CN102713699A - 用于测量电力分配系统中的电流的光学传感器组件及方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学传感器组件(10)具有底座单元(20)、光学电流传感器(40)和聚磁器(54)。光学电流传感器(40)安装在底座单元(20)上并且包括偏振光输入端(42)、反射棱镜(44)和光输出端(46)。聚磁器(54)限定空气隙(60)并且安装在聚磁器壳体(30)上，使得当底座单元(20)悬挂在载流电缆(12)上且处于关闭位置时，聚磁器(54)围绕载流电缆(12)。当聚磁器壳体(30)处于关闭位置时，反射棱镜(44)可操作地置于空气隙(60)中。光学传感器组件(10)使测量通过载流电缆(12)的电流的方法成为可能。
Description
技术领域
本发明通常涉及用于测量电流的光学传感器组件，更具体地涉及用于感测电力分配系统的载流电缆中的电流水平和电压水平的光学传感器组件。
背景技术
已经采用各种传感器来测量载流电缆(诸如高压配电系统的载流电缆)中的电流。基于法拉第效应的光学电流传感器在本领域是已知的。使用环绕载流电缆的凸形玻璃或光纤电缆的光学电流传感器具有极高的动态范围，但是在安装时需要打开载流电缆，因此是昂贵的。
利用具有位于空气隙中的凸形光学器件的聚磁器的光学电流传感器在本领域也是已知的。一个这种实施方式在由Shuping Wang等人于2009年8月在SPIE会议上发布的题为“Use of Dual FrequencyExcitation Method to Improve the Accuracy of an Optical Current Sensor(使用双频激励方法以提高光学电流传感器的精确度)”文章中有讨论。空气隙使磁性材料的温度灵敏度稳定，如Gunter B.Finke的出版物“Gapped Magnetic Core Structure(有间隙的磁芯结构)”，MagneticMetal Corporation，Camden，New Jersey，08101中所讨论的。
然而，由于饱和度，聚磁器可限制动态范围。取决于应用，电气设施对电流传感器的动态范围具有各种要求。例如，对于测量和需求响应，约0到大于2倍额定电流的动态范围是可接受的。当要求故障检测时，类似于大于10倍额定电流的动态范围必须被实时地测量。为了评定电力质量，谐波的测量是关键，因此可能通常要求诸如～45至～6,000Hz的较高带宽。智能电网通过使用数字技术将电力从供电商输送至客户以节约电能，降低成本，并且增加可靠性和透明度。尤其对于这种智能电网，公共事业和工业将要求相同的传感器用于多个目的。增加聚磁器的空气隙可能增加饱和度，但是也可能增加对邻近场的灵敏度。可用的材料的方法使聚磁器具有分布式空气隙，该分布式空气隙能够增加饱和度而不显著增加对邻近场的灵敏度。
传统的传感器通常分别针对不同的应用。例如电流和电压互感器用于计量并要求响应，而罗戈夫斯基线圈和霍尔效应装置用于故障定位和系统保护。全光纤或大电流传感器自然可用于所有应用，但是很贵并且不能夹到电缆上。
Woods等人的U.S.5892357公开了用于感测电场中的电压的电光电压传感器，传感器基于普克尔的电光效应。这要求传感器与电缆的简单且无接触的布置。
Blake的U.S.6,166,816描述了一个光源用于组合的光纤电流和电压传感器。但是，难以制造所公开的电流传感器的夹持版本。电气设施可在新装配或拆开载流电缆进行安装期间使用该传感器。
Ishiko等人的U.S.4,999,571描述了夹持式电流和电压传感器。该传感器使用包括线性滑动和旋转两部分过程进行附接。电压传感器是基于不接地的电容式分压器。传感器与地之间的虚拟电容建立参考地。虚拟电容随着大气(例如，湿度、灰尘)、移动导电块(例如，机动车辆)和来自相邻相和其它源的电磁干扰而变化。而且，传感器依赖于机械调节以进行精确读取。当对线路的电压被切断时，传感器必须连接至线路。在电流传感器中使用的晶体为石榴晶体，石榴晶体是温度敏感的。传感器还为电压传感器使用四分之一波片，该波片也是温度敏感的。
