CN102565509B - 多光路反射式光纤电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光路反射式光纤电流传感器，包括光源、起偏器、光纤耦合器、传输光纤、单螺线管、传感头、第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜、第三自聚焦透镜、检偏器和光探测器；所述光源设置在起偏器前方，起偏器后设置光纤耦合器，光纤耦合器依次通过传输光纤和第一自聚焦透镜与单螺线管的输入端连接；所述单螺线管的输出端依次连接有第二自聚焦透镜、传输光纤和第三自聚焦透镜；在第三自聚焦透镜前方设置有检偏器，检偏器前方设置有两个光探测器。本发明的多光路反射式光纤电流传感器比直线型光纤电流传感器的灵敏度高500倍左右；且多光路反射式光纤电流传感器结构简单，只需调整玻璃中光通道数量即可灵活调节系统灵敏度。

Description

多光路反射式光纤电流传感器

技术领域：

本发明属于光电领域，涉及一种光纤电流传感器，尤其是一种多光路反射式光纤电流传感器。

背景技术：

目前，在电力系统中广泛使用的电流互感器是电磁式电流互感器，其传感头采用电磁感应原理，在不同的电压等级下，把一次侧几安培到几千安培的电流变换到零电位状态下的二次侧的几安培电流，供计量、控制和监视仪表使用。电磁式电流互感器的结构简单，因此可靠性高，不易损坏，这是其主要优点，也是其得以普遍使用的主要原因。但由于结构和使用条件的特殊性它也存在以下几个突出的缺点：

a.有发生系统失效及灾难性事故的危险。充油电磁式电流互感器在超高压环境有发生绝缘击穿引起对地短路或突然爆炸的可能，且如果互感器二次侧不慎开路，将会产生高压，对配电设备造成危害甚至危及人身安全。

b.可能发生磁饱和现象。当被测电流异常增大时，互感器铁芯将出现磁饱和，使测量准确度严重下降。特别在短路等故障情况下，测量数据可能完全失效。

c.频率响应差，对高压线路上的暂态过程不能正确反应。这是由于电磁感应式电流互感器是用铁芯制成的，对高频信号的响应特性较差。

d.电磁干扰严重。因为电磁式电流互感器工作时处于高压环境，对于高压及特高压电站来讲，占地面积都较大，因而传输二次侧电信号距离亦较远，电流信号通过导线传输时将受到严重的电磁干扰，使测量准确度下降。

e.设备笨重，运输和安装困难。电磁式电流互感器主要由铁芯、变压器油、铜导线以及绝缘介质组成，这些材料的体积和重量都较大，且设备工作于高压环境，要求在高、低压端之间提供复杂昂贵的电气绝缘，随着输配电网朝着高电压、大容量方向发展，不仅使高电压等级的电磁式电流互感器变得越来越笨重，价格越来越昂贵，而且给运输和安装带来困难。

针对这些问题，光纤电流传感器理论上几乎能克服传统电磁式电流互感器的所有缺点，其优点主要体现在以下方面：

a.绝缘性能好，造价低。电磁式互感器的高压母线与二次线圈之间通过铁芯藕合，结构复杂，造价昂贵，其价格随输电电压的增长呈指数上升。光纤传感器所用材料主要是石英光纤，自身就是绝缘体，结构简单，造价随电压等级的增加略有增加。

b.不含铁芯，不存在磁饱和、铁磁谐振等问题，因而测量范围大，线性度好，频率响应范围宽，测量准确度高。

c.以光波传输信号，抗电磁干扰能力强，且低压侧不存在因开路而产生的高压危险，也消除了常规电磁式互感器因充油产生易燃易爆等问题。

d.体积小，重量轻。

e.适应电力计量、保护的数字式、微机化、自动化及光通信等的发展潮流。

f.动态测量范围大。正常情况下，电网运行的额定电流并不大，但短路电流却很大，且随着容量的增加，故障短路电流越来越大。电磁式电流互感器的电流测量范围有限，同时大电流时会影响它的准确度。光纤电流传感器额定电流可测到几千安培，瞬时过电流可测到几十万安培。

