CN102818919A - 光学电流互感器及其实现抗外磁场干扰的方法 - Google Patents

Abstract

光学电流互感器及其实现抗外磁场干扰的方法，涉及光学电流互感器及抗外磁场干扰的方法，它为了解决目前光学电流互感器存在的屏蔽效果有限、结构复杂、绝缘复杂和体积与重量大的问题。光学电流互感器，包括m台光学电流传感器为直通光路型，磁光玻璃沿通光方向的长度均为l，固定在绝缘托盘上，组成零和御磁结构S^m；光学电流互感器，包括m台光学电流传感器构成串联的拓扑关系，组成零和御磁结构S^m；光学电流互感器实现抗外磁场干扰的方法为：使被测母线穿过光学电流互感器的中心位置，干扰电流i_gr位于S^m平面环路外的P点，由m台光学电流传感器按照零和御磁结构S^m布置；实现抗外磁场干扰的方法。本发明适用于电力系统电流互感器领域。

Description

光学电流互感器及其实现抗外磁场干扰的方法

技术领域

本发明涉及光学电流互感器及抗外磁场干扰的方法。

背景技术

电流互感器是电力系统不可或缺的电力设备，近年来发展了多种形式的电子式电流互感器，其中，基于法拉第磁光效应原理的光学电流互感器因其卓越的性能和潜在的优势，已经成为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，直通光路型光学电流互感器是一种开环结构，其积分路径不闭合，如此便失去了闭合环路磁场积分所特有的抗外磁场干扰的优点。交流电力系统是三相运行的系统，直通光路型光学电流互感器对相间磁场干扰无能为力从而使其抗干扰能力较差，导致测量准确度下降，甚至出现出厂检验合格的光学电流互感器产品在现场安装使用后测量准确度明显下降甚至无法使用的情况。因此，抗相间磁场干扰能力是光学电流互感器面临的一大技术难题，已经成为阻碍直通光路型光学电流互感器实际应用的重要因素。

解决相间干扰问题具有相当的技术难度，国内外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，目前解决相间干扰问题主要依靠磁屏蔽技术，其思想是依靠增加屏蔽罩等附加设备把外界干扰磁场“阻挡”在外，以此实现对外界干扰磁场的屏蔽，除此之外，目前没有更好的解决办法。磁屏蔽技术一定程度上解决了干扰磁场的问题，但是也存在不尽如人意之处，其缺点主要有：

(1)屏蔽效果有限，且由于屏蔽罩等属于导磁性材料易导致屏蔽罩内部磁场发生畸变；

(2)结构复杂，且使用不灵活；

(3)绝缘复杂，解决旧问题的同时又带来新的问题；

(4)增加了电流互感器的体积与重量。

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的屏蔽效果有限、结构复杂、绝缘复杂和体积与重量大的问题，提供一种光学电流互感器及其实现抗外磁场干扰的方法。

本发明提供了两种光学电流互感器的结构，其中：

一种光学电流互感器，它包括光学传感单元、信号处理单元和多模光纤，所述光学传感单元包括m台光学电流传感器和一个绝缘托盘，m≥2；所述m台光学电流传感器为相同的直通光路型光学电流传感器，所述m台光学电流传感器的磁光玻璃沿通光方向的长度均为l，m台光学电流传感器固定在绝缘托盘上，m台光学电流传感器通过多模光纤独立输出给信号处理单元；所述光学传感单元的m台光学电流传感器组成零和御磁结构S^m；光学传感单元的光信号输入端通过多模光纤与信号处理单元的光信号输出端连通；所述信号处理单元由LED光源、光电探测器、前置放大模块、A/D转换模块、DSP模块和电源转换单元组成，电源转换单元的电源输入端连接在外部供电直流电源的输出端，电源转换单元的电源输出端同时连接在LED光源的电源输入端、光电探测器的电源输入端、前置放大模块的电源输入端、A/D转换模块的电源输入端和DSP模块的电源输入端，所述LED光源的输出端为信号处理单元的光信号输出端，光电探测器的m个输入端为信号处理单元的m个光信号输入端，光电探测器的输出端连接在前置放大模块的输入端，前置放大模块的输出端连接在A/D转换模块的输入端，A/D转换模块的输出端连接在DSP模块的输入端，DSP模块的输出端为信号处理单元的待测电流的输出端。