Ykymyshyn等人的U.S.7,279,870公开了根据与电子设备组合且由具有参考交流电压的源补偿的多个基于霍尔效应的半导体传感器来测量电流的方法。该方法要求将固态电子设备靠近电缆安装并且因此由于暴露于电缆上的瞬态和闪电效应而不那么可靠。
Bjorn的U.S.7,068,025教导了基于法拉第效应的简化传感器，该传感器涉及使偏振面的旋转与光束方向的磁场分量的强度成正比。安培定律使围绕导体的闭环的集成磁场与通过环的电流相关。Bjorn专利教导了仅对导体周围的一点进行采样的方法。该方法对相邻相位的磁场敏感，或对其它源的磁干扰敏感。为了补偿这些误差，通过比较读数与围绕导体的基准电流传感器来利用软件校正。当安装有变化时，这种补偿方法是不精确的。即使诸如附近车辆经过所带的风的普通因素都能使所测量的磁场的配置变化。
C.V Temple等人的U.S.2,709,800教导了一种电力故障检测器，该检测器允许机械调节聚磁器的空气隙以检测各种电流水平。该传感器仅用于检测故障电流。温度和振动可能将误差引入到这种形式的检测器的读数中。
Attarian等人的U.S.6,844,799教导了一种霍尔效应电流传感器，该传感器利用混合的磁性材料来优化断路器中电流传感器的动态范围。该设备要求固定的尺寸，该固定的尺寸不适于一些空气隙并且因此关于可使用的磁条受到限制。
Bosselmann等人的U.S.5,963,026公开了用于两种不同测量范围的两个法拉第元件或晶体以实现更高的动态范围。这增加了复杂性和成本。
Bluzer的U.S.4,590,505公开了具有可编程增益控制的三维光学接收器。增益以对数方式被优化，该方式不适于光学电流和电压传感器，其必须为线性以保持谐波的精确度。
现有技术教导了用于使用光学传感器测量载流电缆中的实时电流和电压的各种装置和方法。然而，现有技术未教导用于大的动态范围、灵敏度和带宽的精确测量且能够被安装在电缆上而无需中断电缆功能的低成本和简单的传感器设计。本发明满足这些需求并且提供了如下面发明内容部分所描述的进一步相关的优点。
发明内容
本发明教导了实现下述目的的结构和用途的一些优点。
本发明提供了测量载流电缆的电流的光学传感器组件和方法。在一个实施方式中，光学传感器组件包括：底座单元；光学电流传感器，安装在底座元件上，光学电流传感器包括偏振光输入端、光导装置和光输出端，偏振光输入端被配置为传输偏振电磁辐射光束到达光导装置以及从光输出端离开；至少一个钩，用于将底座单元悬挂在载流电缆上；聚磁器壳体，具有第一端和第二端；聚磁器壳体的第二端的枢轴，用于枢转地连接聚磁器壳体和底座单元的顶端，从而聚磁器壳体在打开位置和关闭位置之间运动；聚磁器，具有第一端和第二端，聚磁器的第一端和第二端共同限定位于它们之间的空气隙，聚磁器安装在聚磁器壳体中，使得当底座单元通过至少一个钩悬挂在载流电缆上时以及当聚磁器壳体运动至关闭位置时，聚磁器围绕载流电缆，还使得当聚磁器壳体处于关闭位置时，底座单元的光导装置可操作地位于聚磁器的空气隙中；以及电压传感器，可操作地置于底座单元上并用于测量载流电缆的电压。
在另一实施方式中，确定电流的方法包括将光学传感器组件安装在载流电缆邻近，使得光纤可操作地连接至光检测器。然后通过使用可操作地与处理器连接的用于模数转换的第一和第二通道，从来自光检测器的旋转信息估算多个因素。
本发明的主要目的是提供一种光学传感器组件，该光学传感器组件使感测电流的方法成为可能，所述传感器和方法具有现有技术未教导的优点。
另一目的是提供光学电流传感器，该光学电流传感器用于安装在载流电缆上而无需中断电缆的功能。
另一目的是提供感测载流电缆上的电流而无需切割或中断电缆功能的方法。
另一目的是提供一种感测电流的方法，该方法可通过使用具有分布式空气隙的聚磁器改善光学电流传感器的测量的动态范围和灵敏度。
又一目的是提供一种感测电流的方法，该方法包括控制元件，该控制元件仅通过光纤可操作地连接至传感器并且适当接地，从而降低了高电压转移至控制元件的危险。