光学电流互感器最早进行试验的装置出现在美国60年代，安装在230KV电网上，它通过玻璃波导实现了信号传输。同一时期，日本利用磁光效应原理进行了超高压电力线电流测量研究。这一时期的研究为光纤电流传感器的发展打下了初步的理论和技术基础。

20世纪70年代开始，随着光纤制造技术的逐步完善，出现了全光纤型电流传感器。英国电力研究中心最早对全光纤电流传感器的原理进行了分析，在实验室试验成功。从90年代起，由于温度及振动的测量准确度大大提高，使得偏振计量型和相位调制型均得到了显著的进展。其中，加拿大NxtPhase公司研制成功全光纤型电流传感器，准确度等级达到0.2级，目前已通过各种工业性试验，进入商业生产阶段。德国西门子公司也在研究类似的全光纤电流互感器。在后来的研究发现全光纤型电流传感器容易引起双折射，其中一部分方案不能解决，一部分又带来新的问题。

光纤电流传感器的主要工作原理是利用光纤材料的法拉第效应，即处于磁场中的光纤会使在光纤中传输的偏振光发生偏振面的旋转，其旋转角度θ与磁场强度H、磁场中光纤的长度L成正比：

θ＝VHL    (1)

式中，V是费尔德常数。由于载流导线在周围空间产生的磁场满足安培环路定律，故对于长直导线有：

$H=\frac{I}{2\mathrm{\πR}}---\left(2\right)$

式中，R表示电流产生的磁场回路半径。因此，只有测出θ，L，R就可由：

$I=\frac{2\mathrm{\π\θR}}{\mathrm{VL}}---\left(3\right)$

求出长直导线中的电流I。

如图1所示，从激光器发出的激光束经起偏器变成线偏振光，再经光纤耦合器耦合到聚合物光纤中去。载流导线中通过其中的电流为I，绕在导线上的光纤中产生法拉第磁光效应，使通过光纤的偏振光产生一角度为θ的偏振面的旋转。出射光由光纤耦合器耦合到袄拉斯顿棱镜中。经沃拉斯顿棱镜把光束分成振动方向相互垂直的两束偏振光，最后分别送人探测器I₁和I₂，并由数据采集模块进行整理计算。输出的函数为

$P=\frac{I_1-I_1}{I_1+I_1}---\left(4\right)$

式中，I₁、I₂分别为两偏振光的强度。

计算表明，P和θ_f的关系为：

P＝2sinθ    (5)

由于一般电力系统中偏振面旋转的角度θ_f都很小，因此有：

P≈2θ       (6)

这种测量电流方式的优点是，测量范围大，灵敏度高，与高压无接触，电绝缘性好，特别适用于高压大电流的测量，测量范围为0～1000A。缺点是，测量小信号时导体周围磁场较小，法拉第旋转角很小；光纤的弯曲损耗和弯曲双折射效应较大。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种多光路反射式光纤电流传感器，该光纤电流传感器，能够测量微小电流信号，弥补国内外此领域研究的不足。

本发明提供一种多光路反射式光纤电流传感器，包括光源、起偏器、光纤耦合器、传输光纤、单螺线管、传感头、第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜、第三自聚焦透镜、检偏器和光探测器；所述光源设置在起偏器前方，起偏器后设置光纤耦合器，光纤耦合器依次通过传输光纤和第一自聚焦透镜与单螺线管的输入端连接；所述单螺线管的输出端依次连接有第二自聚焦透镜、传输光纤和第三自聚焦透镜；在第三自聚焦透镜前方设置有检偏器，检偏器前方设置有两个光探测器。