本发明提供的另一种光学电流互感器，它包括光学传感单元、信号处理单元、保偏光纤和多模光纤，所述光学传感单元包括m台光学电流传感器和一个绝缘托盘，所述的m台光学电流传感器为相同的直通光路型光学电流传感器，所述的m台光学电流传感器的磁光玻璃沿通光方向的长度均为l，m台光学电流传感器固定在绝缘托盘上构成串联的拓扑关系，所述m台光学电流传感器之间采用保偏光纤连接；所述光学传感单元的m台光学电流传感器组成零和御磁结构S^m；光学传感单元的光信号输入端通过多模光纤与信号处理单元的光信号输出端连通，光学传感单元的光信号输出端通过多模光纤与信号处理单元的光信号输入端连通；所述信号处理单元由LED光源、光电探测器、前置放大模块、A/D转换模块、DSP模块和电源转换单元组成，电源转换单元的电源输入端连接在外部供电直流电源的输出端，电源转换单元的电源输出端同时连接在LED光源的电源输入端、光电探测器的电源输入端、前置放大模块的电源输入端、A/D转换模块的电源输入端和DSP模块的电源输入端，所述LED光源的输出端为信号处理单元的光信号输出端，光电探测器的输入端为信号处理单元的光信号输入端，光电探测器的输出端连接在前置放大模块的输入端，前置放大模块的输出端连接在A/D转换模块的输入端，A/D转换模块的输出端连接在DSP模块的输入端，DSP模块的输出端为信号处理单元的待测电流的输出端。

上述两种光学电流互感器实现抗外磁场干扰的方法为：

使被测母线穿过光学电流互感器的中心位置，即：被测母线位于m台光学电流传感器组成的零和御磁结构S^m中心位置，

设被测母线中的电流为i，则该电流i位于零和御磁结构S^m平面坐标原点O处，根据法拉第磁光效应，线偏振光通过第k台光学电流传感器的磁光玻璃时感应待测电流i产生的法拉第旋光角

表示为：

其中，k＝1，2，...，m，

为S^m平面坐标系原点O向有向线段l_k张开的角度；V为磁光玻璃的菲尔德常数；

干扰电流i_gr位于S^m平面环路外的P点，根据法拉第磁光效应，线偏振光通过第k台光学电流传感器的磁光玻璃时感应干扰电流i_gr产生的法拉第旋光角

表示为：

其中，α_k为P点向有向线段l_k张开的角度；

偏振光通过全部m台光学电流传感器后产生的法拉第旋光角为感应待测电流i和干扰电流i_gr产生的法拉第旋光角总和为：

由m台光学电流传感器(1-1)按照零和御磁结构S^m布置可得

干扰电流i_gr所在P点对应的P线方位角θ由公式(1)或公式(2)给定，则使得“零和条件”：

$\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_k=0---\left(7\right)$

由式(5)、(6)和(7)得线偏振光通过光学传感单元后产生的法拉第旋光角：

从而得到只含待测电流i的有效信息的输出公式：

其中，

为常比例系数。

本发明包括如下特征和优点：

实现了“零干扰”测量，测量精度高。本发明所述的光学电流互感器采用零和御磁结构，本发明所述的抗外磁场干扰的测量方法采用零和御磁算法。本发明依靠光学传感器的几何设计来实现“零和条件”，使光学电流互感器获得完全的抗外磁场干扰能力，提高了光学互感器测量精度。

本发明所述的光学电流互感器的结构极大简化，绝缘简单可靠。本发明的零和御磁技术允许干扰磁场零阻碍进入测量区域，但干扰磁场失去干扰作用，从而达到了抗外磁场干扰的目的。零和御磁式光学电流互感器摒弃了传统的“屏蔽”技术，只依靠光学传感器的几何设计来满足“零和条件”实现对外部干扰源的完全抗干扰，没有冗余的屏蔽设备，使得其结构极大简化、绝缘可靠、体积小、质量轻、成本低。