又一目的是提供一种感测电流的方法，该方法使可操作地连接至电流传感器的多种仪器，以同时测量电流的多种质量。
结合示例性地示出本发明原理的附图，根据下面更详细的描述，本发明的其它特征和优点将会变得显而易见。
附图说明
附图图示本发明，在这些附图中：
图1为根据本发明的一个实施方式的当聚磁器处于打开位置时传感器组件的立体视图；
图2为当聚磁器处于关闭位置时图1的立体视图；
图3为图1的侧视图；
图4为图2的侧视图；
图5为根据本发明的实施方式的与电缆和电流传感器有关的图2和图4中的聚磁器的侧视图，聚磁器还示出了位于聚磁器中的分布式空气隙(distributed-airgap)；
图6A为根据本发明的实施方式的图1和图4中的聚磁器的侧视图，示出了聚磁器中的分布式空气隙、以及位于非磁性材料介质中的磁性材料的叠层；
图6B为图6A中沿线6B-6B获得的横截面视图；
图7为组件以及光学电压传感器的内部的侧视图；
图8A为根据本发明的第一实施方式的组件的图示，其中组件悬挂于高压配电系统的载流电缆上并且连接至用于控制和估算电缆的电流和电压水平的电子系统；
图8B为组件的第二实施方式；
图8C为组件的第三实施方式；
图8D为组件的第四实施方式；以及
图9为图8A的电子系统的一个实施方式的示意图。
具体实施方式
上述附图对本发明，即安装在载流电缆12(尤其高压配电系统的载流电缆)上以测量载流电缆的电流和电压的光学传感器组件10进行了说明。
图1是当聚磁器54处于打开位置时的光学传感器组件10的一个实施方式的立体图。图2是聚磁器54处于关闭位置的相同立体图。图3和4分别代表它们的侧立视图。
在图1-4的实施方式中，光学传感器组件10包括底座单元20，底座单元20具有顶端22和底端24。在该实施方式中，底座单元20为具有安装在顶端22的光学电流传感器40和安装在底端24邻近的电压传感器70的长型结构。尽管这种配置在当前实施方式中是有利的，但是本领域技术人员可想到应该被认为在本发明范围内的可替换的配置。
底座单元20包括用于将底座单元20挂在载流电缆12上的至少一个钩26。在图1-4的实施方式中，所述至少一个钩26包括一对钩，这一对钩分别位于光学电流传感器40的光导装置44的两侧，下面将详细讨论。每个钩26可包括适于使底座单元20与载流电缆12保持预定距离D的弯曲部28。每个钩26还可包括夹持元件29，诸如如图所示的螺旋夹具，当然可使用其它夹具和等同的紧固器，并且术语夹持元件29被清楚地限定为包括这些替换的结构。夹持元件29以使载流电缆12抵靠钩26的弯曲部28的方式来夹持载流电缆12，从而在载流电缆12上将底座单元20紧固就位，使得即使在恶劣气候条件下，组件也在物理上相对于电缆保持稳定。
聚磁器壳体30附接至底座单元20的顶端22，用于围绕载流电缆12固定聚磁器54。聚磁器壳体30具有第一端32和第二端34。聚磁器壳体30的第二端34的枢轴36将聚磁器壳体30枢转地附接至底座单元20的顶端22，以使聚磁器壳体30在打开位置与关闭位置之间运动。术语枢轴36在此被限定为包括使聚磁器壳体30能够以使聚磁器54围绕载流电缆12适当放置的方式运动的任意可动连接，如本文中所讨论的一样，并且包括本领域技术人员公知的可替换或等同的结构。
在打开位置，聚磁器壳体30运动远离底座单元20。在关闭位置，聚磁器壳体30聚磁器54围绕载流电缆12放置，以使载流电缆12穿过聚磁器54而不与聚磁器54或聚磁器壳体30物理接触。
在关闭位置，锁定元件38被设置为将聚磁器壳体30的第一端32可移除地固定至底座单元20。在当前实施方式中，锁定元件38为附接至聚磁器壳体30的螺旋型夹具，聚磁器壳体30与底座单元20的凸缘39可移除地接合。锁定元件38将聚磁器壳体30锁定在关闭位置，从而相对于载流电缆12将聚磁器54保持在合适的位置，下面将更加详细地描述。
