t)＝Jn(1，δ)·sin(Φ)·sin(2·π·Ω·t+φ)*I0

+Jn(2，δ)·cos(Φ)·cos(4·π·Ω·t+2·φ)*I0

+……

由上式可得知，各阶分量输出光强均受光源光强I₀、调制深度δ的影响，不适合直接计算被测电流引起的相移φ，从而计算出被测电流；在计算被测电流时通过二阶光强与一阶光强相除即可消除光源光强I₀的影响；另外通过数字锁相深度调节单元95动态调节信号发生器99产生的500KHz的调制深度δ可保证系统精度的稳定性。

本发明中与光电转换单元98的输入端相连的同步信号为变电站的GPS同步秒脉冲或采样脉冲信号。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.高精度全光纤电流互感器，包括光路系统和信号调制解调单元（9），所述光路系统包括光源（1）、所述光源（1）依次连接有消偏器（2）、环形器（3）、起偏器（4）、相位调制器（5）、光纤延迟线（6）、λ/4波片（7）、传感光纤（8）、光纤反射镜（11），所述光源（1）发出光束经光纤反射镜（11）反射后沿传感光纤（8）、λ/4波片（7）、光纤延迟线（6）、相位调制器（5）、起偏器（4）返回至环形器（3），所述环形器（3）还连接有光探测器（10），所述光探测器（10）的输出端连接至信号调制解调单元（9）的输入端，所述信号调制解调单元（9）的输出端与相位调制器（5）相连构成闭环相位控制，其特征在于：所述信号调制解调单元（9）包括前置放大器（91）、滤波器（92）、AD采样单元（93）、信号处理单元（94）、数字锁相深度调制单元（95）、相位解调电流计算单元（96）、电光转换单元（97）、光电转换单元（98）、信号发生器（99），所述信号处理单元（94）包括1倍频三角函数发生器（941）、2倍频三角函数发生器（942）、第一乘法器（943）、第二乘法器（944）、第一累加器（945）、第二累加器（946）、倍频单元（947），所述环形器（3）输出的光束经光探测器（10）转换成电压的变化，经前置放大器（91）提高信号幅度、滤波器（92）滤除不需要的高次谐波，然后经AD采样单元（93）转换成数字信号，所述AD采样单元（93）由同步输入信号经光电转换单元（98）转换成电同步信号后经倍频单元（947）倍频后触发，所述同步输入信号为变电站的GPS同步脉冲或者采样脉冲信号，AD采样单元（93）输出的数字信号分别与1倍频三角函数发生器（941）、2倍频三角函数发生器（942）相乘，第一乘法器（943）、第二乘法器（944）的输出信号分别经第一累加器（945）、第二累加器（946）累加后相叠加，所述叠加后的信号一路经相位解调电流计算单元（96）、电光转换单元（97）作为电流信号输出；另一路经数字锁相深度调制单元（95）、信号发生器（99）反馈至相位调制器（5）构成相位闭环控制，所述1倍频三角函数发生器（941）、2倍频三角函数发生器（942）、第一乘法器（943）、第二乘法器（944）、数字锁相深度调制单元（95）分别都与光电转换单元（98）的电同步信号相连。

2.根据权利要求1所述的高精度全光纤电流互感器，其特征在于：所述传感光纤（8）为超低双折射率、高菲尔德常数旋转光纤，所述旋转光纤由单模光纤紧密旋转而成。

3.根据权利要求2所述的高精度全光纤电流互感器，其特征在于：所述信号发生器（99）产生的信号为500KHz正弦波信号。

4.根据权利要求2所述的高精度全光纤电流互感器，其特征在于：所述倍频单元（947）输出的电同步信号的频率为8MHz。

5.根据权利要求1或2所述的高精度全光纤电流互感器，其特征在于：光源（1）发出的光经待测电流和相位调制器（5）调制后的综合输出公式为：

 其中，δ为调制深度; φ为信号发生器（99）调制信号的初始相位；Φ =4NVI为待测电流引起的相移，N为光纤圈数，V为菲尔德系数，I为待测电流大小， I₀为光源光强，I(t)为被相位调制器和待测电流调制后的实时光强。

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