附图说明

图1为实施方式一所述的光学电流互感器的组成结构示意图；图2为实施方式二所述的光学电流互感器的组成结构示意图；图3为实施方式一所述的信号处理单元的原理示意图；图4为实施方式三中P点与零和御磁结构S^m位置关系的示意图；图5为实施方式三中m=2时的零和御磁结构S^m示意图，图6为实施方式三中m=3时的零和御磁结构S^m示意图，图7为实施方式三中m=4时的零和御磁结构S^m示意图，图8为实施方式三中m=5时的零和御磁结构S^m示意图，图9为实施方式三中m=6时的零和御磁结构S^m示意图，图10为实施方式三中m=7时的零和御磁结构S^m示意图，图11为实施方式三中零和御磁结构S⁶模型的P点示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述光学电流互感器，它包括光学传感单元1、信号处理单元4和多模光纤3，所述光学传感单元1包括m台光学电流传感器1-1和一个绝缘托盘1-2，m≥2；所述m台光学电流传感器1-1为相同的直通光路型光学电流传感器1-1，所述m台光学电流传感器1-1的磁光玻璃沿通光方向的长度均为l，m台光学电流传感器1-1固定在绝缘托盘1-2上，m台光学电流传感器1-1通过多模光纤3独立输出给信号处理单元4；所述光学传感单元1的m台光学电流传感器1-1组成零和御磁结构S^m；光学传感单元1的光信号输入端通过多模光纤3与信号处理单元4的光信号输出端连通；所述信号处理单元4由LED光源4-1、光电探测器4-2、前置放大模块4-3、A/D转换模块4-4、DSP模块4-5和电源转换单元4-6组成，电源转换单元4-6的电源输入端连接在外部供电直流电源的输出端，电源转换单元4-6的电源输出端同时连接在LED光源4-1的电源输入端、光电探测器4-2的电源输入端、前置放大模块4-3的电源输入端、A/D转换模块4-4的电源输入端和DSP模块4-5的电源输入端，所述LED光源4-1的输出端为信号处理单元4的光信号输出端，光电探测器4-2的m个输入端为信号处理单元4的m个光信号输入端，光电探测器4-2的输出端连接在前置放大模块4-3的输入端，前置放大模块4-3的输出端连接在A/D转换模块4-4的输入端，A/D转换模块4-4的输出端连接在DSP模块4-5的输入端，DSP模块4-5的输出端为信号处理单元4的待测电流的输出端。

光电探测器4-2将接收到的光信号转化为电信号，实时检测光电探测器4-2的输出，通过前置放大模块4-3处理后进入A/D转换模块4-4转换为数字量信号输送给DSP模块4-5，DSP模块4-5基于零和御磁算法解调出待测电流i；

m台光学电流传感器1-1的m路信号独立输出给信号处理单元4，因此信号处理单元4的光电探测器4-2要求具有至少m路输入端。

具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述光学电流互感器，它包括光学传感单元1、信号处理单元4、保偏光纤2和多模光纤3，所述光学传感单元1包括m台光学电流传感器1-1和一个绝缘托盘1-2，所述的m台光学电流传感器1-1为相同的直通光路型光学电流传感器1-1，所述的m台光学电流传感器1-1的磁光玻璃沿通光方向的长度均为l，m台光学电流传感器1-1固定在绝缘托盘1-2上构成串联的拓扑关系，所述m台光学电流传感器1-1之间采用保偏光纤2连接；所述光学传感单元1的m台光学电流传感器1-1组成零和御磁结构S^m；光学传感单元1的光信号输入端通过多模光纤3与信号处理单元4的光信号输出端连通，光学传感单元1的光信号输出端通过多模光纤3与信号处理单元4的光信号输入端连通；所述信号处理单元4由LED光源4-1、光电探测器4-2、前置放大模块4-3、A/D转换模块4-4、DSP模块4-5和电源转换单元4-6组成，电源转换单元4-6的电源输入端连接在外部供电直流电源的输出端，电源转换单元4-6的电源输出端同时连接在LED光源4-1的电源输入端、光电探测器4-2的电源输入端、前置放大模块4-3的电源输入端、A/D转换模块4-4的电源输入端和DSP模块4-5的电源输入端，所述LED光源4-1的输出端为信号处理单元4的光信号输出端，光电探测器4-2的输入端为信号处理单元4的光信号输入端，光电探测器4-2的输出端连接在前置放大模块4-3的输入端，前置放大模块4-3的输出端连接在A/D转换模块4-4的输入端，A/D转换模块4-4的输出端连接在DSP模块4-5的输入端，DSP模块4-5的输出端为信号处理单元4的待测电流的输出端。