图5是图2和4的聚磁器54关于载流电缆12和光学电流传感器40的侧立视图。如图5所示，光学电流传感器40包括偏振光输入端42、光导装置44(例如反射棱镜、镜子等)和光输出端46。偏振光输入端42与偏振光源48可操作地连接，光输出端46可操作地连接至光检测器50。偏振光源48被配置为通过偏振光输入端42将偏振电磁辐射光束52传输到反射棱镜44中，在反射棱镜44处，光束被反射出光输出端46并且被反射到光检测器50以供分析。
如图5所示，聚磁器54具有第一端56和第二端58，第一端56和第二端58一起限定位于它们之间的空气隙60。聚磁器54安装在聚磁器壳体30上，从而当底座单元20通过至少一个钩26悬挂在载流电缆12上时并且当聚磁器30运动至关闭位置时，聚磁器54围绕载流电缆12。在此位置，当聚磁器壳体30位于关闭位置时，底座单元20的反射棱镜44可操作地位于聚磁器54的空气隙60中。
光学电流传感器40安装在底座单元20上，使得其被置于空气隙60中以感测电缆中的电流，如图5所示，电流传感器40设置在底座单元20内并且在处于关闭位置时在空气隙60中容纳间隙。光输入端42被配置为将第一偏振电磁辐射光束52传输至光输出端46。该光束传输通过光导装置44以离开光输出端46，从而其可被光检测器50接收。根据安培定律，由电流产生的磁场被聚磁器54聚集到空气隙60中。光束的偏振面通过空气隙60中的磁场旋转，该旋转与空气隙60中的磁场的强度成正比(法拉第效应)。光检测器50测量代表电缆中的电流水平和电流方向的这种旋转。光束在电流传感器40中的路径可优选地沿着磁场。
在一个实施方式中，光导装置44可以是反射棱镜。反射棱镜44可以为将光从光输入端42引导至光输出端46的任意形状。在当前实施方式中，反射棱镜44为玻璃墓石，玻璃墓石具有用于以如上所述的方式引导光束的一对反射表面62。尽管现有技术申请使用石榴石或其它材料，但是玻璃提供诸如低温敏感性的益处。可替换地使用反射棱镜44、镜子或光纤构造的其它形状。
当使用基于法拉第效应的光学传感器时，传感器的灵敏度取决于光束沿磁场的行进长度。对于选定的空气隙60宽度，电流传感器40可被设计成利用最大灵敏度的尺寸，从而通过光束在电流传感器40中的行进改善由空气隙60引起的灵敏度损失。聚磁器50的形状和空气隙60的大小可被优化以容纳最大尺寸的电流传感器40。电流传感器40被设计成使光束的长度最大化以增加灵敏度。空气隙60和电流传感器40的尺寸差用于允许容纳间隙。该组件被配置为避免使用在现有技术文献中描述的1/4波片。1/4波片要求更复杂的温度补偿，而这可通过使用本发明的组件10得以避免。
偏振电磁辐射光束52优选地沿空气隙60中的磁场基本对齐。空气隙60中的磁场使光束52的偏振面在反射棱镜44中旋转。该旋转与空气隙60中的磁场强度成正比并且可由光检测器50测量以确定载流电缆12中的电流。
在图5的实施方式中，聚磁器54为D形且包括平坦部57，空气隙60位于平坦部分57的偏移位置，从而空气隙60在安装期间围绕电缆12。在该实施方式中，聚磁器54不需要包括待安装的任何形式的断开器或铰接装置，但是，独特的形状禁止了现成材料的使用。在图6A的实施方式中，聚磁器54可为C形。尽管允许使用更加标准的部件，但是它通常必须进一步包括铰接装置59以便于安装。虽然公开两个实施方式，但是聚磁器54可包括用于向空气隙60提供必要磁场的任何相似或等同的形状。
在图5和7的实施方式中，光学传感器组件10包括第一光纤66，第一光纤66用于将偏振电磁辐射光束52从偏振光源48传输至反射棱镜44的偏振光输入端42；光学传感器组件10还包括第二光纤68，第二光纤68用于将偏振电磁辐射光束52从反射棱镜44的光输出端46传输至光检测器50。第一光纤66和第二光纤68可延伸至位于底座单元20的内部或外部的电子元件、控制器等，下面将进行更详细的描述。
在图5的实施方式中，聚磁器54包括至少一种类型的软磁粉，至少一种类型的软磁粉与至少一种类型的非磁性材料混合以在聚磁器54中产生分布式空气隙。
可选地，如图6A连同图6B中的聚磁器的横截面视图所示，聚磁器54包括与至少一种类型的非磁性材料混合的至少一种类型的磁性材料的多个叠层64。叠层64被布置为形成分布式空气隙60。这些混合的磁性材料用于优化光学电流传感器40的动态范围并且增加聚磁器54的饱和度水平，同时保持低电流灵敏度的可接受水平以及相邻磁场的低影响力。