所述光源为半导体激光器。

所述起偏器为格兰泰勒棱镜。

所述螺线管为2000匝、内径6cm、外径8cm、长10cm。

所述传感头为两面镀反射膜的石英玻璃、尺寸为5cm×5cm×8cm、内部为10×10的线阵列、线长8cm、线径0.1cm、相邻线在x、y方向间隔为0.3cm。

所述光探测器为PIN光电二极管。

本发明的多光路反射式光纤电流传感器比直线型光纤电流传感器的灵敏度高500倍左右；且多光路反射式光纤电流传感器结构简单，只需调整玻璃中光通道数量即可灵活调节系统灵敏度。

附图说明：

图1为本发明的直线型全光纤电流传感器装置示意图图；

图2为本发明多光路反射式光纤电流传感器结构图图；

图3为本发明的多光路反射式传感头结构；a刻蚀有光通道石英玻璃的横截面；b径向截面；

图4为直线型电流传感头磁场模计算结果图；

图5为多光路反射式传感头磁场计算结果图；

图6为两种传感结构的法拉第转角理论值与被测电流关系图；

其中：1为光源；2为起偏器；3为光纤耦合器；4为传输光纤；5为单螺线管；6为传感头；7为第一自聚焦透镜；8为第二自聚焦透镜；9为第三自聚焦透镜；10为检偏器；11为光探测器；12为石英玻璃。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-6，多光路反射式光纤电流传感器包括光源、起偏器、光纤耦合器、传输光纤、单螺线管、传感头、第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜、第三自聚焦透镜、检偏器和光探测器；所述光源设置在起偏器前方，起偏器后设置光纤耦合器，光纤耦合器依次通过传输光纤和第一自聚焦透镜与单螺线管的输入端连接；所述单螺线管的输出端依次连接有第二自聚焦透镜、传输光纤和第三自聚焦透镜；在第三自聚焦透镜前方设置有检偏器，检偏器前方设置有两个光探测器。

所述光源为半导体激光器。所述起偏器为格兰泰勒棱镜。所述螺线管为2000匝、内径6cm、外径8cm、长10cm。所述传感头为两面镀反射膜的石英玻璃、尺寸为5cm×5cm×8cm、内部为10×10的线阵列、线长8cm、线径0.1cm、相邻线在x、y方向间隔为0.3cm。所述检偏器为渥拉斯通棱镜。所述光探测器为PIN光电二极管。

如图2所示，本装置核心为两面镀反射膜的石英玻璃，长为8cm，其中刻蚀100条光通道，线径0.1cm、相邻线在x、y方向间隔为0.3cm。光路弯曲部分可利用自聚焦透镜的制作原理，通过折射率梯度分布使光路发生偏折。所以与传统光绕电结构的光纤电流传感器相比灵敏度增加、传感头尺寸减小，且由于光路来回折返，根据互易性原理线路中线性双折射的影响将抵消大部分。

传统光绕电型电流传感器在测量小电流时电缆四周磁场强度比较微弱，为了增大被测电流产生的磁场，首先将通过被测电流的导线绕制成螺线管形式，在螺线管内部产生集中的磁场(与单位长度的导线匝数有关)。然后将两面镀反射膜的石英玻璃置于螺线管轴线上，玻璃中刻蚀100条光通道，光线将在光通道中传输，通过两面反射膜多次反射后法拉第转角将成倍增大。其示意图如图2所示，暂将这种结构称为多光路反射结构。

这种结构大大提高了磁场的利用率，使法拉第转角大为增加，而且光路来回反射，理论上将每对光路的线性双折射效应抵消，根据安培环路定理，对于理想长螺线管

θ＝V∫Hdl＝Vn₁n₂I    (7)

式中：

n₁——玻璃中光通道数

n₂——螺线管线圈总匝数

I——被测电流大小

由式(7)可以看出，与直线型电流传感头相比，多光路反射式光纤电流传感器的灵敏度可通过n₁、n₂调节，在实际情况下一般远大于传统直线型光纤电流传感器。同时由于光路发生折返，根据互易性原理双折射将大为减小。