m台光学电流传感器1-1拓扑结构为串联只有一路信号输出给信号处理单元4；只要求处理单元4的光电探测器4-2具有一路输入端就满足要求。

具体实施方式三：本实施方式是对实施方式一或实施方式二所述光学电流互感器的进一步限定，所述零和御磁结构S^m为m条有向直线段l_k组成的m阶对称多边离散环路，k＝1，2，...，m；所述有向直线段l_k为短边，且每条短边的长度均为l，相邻两个短边之间所夹的边为长边（或有向直线段l_k为长边，本实施例采用短边为例进行说明）；所述离散环路满足以下两个条件：

一、m条长边和m条短边构成了对称2m边形，且该所述对称2m边形是一个圆内接的对称2m边形；

二、m条有向线段l_k的方向取逆或顺时针方向为正方向；

取所述零和御磁结构S^m的中心点为原点O，以原点O与零和御磁结构S^m其中一条有向线段l_j中点的连线为横轴，建立零和御磁结构S^m平面坐标系，j∈(1，2，...，m)；

定义零和御磁结构S^m环路外的干扰电流所在位置为P点，零和御磁结构S^m平面坐标系原点O指向环外P点的位移为P线，P线与横轴的夹角为P线方位角θ，零和御磁结构S^m平面坐标系原点O向有向线段l_k张开的角度为有向线段l_k的线段角

零和御磁结构S^m外接圆半径为R，S^m平面坐标系原点O到P点的距离为D；

所述零和御磁结构S^m实现零和御磁具体为：零和御磁结构S^m与干扰源P的位置关系满足以下等式关系：

式中：

是零和御磁结构S^m平面坐标系原点O向有向线段l_k张开的角度；

由式(1)得出P线方位角θ：

式中：

为相邻P线的夹角。

如图4至图11所示，当m=6,M=0.3,

时，符合公式(1)或公式(2)的12条P线的方位角θ为：

14.82°,74.82°,134.82°,194.82°,254.82°,314.82°

-14.82°,45.18°,105.18°,165.18°,225.18°,285.18°。

具体实施方式四：具体实施方式一或二所述光学电流互感器实现抗外磁场干扰的方法，所述方法为：

使被测母线穿过光学电流互感器的中心位置，即：被测母线位于m台光学电流传感器1-1组成的零和御磁结构S^m中心位置，

设被测母线中的电流为i，则该电流i位于零和御磁结构S^m平面坐标原点O处，根据法拉第磁光效应，线偏振光通过第k台光学电流传感器1-1的磁光玻璃时感应待测电流i产生的法拉第旋光角