图7是图4的截面视图，其示出了光学传感器组件10的各种内部部件。如图7所示，光学传感器组件10还可包括电压传感器70，电压传感器70可操作地安装在底座单元20上或其内部，以感测载流电缆12的电压。电压传感器70可被置于底座单元20的底端24附近，从而电压传感器70位于不受外界影响的稳定的电场中。而且，如下面更详细描述地，电子元件通过下面描述的光纤远离高压电缆，从而减少高压瞬态、闪电和其它天气条件对电子元件的恶化效应；但是，这些元件可置于如本领域技术人员所确定的其它地方。
在图7的实施方式中，组件10可包括导电管72，导电管72具有近端74和远端76。当组件安装在所述至少一个钩26上时，近端74可(例如通过钩26或其它工具)电连接至载流电缆12。在该实施方式中，组件还可包括接地表面78，接地表面78被安装在导电管72附近，并通过空隙80与导电管72隔开。接地表面78通过接地柱82维持在地电势，接地柱82通过接地线83附接至如本领域公知的接地元件。术语“接地柱”在此被限定为包括适于附接至接地元件的任何附接点或特征。尽管本文示出了一个实施方式，但是本领域技术人员可想到也应该被认为在本发明范围内的替代结构。
在该实施方式中，电压传感器70为光学电压传感器，可操作地置于导电管72与接地表面78之间的空隙80中。
在一个实施方式中，光学电压传感器70可包括用于第二偏振电磁辐射光束的输入，第二偏振电磁辐射光束具有沿至少两个正交平面传播的至少两个分量；并且光学电压传感器70还包括传感器，当第二光束穿过导电管71与接地表面78之间的空隙80行进时，该传感器用于感测分量的差分相移。例如，电压传感器70可以是包括发射器、传感器、反射器和检测器的电光电压传感器。发射器可被配置为发出具有沿正交平面传播的两个分量的偏振电磁辐射光束。传感器可承受一部分场，并且被配置为在取决于该部分场的大小的正交光束分量中引发差分相移。反射器可接收穿过传感器之后的光束并且将光束往回引导穿过传感器。检测器可检测正交光束分量的差动相移并且产生取决于该差动相移的信号。适合的电光电压传感器在Woods等人的第5,892,357号美国专利中公开，该专利的全部内容通过引用并入本文。也参见在此通过引用全部并入本文的美国专利7,199,571。
还如图7所示，光纤电流传感器40的第一光纤66和第二光纤68可设置为穿过导电管72，从而导电管72充当法拉第笼以保护第一光纤66和第二光纤68。
可能存在组件10可用于多个应用的情况。例如，组件10可同时用于故障定位以及调节电力质量。在这种情况中，可使用多个模数转换通道。模数转换可由多个模数转换器或多通道模数转换器实现。这种“多通道增益”方法还可由软件代替硬件来实现。
相同的改进可用于光学电压传感器70中以能够通过相同设计的光学器件和容纳传感器来测量较低电压和极高瞬态。当被适当地设计时，光学电压传感器70的动态范围由电子设备和电源的噪声基底限制。可使用用于模数转换的多个通道或多通道模数转换器。
聚磁器54成本低，可容易地夹到现有的电缆12上而无需切割电缆12，并且与现有技术解决方案相比提供更好的动态范围。通过适当地选择聚磁器54并采用电子设备，传感器可用于多个应用。例如，假设600安培额定电流传感器40正用于测量极高的故障电流(例如，＞5000安培)，电子设备必须快速且具有高带宽，但增益和精度都很低。由于一些原因，低于1安培的电流可在较低带宽处被测量。正常谐波量应该小于5％并且对于计量和电力质量而言，1∶600安培的5％是可忽略的(0.000083安培)。因此，在该电流下，约200Hz的带宽是可接受的。电子设备的电流状态允许增益和带宽的动态调整。下限为光束源和电子设备的噪声基底，上限为聚磁器54的保护度以及电子设备的供电水平。