本发明的多光路反射结构很大程度上增加了光纤电流传感器的灵敏度，在实验仿真可以很好的验证。两种传感结构的法拉第转角理论值与的被测电流的关系如图5所示，从图中可以看出试验中多光路反射式传感器的灵敏度比传统光绕电型(直线型)传感器高近千倍，调整玻璃中光通道数量可以灵活调节传感器灵敏度，可获得更高的灵敏度

用COMSOL Multiphisics多物理场耦合仿真软件对所传统电绕光型和螺线管嵌套型传感头结构在测量直流电流时的电磁场进行了仿真计算，各结构的参数均参照实验实际情况设定。然后利用公式θ＝V∫Hdl沿光纤路径对磁场进行了矢量积分，计算了各传感结构中法拉第转角的理想值。

(1)直线型电流传感头

设置电缆为铜圆柱体，其直径1cm，长1m，通电流1A；周围半径0.2m、高1.4m的圆柱体范围内设为空气，最外层设为PML无限元。磁场的仿真计算结果如图3所示，图中颜色的深浅表示磁场模的大小。

设光纤路径为一螺旋线，其螺旋半径为1cm，螺距为4mm，共250匝。将磁场仿真结果导出，并计算磁场沿光路的的矢量积分，结果为251.6283A，近似等于理论计算值250A。假设所用传感光纤为石英光纤，其Verdet常数为4.68×10^-6rad/A(波长为633nm)，则法拉第转角θ＝V∫Hdl＝4.68×10^-6×251.6283＝1.18×10^-3rad。

(2)螺线管嵌套型传感头

由于当螺线管匝数较多时，网格划分过密会导致内存溢出等问题，因此将螺线管结构等效为圆筒进行仿真。设螺线管为2000匝，通电流1A，建立几何模型时将其等效为内径6cm、外径8cm、长10cm的铜质圆筒，设置电流密度J＝2×106A/m2，周围半径0.12m的球形区域内设置为空气。磁场的仿真计算结果如图4-5所示，图中颜色的深浅表示磁场模的大小。

在螺线管内部设置10×10的线阵列，线长8cm，相邻线在x、y方向间隔为0.4cm。将磁场仿真结果导出，并计算磁场沿光路的的矢量积分，磁场强度z分量沿这100条线段的积分之和是1.1383×105A。当用石英光纤作为玻璃基底材料时，法拉第转角。θ＝V∫Hdl＝4.68×10^-6×1.1383×10⁵＝0.533rad

如图6所示，比较直线型光纤电流传感器与多光路反射式光纤电流传感器的灵敏度，后者比前者高500倍左右。且多光路反射式光纤电流传感器结构简单，只需调整玻璃中光通道数量即可灵活调节系统灵敏度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.多光路反射式光纤电流传感器，其特征在于：包括光源、起偏器、光纤耦合器、传输光纤、单螺线管、传感头、第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜、第三自聚焦透镜、检偏器和光探测器；所述光源设置在起偏器前方，起偏器后设置光纤耦合器，光纤耦合器依次通过传输光纤和第一自聚焦透镜与单螺线管的输入端连接；所述单螺线管的输出端依次连接有第二自聚焦透镜、传输光纤和第三自聚焦透镜；在第三自聚焦透镜后方设置有检偏器，检偏器后方设置有两个光探测器；所述螺线管为2000匝、内径6cm、外径8cm、长10cm；所述传感头为两面镀反射膜的石英玻璃、尺寸为5cm×5cm×8cm、内部为10×10的线阵列、线长8cm、线径0.1cm、相邻线在x、y方向间隔为0.3cm；所述检偏器为渥拉斯通棱镜；

所述光源为半导体激光器；

所述起偏器为格兰泰勒棱镜；

所述光探测器为PIN光电二极管。