CN102495260A - 一种温度漂移补偿光学电流互感器及其电流补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种温度漂移补偿光学电流互感器及其电流补偿方法，涉及一种温度漂移补偿光学电流互感器及其电流补偿方法。为了解决目前光学电流互感器都存在测量精度温度漂移的问题。本发明除了包括现有装置外还包括螺线管式自感传感器，光学传感器通过保偏光纤与螺线管式自感传感器连接，螺线管式自感传感器通过多模光纤与信号处理单元连接，信号处理单元通过多模光纤与光学传感器连接，温度漂移电流补偿方法：将光学传感器线偏振光产生法拉第旋光角

通过待测电流表示；将螺线管式自感传感器的线偏振光产生法拉第旋光角

通过补偿电流表示；根据旋光角的表达式可倒出其输出电压表达式；证明实现对一次电流的测量。本发明适用于电力系统中的电流测量。

Description

一种温度漂移补偿光学电流互感器及其电流补偿方法

技术领域

本发明属于互感器技术领域，具体涉及一种温度漂移补偿光学电流互感器，本发明还涉及该互感器的电流补偿方法。

背景技术

电流互感器是电网运行调度、生产管理中不可或缺的基础装备，其测量精度和运行可靠性直接关系到电力系统的安全、可靠和经济运行。近年来发展了多种形式的新型电子式电流互感器，其中，基于法拉第磁光效应的光学电流互感器具有绝缘性能优良、无暂态磁饱和、动态测量范围大、频率响应宽、抗电磁干扰能力强、体积小重量轻、易与数字设备接口等优点，是最理想的电子式电流互感器，是电子式电流互感器发展的主要方向。

按传感光路结构的不同，光学电流互感器可分为闭合光路型光学电流互感器和直通光路型光学电流互感器，其中直通光路型光学电流互感器的结构更简单、准确度和可靠性更高，因而更具应用前景。然而，由于磁光材料如晶体或光纤存在双折射且易受温度变化的影响，无论是闭合光路型光学电流互感器还是直通光路型光学电流互感器，都存在着测量精度的温度漂移问题，成为制约光学电流互感器实际应用的关键因素。解决测量精度的温度漂移问题具有相当的技术难度，国内外光学电流互感器的研究人员针对这一问题进行了长期大量深入的研究，综合世界范围的研究工作情况，目前主要有以下三种解决方案：

(1)改进磁光材料特性的方法：包括对配方的研究和对生产工艺的改进。测量精度的温度漂移本质地由材料决定，从材料入手自然是最根本的方法。然而几十年来，无论在配方和工艺方面如何努力，都没有彻底解决问题；

(2)恒温控制维持工作环境温度稳定的方法：采用恒温控制维持工作环境温度稳定的方法可以缓解温度变化造成的测量精度的波动，但恒温控制一般只能控制环境温度在一定范围内波动并不能实现完全意义上的恒温，因此不能完全消除温度的影响，此外，恒温控制需要增加额外的温控设备，导致互感器的结构变得复杂，带来新的问题；

(3)温度实时补偿的方法。实时测量光学互感器工作环境的温度并根据温度补偿曲线对测量结果进行实时补偿，该方法在一定程度上可以补偿温度对精度的影响，但测量精度依赖于对温度测量的准确性和温度补偿曲线的稳定度，不能完全消除温度的影响，此外还需要增加额外的温度测量设备，同样会带来新的问题。

目前为止，以上方法都不能根本性地解决光学电流互感器测量精度的温漂问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前光学电流互感器存在测量精度的温度漂移的问题。

一种温度漂移补偿光学电流互感器，它包括罩壳、光学传感器、第一多模光纤、保偏光纤、底座、信号处理单元和第二多模光纤，所述的光学传感器固定于罩壳内部，其特征是：它还包括螺线管式自感传感器，

光学传感器的一端通过保偏光纤与螺线管式自感传感器的一端连接，螺线管式自感传感器的另一端通过第二多模光纤与信号处理单元连接，光学传感器的另一端通过第一多模光纤与信号处理单元连接，所述螺线管式自感传感器和信号处理单元均在底座内部，信号处理单元固定于底座底端，螺线管式自感传感器与光学传感器的磁光材料是同种磁光玻璃，