图8A示出了根据本发明的实施方式的组件10的布置，其中，底座单元20悬挂在高压配电系统的电缆12上，并且连接至电子系统以控制和估算电缆12中的电流和电压水平。接地元件可由配电系统的柱或任何其它适当的接地结构或元件提供。如图所示，第一光纤66可操作地连接至电子电路，该电子电路包括电子设备104，诸如，图9所示的计算单元，并且电子设备104可包括诸如数字信号处理器或DSP的元件，这些元件的输出可馈送至继电器单元106。其它配置也是可以的，如图8B-8D所示。在图8B的实施方式中，电子设备104通过电压隔离转换器108连接至继电单元106。在图8C的实施方式中，示出了可选的继电器的使用。在图8D的实施方式中，电子设备104可操作地连接至无线设备，诸如，RS232无线电设备110和/或以太网无线电设备112。
图9是图8的电子设备104的一个实施例，其中偏振电磁辐射光束52(如图7所示)被引导(例如，通过光纤)以在光电二极管120中产生电流。光电二极管120可包括多个通道。术语“光电二极管”在此被定义为包括相似的光敏元件，诸如光敏电阻器或光敏晶体管。光可转换为电压并且直接或通过其它增益级连接可编程增益放大器(PGA)122。放大通道可分为许多通道以区分光束的交流或直流分量或者容纳多于一个的传感器。在当前实施方式中，电子设备104包括第一通道123和第二通道125；当然，根据本领域技术人员的知识，还可包括更多的通道。
PGA 122可以是通过计算机总线离散命令获得计算机命令诸如通过改变电阻或电压(如在电压控制放大器中)或电流命令的类型。这种增益编程可称为自动增益控制(AGC)。PGA 122可包括低通滤波器或带通滤波器，或者连接至分离的滤波器124。滤波器124可包括无源和/或有源元件。滤波后的信号被引导至模数转换器(ADC)126，模数转换器126将信号发送至计算装置130，诸如DSP或微处理器或计算机。一些模数转换器126可具有诸如用于过采样和求平均的滤波器，这些滤波器可单独使用或者与其他滤波器一起使用。计算装置可基于信号水平和应用确定所需的增益和带宽，并将相应地控制PGA122、滤波器124和ADC 126。ADC 126可包括用于各个通道123和125的单独的ADC，或者可包括单个多通道ADC。
光学传感器可通过模拟或数字输出相接。在一个实施方式中，模拟输出可以是低能量输出。例如，10,000∶1的比率可用于电压，在该情况中，电缆12上的7200伏特将由0.71伏特表示。可在每次客户请求时提供其它比率。电流也可由电压表示。例如，500安培可由1伏特表示。低能量模拟接口通常将连接至远程终端单元(RTU)、智能电子设备(IED)、可编程逻辑控制器(PLC)、监控及数据采集系统(SCADA)、或继电器106以将信息发送至控制系统。
当原有设备与诸如电表或老式继电器的传感器相接时，可将功率放大器添加(以模拟仪表变压器)至模拟输出。在美国电表的典型电平为120伏特，因此，当电缆具有7200伏特时，60∶1的比率将提供120伏特。高达1,000伏特的其它电压是可用的。电压至电流放大器的可连接至模拟输出，例如在美国600∶5安培比是典型的。
对于更加现代的智能电网应用，可使用数字输出。最常见的是RS-232和/或以太网。计算单元130可被编程以利用客户地区的标准协议。
本领域技术人员将认识到，每个传感器可使用多个输出，用不同的比例，以使不同的仪器能够可操作地连接至系统，或者单个仪器可与多个输入连接。例如，计量、电力质量和故障定位监测可根据同一输出同时操作。
如本申请中所使用的，词语“a(一个)”、“an(一个)”和“one(一个)”被定义为包括一个或多个所涉及的项，除非特别说明。而且，词语“具有”、“包含”以及类似的词语被定义为表示“包括”，除非特别说明。而且，上面提供的说明书中使用的术语在此被定义为包括相似和/或等同的词语，和/或可替换的实施方式，这些词语和实施方式在本专利申请的教导下对本领域技术人员而言是显而易见的。
Claims (20)
1.一种用于测量载流电缆中的电流和电压的光学传感器组件，所述光学传感器组件包括：
底座单元，具有顶端和底端；