表示为：

其中，k＝1，2，...，m，

为S^m平面坐标系原点O向有向线段l_k张开的角度；V为磁光玻璃的菲尔德常数；

干扰电流i_gr位于S^m平面环路外的P点，根据法拉第磁光效应，线偏振光通过第k台光学电流传感器1-1的磁光玻璃时感应干扰电流i_gr产生的法拉第旋光角

表示为：

其中，α_k为P点向有向线段l_k张开的角度；

偏振光通过全部m台光学电流传感器(1-1)后产生的法拉第旋光角为感应待测电流i和干扰电流i_gr产生的法拉第旋光角总和为：

由m台光学电流传感器(1-1)按照零和御磁结构S^m布置可得

干扰电流i_gr所在P点对应的P线方位角θ由公式(1)或公式(2)给定，则使得“零和条件”：

$\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_k=0---\left(7\right)$

由式(5)、(6)和(7)得线偏振光通过光学传感单元(1)后产生的法拉第旋光角：

从而得到只含待测电流i的有效信息的输出公式：

其中，

为常比例系数。

式(9)即为本发明所述的零和御磁式光学电流互感器的输出表达式。

上述方法是对信号的处理方法，所述方法可以采用嵌入DSP模块4-5中的软件实现。

本发明提供的零和御磁式光学电流互感器实现了真正的“零干扰”测量，测量精度高，零和御磁式光学电流互感器摒弃了传统的“屏蔽”技术，只依靠光学传感器的几何设计来满足“零和条件”实现对外部干扰源的完全抗干扰，没有冗余的屏蔽设备，使得其结构简单、绝缘可靠、体积小、质量轻、成本低。

Claims (4)

1.光学电流互感器，其特征是，它包括光学传感单元(1)、信号处理单元(4)和多模光纤(3)，所述光学传感单元(1)包括m台光学电流传感器(1-1)和一个绝缘托盘(1-2)，m≥2；所述m台光学电流传感器(1-1)为相同的直通光路型光学电流传感器(1-1)，所述m台光学电流传感器(1-1)的磁光玻璃沿通光方向的长度均为l，m台光学电流传感器(1-1)固定在绝缘托盘(1-2)上，m台光学电流传感器(1-1)通过多模光纤(3)独立输出给信号处理单元(4)；所述光学传感单元(1)的m台光学电流传感器(1-1)组成零和御磁结构S^m；光学传感单元(1)的光信号输入端通过多模光纤(3)与信号处理单元(4)的光信号输出端连通；所述信号处理单元(4)由LED光源(4-1)、光电探测器(4-2)、前置放大模块(4-3)、A/D转换模块(4-4)、DSP模块(4-5)和电源转换单元(4-6)组成，电源转换单元(4-6)的电源输入端连接在外部供电直流电源的输出端，电源转换单元(4-6)的电源输出端同时连接在LED光源(4-1)的电源输入端、光电探测器(4-2)的电源输入端、前置放大模块(4-3)的电源输入端、A/D转换模块(4-4)的电源输入端和DSP模块(4-5)的电源输入端，所述LED光源(4-1)的输出端为信号处理单元(4)的光信号输出端，光电探测器(4-2)的m个输入端为信号处理单元(4)的m个光信号输入端，光电探测器(4-2)的输出端连接在前置放大模块(4-3)的输入端，前置放大模块(4-3)的输出端连接在A/D转换模块(4-4)的输入端，A/D转换模块(4-4)的输出端连接在DSP模块(4-5)的输入端，DSP模块(4-5)的输出端为信号处理单元(4)的待测电流的输出端。

2.光学电流互感器，其特征是，它包括光学传感单元(1)、信号处理单元(4)、保偏光纤(2)和多模光纤(3)，所述光学传感单元(1)包括m台光学电流传感器(1-1)和一个绝缘托盘(1-2)，所述的m台光学电流传感器(1-1)为相同的直通光路型光学电流传感器(1-1)，所述的m台光学电流传感器(1-1)的磁光玻璃沿通光方向的长度均为l，m台光学电流传感器(1-1)固定在绝缘托盘(1-2)上构成串联的拓扑关系，所述m台光学电流传感器(1-1)之间采用保偏光纤(2)连接；所述光学传感单元(1)的m台光学电流传感器(1-1)组成零和御磁结构S^m；光学传感单元(1)的光信号输入端通过多模光纤(3)与信号处理单元(4)的光信号输出端连通，光学传感单元(1)的光信号输出端通过多模光纤(3)与信号处理单元(4)的光信号输入端连通；所述信号处理单元(4)由LED光源(4-1)、光电探测器(4-2)、前置放大模块(4-3)、A/D转换模块(4-4)、DSP模块(4-5)和电源转换单元(4-6)组成，电源转换单元(4-6)的电源输入端连接在外部供电直流电源的输出端，电源转换单元(4-6)的电源输出端同时连接在LED光源(4-1)的电源输入端、光电探测器(4-2)的电源输入端、前置放大模块(4-3)的电源输入端、A/D转换模块(4-4)的电源输入端和DSP模块(4-5)的电源输入端，所述LED光源(4-1)的输出端为信号处理单元(4)的光信号输出端，光电探测器(4-2)的输入端为信号处理单元(4)的光信号输入端，光电探测器(4-2)的输出端连接在前置放大模块(4-3)的输入端，前置放大模块(4-3)的输出端连接在A/D转换模块(4-4)的输入端，A/D转换模块(4-4)的输出端连接在DSP模块(4-5)的输入端，DSP模块(4-5)的输出端为信号处理单元(4)的待测电流的输出端。