光学传感器包括第一准直器、起偏器、第一磁光玻璃和第一耦合器，所述的准直器、起偏器、磁光玻璃和耦合器沿光路方向依次分布，

螺线管式自感传感器包括第二准直器、第二磁光玻璃、螺线管、检偏器和第二耦合器，所述的准直器、磁光玻璃、检偏器和耦合器沿光路方向依次分布，所述条状第二磁光玻璃沿螺线管安装于螺线管的内部，且第二磁光玻璃通光方向的总长度小于螺线管沿轴向的总长度，

信号处理单元包括光探测器、前置放大模块、A/D转换模块、DSP模块、D/A转换模块、功率放大模块和光源，所述的光探测器将接收到的光信号转化为电信号，实时检测光探测器的输出，通过前置放大模块处理后进入A/D转换模块转换为数字量信号，DSP模块进行处理后产生数字量补偿电流信号，该数字量信号由D/A转换模块转换为模拟量信号，由功率放大模块输出补偿电流i₂。

温度漂移电流补偿方法，它包括以下步骤：

步骤一、根据法拉第磁光效应通过光学传感器的线偏振光产生的法拉第旋光角

用待测电流i₁表示为：

式中：

为线偏振光通过光学传感器产生的法拉第旋光角；

为常比例系数；V₁为常温下第一磁光玻璃的费尔德常数；i₁为待测电流，

步骤二、根据法拉第磁光效应通过螺线管式自感传感器的线偏振光产生的法拉第旋光角

用待测电流i₂表示为：

式中：

为线偏振光通过螺线管式自感传感器产生的法拉第旋光角；

为常比例系数；V₂为常温下第二磁光玻璃的费尔德常数；i₂为补偿电流，

步骤三、光探测器将接收的光信号转化为电压输出，根据马吕斯定律以及步骤一和步骤二旋光角的表达式可导出其输出电压：

式中：A为光探测器的光电转换系数；α为光路光强衰减系数；J_i为输入光强，

当待测电流i₁＝0、补偿电流i₂＝0时，由式(3)知，光学电流互感器的光探测器输出电压为：

u_o10＝A·α·J_i                            (4)

步骤四、根据步骤三中u_o1和u_o10，DSP模块以u_o1作为数据处理的预置值，将接收到的信号u_o1与预置值u_o10作比较以获得i₂的调整系数：

$\mathrm{\δ}=\frac{u_{o1}}{u_{o10}}=1-\sin (K_{I_1}\·V_1\·i_1+K_{I_2}\·V_2\·i_2)---\left(5\right)$

DSP模块根据调整系数δ调节补偿电流i₂，使得相应地：

$K_{I_1}\·V_1\·i_1=-K_{I_2}\·V_2\·i_2---\left(6\right)$

步骤五、第一磁光玻璃和第二磁光玻璃采用同类型磁光玻璃材料且规格尺寸完全相同，故第一磁光玻璃和第二磁光玻璃的费尔德常数相等V₁＝V₂，当环境温度发生变化时，磁光玻璃的费尔德常数也发生变化，设温度导致磁光玻璃产生的费尔德常数变化量为ΔV，则受温度变化影响后磁光玻璃的费尔德常数变为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1^{\′}=V_1+\mathrm{\ΔV}\\ V_2^{\′}=V_2+\mathrm{\ΔV}\end{array}\right.---\left(7\right)$

由式(6)和(7)可得：

$K_{I_1}\·V_1^{\′}\·i_1=-K_{I_2}\·V_2^{\′}\·i_2---\left(8\right)$

当工作环境温度发生变化时，第一磁光玻璃和第二磁光玻璃的费尔德常数同时发生变化，但仍然保持相等：

V₁′＝V₂′                            (9)