光学电流传感器，安装在所述底座单元的顶端，所述光学电流传感器包括偏振光输入端、反射棱镜和光输出端，所述光输出端可操作地连接至光检测器，所述偏振光输入端被配置为传输偏振电磁辐射光束进入反射棱镜、从所述光输出端离开以及到达所述光检测器；
至少一个钩，用于将所述底座单元悬挂在所述载流电缆上；
聚磁器壳体，具有第一端和第二端；
所述聚磁器壳体的第二端的枢轴，用于枢转地连接所述聚磁器壳体和所述底座单元的顶端，以使所述聚磁器壳体在打开位置和关闭位置之间运动；
锁定元件，用于在所述关闭位置将所述聚磁器壳体的第一端可移除地固定至所述底座单元；
聚磁器，具有第一端和第二端，所述聚磁器的第一端和第二端共同限定位于它们之间的空气隙，所述聚磁器安装在所述聚磁器壳体上，使得当所述底座单元通过所述至少一个钩悬挂在所述载流电缆上时并且当所述聚磁器壳体运动至所述关闭位置时，所述聚磁器围绕所述载流电缆，并且还使得当所述聚磁器壳体位于所述关闭位置时，所述底座单元的反射棱镜可操作地置于所述聚磁器的空气隙中；
其中，所述偏振电磁辐射光束在所述反射棱镜中的偏振面通过所述空气隙中的磁场旋转，该旋转与所述空气隙中的磁场的强度成正比并且能够由所述光检测器测量以确定所述载流电缆中的电流；以及
电压传感器，可操作地安装在所述底座单元中并用于测量所述载流电缆的电压。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述聚磁器包括至少一种类型的软磁粉，所述至少一种类型的软磁粉与至少一种类型的非磁性材料混合以在所述聚磁器中产生分布式空气隙。
3.根据权利要求1所述的组件，其中所述聚磁器包括至少一种类型的磁性材料的多个叠层，所述至少一种类型的磁性材料与至少一种类型的非磁性材料混合并且被配置为在所述聚磁器中产生分布式空气隙。
4.根据权利要求1所述的组件，还包括：
第一光纤，用于将所述偏振电磁辐射光束从偏振光源传输至所述反射棱镜的偏振光输入端；以及
第二光纤，用于将所述偏振电磁辐射光束从所述反射棱镜的光输出端传输至所述光检测器。
5.根据权利要求1所述的组件，还包括：
导电管，具有近端和远端，当所述组件安装在所述至少一个钩上时，所述近端电连接至所述载流电缆；
接地表面，被安装在所述导电管邻近，通过空隙与所述导电管分离，所述接地表面维持在地电势；以及
其中所述电压传感器为光学电压传感器，所述光学电压传感器可操作地置于所述导电管与所述接地表面之间的空隙中。
6.根据权利要求5所述的组件，其中第二偏振电磁辐射光束具有沿至少两个正交平面传播的至少两个分量，并且被所述光学电压传感器感测以确定当所述第二光束行进穿过所述导电管与所述接地表面之间的空隙时所述分量上的差分相移。
7.根据权利要求6所述的组件，其中所述光学电压传感器还包括处理器，所述处理器用于测量所述光束分量的相移以使所述相移的大小与所述载流电缆的电压水平相关联。
8.一种用于测量载流电缆中的电流和电压的光学传感器组件，所述光学传感器组件包括：
底座单元；
光学电流传感器，安装在所述底座元件上，所述光学电流传感器包括偏振光输入端、光导装置和光输出端，所述偏振光输入端被配置为传输偏振电磁辐射光束进入光导装置以及从所述光输出端离开；
至少一个钩，用于将所述底座单元悬挂在所述载流电缆上；
聚磁器壳体，具有第一端和第二端；
所述聚磁器壳体的第二端的枢轴，用于枢转地连接所述聚磁器壳体和所述底座单元的顶端，从而所述聚磁器壳体在打开位置和关闭位置之间移动；
聚磁器，具有第一端和第二端，所述聚磁器的第一端和第二端共同限定位于它们之间的空气隙，所述聚磁器安装在所述聚磁器壳体中，使得当所述底座单元通过所述至少一个钩悬挂在所述载流电缆上时并且当所述聚磁器壳体运动至所述关闭位置时，所述聚磁器围绕所述载流电缆，并且还使得当所述聚磁器壳体位于所述关闭位置时，所述底座单元的光导装置可操作地置于所述聚磁器的空气隙中；以及
电压传感器，可操作地置于所述底座单元上并用于测量所述载流电缆的电压。
9.一种测量载流电缆的电流的方法，所述方法包括以下步骤：
提供光学传感器组件，所述光学传感器组件包括：