3.根据权利要求1或2所述光学电流互感器，其特征在于，所述零和御磁结构S^m为m条有向直线段l_k组成的m阶对称多边离散环路，k＝1，2，...，m；所述有向直线段l_k为短边，且每条短边的长度均为l，相邻两个短边之间所夹的边为长边；所述离散环路满足以下两个条件：

一、m条长边和m条短边构成了对称2m边形，且该所述对称2m边形是一个圆内接的对称2m边形；

二、m条有向线段l_k的方向取逆或顺时针方向为正方向；

取所述零和御磁结构S^m的中心点为原点O，以原点O与零和御磁结构S^m其中一条有向线段l_j中点的连线为横轴，建立零和御磁结构S^m平面坐标系，j∈(1，2，...，m)；

定义零和御磁结构S^m环路外的干扰电流所在位置为P点，零和御磁结构S^m平面坐标系原点O指向环外P点的位移为P线，P线与横轴的夹角为P线方位角θ，零和御磁结构S^m平面坐标系原点O向有向线段l_k张开的角度为有向线段l_k的线段角零和御磁结构S^m外接圆半径为R，S^m平面坐标系原点O到P点的距离为D；

所述零和御磁结构S^m实现零和御磁具体为：零和御磁结构S^m与干扰源P的位置关系满足以下等式关系：

式中：

是零和御磁结构S^m平面坐标系原点O向有向线段l_k张开的角度；

由式(1)得出P线方位角θ：

式中：

为相邻P线的夹角。

4.权利要求1或2所述光学电流互感器实现抗外磁场干扰的方法，其特征在于，所述方法为：

使被测母线穿过光学电流互感器的中心位置，即：被测母线位于m台光学电流传感器(1-1)组成的零和御磁结构S^m中心位置，

设被测母线中的电流为i，则该电流i位于零和御磁结构S^m平面坐标原点O处，根据法拉第磁光效应，线偏振光通过第k台光学电流传感器(1-1)的磁光玻璃时感应待测电流i产生的法拉第旋光角

表示为：

其中，k＝1，2，...，m，

为S^m平面坐标系原点O向有向线段l_k张开的角度；V为磁光玻璃的菲尔德常数；

干扰电流i_gr位于S^m平面环路外的P点，根据法拉第磁光效应，线偏振光通过第k台光学电流传感器(1-1)的磁光玻璃时感应干扰电流i_gr产生的法拉第旋光角

表示为：

其中，α_k为P点向有向线段l_k张开的角度；

偏振光通过全部m台光学电流传感器(1-1)后产生的法拉第旋光角为感应待测电流i和干扰电流i_gr产生的法拉第旋光角总和为：

由m台光学电流传感器(1-1)按照零和御磁结构S^m布置可得

干扰电流i_gr所在P点对应的P线方位角θ由公式(1)或公式(2)给定，则使得“零和条件”：

$\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_k=0---\left(7\right)$

由式(5)、(6)和(7)得线偏振光通过光学传感单元(1)后产生的法拉第旋光角：

从而得到只含待测电流i的有效信息：

实现抗外磁场干扰，其中，

为常比例系数。

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