由公式(8)和(9)即可得到与温度无关的输出实现对待测电流的测量：

$i_1=-\frac{K_{I_2}}{K_{I_1}}\·i_2---\left(10\right).$

本发明提供的一种温度漂移补偿光学电流互感器及其电流补偿方法，具有如下特征和优点：

(1)动态范围大，线性度好。采用天平式零位检测方法，使光学电流互感器的线性度和动态测量范围得到极大提高，电流测量范围可达1A～50000A；

(2)温度稳定性好，测量精度高。采用同类磁光玻璃材料构成的双传感单元结构，并引入补偿电流，提高了光学电流互感器的温度稳定性，使光学电流互感器的测量精度在-40℃～+60℃的温度范围内满足IEC 0.2S等级要求。

本发明通过一种温度漂移补偿光学电流互感器及其电流补偿方法实现了测量待测电流是零温度漂移的目的。

附图说明

图1为本发明所述的温度漂移补偿光学电流互感器组成结构示意图；图2为光学传感器的等效原理图；图3为螺线管式自感传感器的等效原理图；图4为信号处理单元的原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一、一种温度漂移补偿光学电流互感器，它包括罩壳1、光学传感器2、第一多模光纤3、保偏光纤4、底座6、信号处理单元7和第二多模光纤8，所述的光学传感器2固定于罩壳1内部，其特征是：它还包括螺线管式自感传感器5，

光学传感器2的一端通过保偏光纤4与螺线管式自感传感器5的一端连接，螺线管式自感传感器5的另一端通过第二多模光纤8与信号处理单元7连接，光学传感器2的另一端通过第一多模光纤3与信号处理单元7连接，所述螺线管式自感传感器5和信号处理单元7均在底座6内部，信号处理单元7固定于底座6底端，螺线管式自感传感器5与光学传感器2的磁光材料是同种磁光玻璃，

光学传感器2包括第一准直器2-1、起偏器2-2、第一磁光玻璃2-3和第一耦合器2-4，所述的准直器2-1、起偏器2-2、磁光玻璃2-3和耦合器2-4沿光路方向依次分布，

螺线管式自感传感器5包括第二准直器5-1、第二磁光玻璃5-2、螺线管5-3、检偏器5-4和第二耦合器5-5，所述的准直器5-1、磁光玻璃5-2、检偏器5-4和耦合器5-5沿光路方向依次分布，所述条状第二磁光玻璃5-2沿螺线管5-3安装于螺线管5-3的内部，且第二磁光玻璃5-2通光方向的总长度小于螺线管5-3沿轴向的总长度，

信号处理单元7包括光探测器7-1、前置放大模块7-2、A/D转换模块7-3、DSP模块7-4、D/A转换模块7-5、功率放大模块7-6和光源7-7，所述的光探测器7-1将接收到的光信号转化为电信号，实时检测光探测器7-1的输出，通过前置放大模块7-2处理后进入A/D转换模块7-3转换为数字量信号，DSP模块7-4进行处理后产生数字量补偿电流信号，该数字量信号由D/A转换模块7-5转换为模拟量信号，由功率放大模块7-6输出补偿电流i₂。

具体实施方式二、温度漂移电流补偿方法，它包括以下步骤：

步骤一、根据法拉第磁光效应通过光学传感器2的线偏振光产生的法拉第旋光角

用待测电流i₁表示为：

式中：

为线偏振光通过光学传感器2产生的法拉第旋光角；

为常比例系数；V₁为常温下第一磁光玻璃2-3的费尔德常数；i₁为待测电流，

步骤二、根据法拉第磁光效应通过螺线管式自感传感器5的线偏振光产生的法拉第旋光角

用待测电流i₂表示为：

式中：

为线偏振光通过螺线管式自感传感器5产生的法拉第旋光角；为常比例系数；V₂为常温下第二磁光玻璃5-2的费尔德常数；i₂为补偿电流，

步骤三、光探测器7-1将接收的光信号转化为电压输出，根据马吕斯定律以及步骤一和步骤二旋光角的表达式可导出其输出电压：

式中：A为光探测器7-1的光电转换系数；α为光路光强衰减系数；J_i为输入光强，

当待测电流i₁＝0、补偿电流i₂＝0时，由式(3)知，光学电流互感器的光探测器7-1输出电压为：

u_o10＝A·α·J_i                    (4)