底座单元，具有从所述底座单元延伸的至少一个钩；
光学电流传感器，安装在所述底座单元上，所述光学电流传感器包括偏振光输入端、光导装置和光输出端，所述偏振光输入端被配置为引导偏振电磁辐射光束到达所述光导装置以及从所述光输出端离开；以及
聚磁器，具有空气隙；
通过所述至少一个钩将所述光学传感器组件悬挂在所述载流电缆上；以及
使所述聚磁器运动至关闭位置，使得所述载流电缆滑过所述空气隙并且置于所述聚磁器中而不与所述聚磁器接触，并使得所述光学传感器可操作地置于所述空气隙中而不需要切割所述电缆或以其它方式中断所述电缆的任何功能。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：
通过使用与所述处理器连接的用于模数转换的多个通道，从来自所述光检测器的旋转信息估算多个因素，所述多个因素包括故障定位和电力质量。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：
提供光学电压传感器；
相对于所述载流电缆可操作地放置所述光学电压传感器；以及
通过使用用于模数转换的多个通道，从来自所述光学电压传感器的相移信息估算较低电压和极高瞬态。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：
提供邻近所述底座单元的至少一个钩的夹持单元；以及
将所述载流电缆夹在所述至少一个钩与所述夹持元件之间，从而将所述底座单元物理地固定至所述载流电缆。
13.一种测量载流电缆的电流的方法，所述方法包括以下步骤：
提供光学传感器组件，所述光学传感器组件包括：
底座单元；
光学电流传感器，安装在所述底座单元上并用于将偏振电磁辐射光束传输至光纤；
提供光检测器、第一通道、第二通道和处理器，所述第一通道通过可编程增益放大器将所述光检测器可操作地连接至模数转换器，所述第二通道将所述光检测器可操作地直接连接至所述模拟转换器，所述处理器可操作地连接至所述模数转换器；
将所述光学传感器组件安装在所述载流电缆邻近；
将所述光纤可操作地连接至光检测器；
通过使用与所述处理器可操作地连接的用于模数转换的所述第一通道和所述第二通道，从来自所述光检测器的旋转信息估算多个因素。
14.根据权利要求13所述的方法，其中估算多个因素的步骤包括估算故障定位和电力质量。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：
提供具有空气隙的聚磁器；
提供反射棱镜；
将所述反射棱镜置于所述聚磁器的空气隙中；以及
使所述偏振电磁辐射光束传输穿过所述反射棱镜以及到达所述光检测器。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：
动态地调整增益和带宽，其中对于所述调整，下限由相应信号的噪声基底确定，上限由至少一个因素确定，所述至少一个因素包括聚磁器的饱和度水平和相应检测器的供电水平。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：
利用所述第一通道和所述第二通道同时估算多个特征，所述多个特征包括故障定位和电力质量。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：
当估算包括故障定位和/或电力质量的特征时，在调整所述增益和所述带宽之前自动地对电子信号进行采样。
19.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：
使用所述第一通道和所述第二通道同时估算多个特征，所述多个特征包括低电压和极高瞬态。
20.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：
当估算包括低电压和/或极高瞬态的特征时，在调整所述增益和所述带宽之前自动地对电子信号进行采样。
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