步骤四、根据步骤三中u_o1和u_o10，DSP模块7-4以u_o1作为数据处理的预置值，将接收到的信号u_o1与预置值u_o10作比较以获得i₂的调整系数：

$\mathrm{\δ}=\frac{u_{o1}}{u_{o10}}=1-\sin (K_{I_1}\·V_1\·i_1+K_{I_2}\·V_2\·i_2)---\left(5\right)$

DSP模块7-4根据调整系数δ调节补偿电流i₂，使得

相应地：

$K_{I_1}\·V_1\·i_1=-K_{I_2}\·V_2\·i_2---\left(6\right)$

步骤五、第一磁光玻璃2-3和第二磁光玻璃5-2采用同类型磁光玻璃材料且规格尺寸完全相同，故第一磁光玻璃2-3和第二磁光玻璃5-2的费尔德常数相等V₁＝V₂，当环境温度发生变化时，磁光玻璃的费尔德常数也发生变化，设温度导致磁光玻璃产生的费尔德常数变化量为ΔV，则受温度变化影响后磁光玻璃的费尔德常数变为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1^{\′}=V_1+\mathrm{\ΔV}\\ V_2^{\′}=V_2+\mathrm{\ΔV}\end{array}\right.---\left(7\right)$

由式(6)和(7)可得：

$K_{I_1}\·V_1^{\′}\·i_1=-K_{I_2}\·V_2^{\′}\·i_2---\left(8\right)$

当工作环境温度发生变化时，第一磁光玻璃2-3和第二磁光玻璃5-2的费尔德常数同时发生变化，但仍然保持相等：

V₁′＝V₂′                                    (9)

由公式(8)和(9)即可得到与温度无关的输出实现对待测电流的测量：

$i_1=-\frac{K_{I_2}}{K_{I_1}}\·i_2---\left(10\right).$

光学传感器2基于法拉第磁光效应原理敏感待测电流信号i₁使通过光学传感器2的线偏振光产生法拉第旋光角所述螺线管式自感传感器5基于法拉第磁光效应原理敏感零和跟踪电流信号i₂使通过螺线管式自感传感器5的线偏振光产生法拉第旋光角

经光学传感器2和螺线管式自感传感器5调制后的光信号从螺线管式自感传感器5传输到信号处理单元7。信号处理单元7采用闭环检测方案，实时检测光探测器7-1输出，通过前置放大模块7-2处理后进入A/D转换模块7-3为数字量信号，DSP模块7-4进行处理后产生数字量电流信号，该数字量信号由D/A转换模块7-5转换为模拟量信号，由功率放大模块7-6输出补偿电流i₂，电流i₂在螺线管5-3中产生的磁场使通过螺线管式自感传感器5的偏振光产生法拉第旋光角

使得

从而使系统工作在零相位状态。此时

系统输出

从而检测偏转角实现对一次电流的测量。

Claims (2)

1.一种温度漂移补偿光学电流互感器，它包括罩壳(1)、光学传感器(2)、第一多模光纤(3)、保偏光纤(4)、底座(6)、信号处理单元(7)和第二多模光纤(8)，所述的光学传感器(2)固定于罩壳(1)内部，其特征是：它还包括螺线管式自感传感器(5)，

光学传感器(2)的一端通过保偏光纤(4)与螺线管式自感传感器(5)的一端连接，螺线管式自感传感器(5)的另一端通过第二多模光纤(8)与信号处理单元(7)连接，光学传感器(2)的另一端通过第一多模光纤(3)与信号处理单元(7)连接，所述螺线管式自感传感器(5)和信号处理单元(7)均在底座(6)内部，信号处理单元(7)固定于底座(6)底端，螺线管式自感传感器(5)与光学传感器(2)的磁光材料是同种磁光玻璃，

光学传感器(2)包括第一准直器(2-1)、起偏器(2-2)、第一磁光玻璃(2-3)和第一耦合器(2-4)，所述的准直器(2-1)、起偏器(2-2)、磁光玻璃(2-3)和耦合器(2-4)沿光路方向依次分布，

螺线管式自感传感器(5)包括第二准直器(5-1)、第二磁光玻璃(5-2)、螺线管(5-3)、检偏器(5-4)和第二耦合器(5-5)，所述的准直器(5-1)、磁光玻璃(5-2)、检偏器(5-4)和耦合器(5-5)沿光路方向依次分布，所述条状第二磁光玻璃(5-2)沿螺线管(5-3)安装于螺线管(5-3)的内部，且第二磁光玻璃(5-2)通光方向的总长度小于螺线管(5-3)沿轴向的总长度，

信号处理单元(7)包括光探测器(7-1)、前置放大模块(7-2)、A/D转换模块(7-3)、DSP模块(7-4)、D/A转换模块(7-5)、功率放大模块(7-6)和光源(7-7)，所述的光探测器(7-1)将接收到的光信号转化为电信号，实时检测光探测器(7-1)的输出，通过前置放大模块(7-2)处理后进入A/D转换模块(7-3)转换为数字量信号，DSP模块(7-4)进行处理后产生数字量补偿电流信号，该数字量信号由D/A转换模块(7-5)转换为模拟量信号，由功率放大模块(7-6)输出补偿电流i₂。

2.应用权利要求1所述的一种温度漂移电流补偿互感器，其特征在于：温度漂移电流补偿方法，它包括以下步骤：

步骤一、根据法拉第磁光效应通过光学传感器(2)的线偏振光产生的法拉第旋光角

用待测电流i₁表示为：

式中：

为线偏振光通过光学传感器(2)产生的法拉第旋光角；

为常比例系数；V₁为常温下第一磁光玻璃(2-3)的费尔德常数；i₁为待测电流，

步骤二、根据法拉第磁光效应通过螺线管式自感传感器(5)的线偏振光产生的法拉第旋光角

用待测电流i₂表示为：

式中：

为线偏振光通过螺线管式自感传感器(5)产生的法拉第旋光角；

为常比例系数；V₂为常温下第二磁光玻璃(5-2)的费尔德常数；i₂为补偿电流，

步骤三、光探测器(7-1)将接收的光信号转化为电压输出，根据马吕斯定律以及步骤一和步骤二旋光角的表达式可导出其输出电压：

式中：A为光探测器(7-1)的光电转换系数；α为光路光强衰减系数；J_i为输入光强，

当待测电流i₁＝0、补偿电流i₂＝0时，由式(3)知，光学电流互感器的光探测器(7-1)输出电压为：

u_o10＝A·α·J_i                            (4)

步骤四、根据步骤三中u_o1和u_o10，DSP模块(7-4)以u_o1作为数据处理的预置值，将接收到的信号u_o1与预置值u_o10作比较以获得i₂的调整系数：

$\mathrm{\δ}=\frac{u_{o1}}{u_{o10}}=1-\sin (K_{I_1}\·V_1\·i_1+K_{I_2}\·V_2\·i_2)---\left(5\right)$

DSP模块(7-4)根据调整系数δ调节补偿电流i₂，使得

相应地：

$K_{I_1}\·V_1\·i_1=-K_{I_2}\·V_2\·i_2---\left(6\right)$

步骤五、第一磁光玻璃(2-3)和第二磁光玻璃(5-2)采用同类型磁光玻璃材料且规格尺寸完全相同，故第一磁光玻璃(2-3)和第二磁光玻璃(5-2)的费尔德常数相等V₁＝V₂，当环境温度发生变化时，磁光玻璃的费尔德常数也发生变化，设温度导致磁光玻璃产生的费尔德常数变化量为ΔV，则受温度变化影响后磁光玻璃的费尔德常数变为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1^{\′}=V_1+\mathrm{\ΔV}\\ V_2^{\′}=V_2+\mathrm{\ΔV}\end{array}\right.---\left(7\right)$

由式(6)和(7)可得：

$K_{I_1}\·V_1^{\′}\·i_1=-K_{I_2}\·V_2^{\′}\·i_2---\left(8\right)$

当工作环境温度发生变化时，第一磁光玻璃(2-3)和第二磁光玻璃(5-2)的费尔德常数同时发生变化，但仍然保持相等：

V₁′＝V₂′(9)

由公式(8)和(9)即可得到与温度无关的输出实现对待测电流的测量：

$i_1=-\frac{K_{I_2}}{K_{I_1}}\·i_2---\left(10\right).$

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