CN102928650A

CN102928650A - 气密性封装的光学电流传感器

Info

Publication number: CN102928650A
Application number: CN2012104785952A
Authority: CN
Inventors: 张国庆; 于文斌; 郭志忠; 周颖; 申岩; 王贵忠; 路忠峰
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2013-02-13

Abstract

气密性封装的光学电流传感器，涉及一种光学电流传感器，为了解决现有光学电流传感器无法有效密封而导致的长期工作可靠性差的问题。它包括壳体、光学子装配、封口盖板和橡胶护套，壳体上设有光纤通过孔，内部固定有光学子装配，光学子装配由玻璃基座、偏振玻璃、磁光玻璃柱、准直器、光纤、光纤金属化部分组成，壳体的光纤通过孔与光纤金属化部分之间通过填充焊锡高温熔融后形成密封结构，另外，壳体上还设有台阶式卡槽和熔锡槽，熔锡槽内放置焊锡丝，封口盖板加热至焊锡丝熔化，压入台阶式卡槽，形成壳体与封口盖板之间的密封结构，在光纤通过孔外套置橡胶护套，支撑光纤，起到保护作用。本发明适用于变电站的户外运行环境。

Description

气密性封装的光学电流传感器

技术领域

本发明涉及一种光学电流传感器。

背景技术

电流测量是电力系统运行的基本条件，从发变电到控制保护，无不出现对电流量值的要求，但随着电力系统传输的电力容量越来越大，传统的电磁式电流互感器已难以满足电力系统进一步发展的需要，而新型的光学电流互感器由于具备传统互感器所无法比拟的优点，必将成为传统互感器的理想替代产品，并在未来的电力工业中得到广泛的应用。

近年来，光学电流互感器技术已日臻成熟并得到了使用部门的逐渐认可，但从挂网运行以来的故障情况分析，作为互感器核心测量部件的光学电流传感器的长期工作可靠性问题仍是不容忽视的关键问题。光学电流传感器在变电站恶劣的运行环境下，其性能容易受到环境因素(污染物、水汽、腐蚀气氛等)的影响，因此，传感器封装的密封性能好坏成为决定其可靠性的关键因素。以往的光学电流传感器大多是依靠密封胶填充的方式来实现密封，这种方式的密封效果较差，并且由于密封胶属于有机材料，存在着或长或短的老化期，随着时间的推移和长期温湿度的变化，传感器的密封结构就会失效，使得水汽、腐蚀气氛等渗入传感器内部，大大降低光传输性能，缩短传感器的使用寿命，因此，为了满足传感器对密封的时效性要求，在密封的主体结构中不能存在易老化的有机材料。

发明内容

本发明目的是为了解决现有光学电流传感器无法有效密封而导致的长期工作可靠性差的问题，从而提供一种气密性封装的光学电流传感器。

气密性封装的光学电流传感器，它包括壳体1、光学子装配2和封口盖板3，壳体1为上开口结构；封口盖板3将壳体1的上开口密封；光学子装配2的主体固定在壳体1内部；

所述光学子装配2由玻璃基座2-1、第一偏振玻璃2-2、第二偏振玻璃2-3、磁光玻璃柱2-4、第一准直器2-5、第二准直器2-6、第一光纤2-7和第二光纤2-8组成，第一偏振玻璃2-2和第二偏振玻璃2-3分别胶合在磁光玻璃柱2-4的两端，且所述第一偏振玻璃2-2的透振方向和第二偏振玻璃2-3的透振方向之间成45度夹角；

玻璃基座2-1的底面中部沿所述玻璃基座的长度方向开有V型槽，第一偏振玻璃2-2、第二偏振玻璃2-3和磁光玻璃柱2-4的胶合体固定在所述V型槽中；

第一准直器2-5和第二准直器2-6分别固定在玻璃基座2-1的V型槽内，且分别位于第一偏振玻璃2-2、第二偏振玻璃2-3和磁光玻璃柱2-4组成的胶合体的两端；

第一光纤2-7的末端通过环氧树脂胶固定在第一准直器2-5的末端，第二光纤2-8的末端通过环氧树脂胶固定在第二准直器2-6的末端；

第一光纤2-7的主体上带有第一光纤金属化部分2-9；第二光纤2-8的主体上带有第二光纤金属化部分2-10；

壳体1的两端开有第一光纤通过孔1-1和第二光纤通过孔1-2，所述第一光纤通过孔1-1和第二光纤通过孔1-2同轴；

第一光纤2-7的首端穿过第一光纤通过孔1-1延伸至壳体1外部，且所述第一光纤金属化部分2-9位于第一光纤通过孔1-1处；第二光纤2-8的首端穿过第二光纤通过孔1-2延伸至壳体1外部，且所述第二光纤金属化部分2-8位于第二光纤通过孔1-2处；

第一光纤金属化部分2-9和第一光纤通过孔1-1之间通过焊锡密封固定；第二光纤金属化部分2-8和第二光纤通过孔1-2之间通过焊锡密封固定。

它还包括两个橡胶护套4，所述两个橡胶护套4分别套装在第一光纤通过孔1-1上和第二光纤通过孔1-2上；且第一光纤2-7的首端和第二光纤2-8的首端分别从两个橡胶护套4内穿出延伸至外部。

壳体1的开口处的内侧壁开有台阶式卡槽1-3，台阶式卡槽1-3内部开有熔锡槽1-4，封口盖板3为凸台结构，所述凸台与台阶式卡槽1-3相适应；熔锡槽1-4内为焊锡丝放置区域；所述封口盖板3与壳体1的台阶式卡槽1-3通过焊锡密封固定为一体。

第一光纤金属化部分2-9是通过对第一光纤2-7的主体局部进行金属化封装形成的；第二光纤金属化部分2-10是通过对第二光纤2-8的主体局部进行金属化封装形成的。

第一偏振玻璃2-2、第二偏振玻璃2-3和磁光玻璃柱2-4的通光截面为圆形或正方形。

本发明的有益效果是：在光学电流传感器的两个密封主体结构，即壳体与光纤金属化部分之间和壳体与封口盖板之间的密封结构，均采用了焊接密封的方法，获得了良好的气密性效果，按GJB548-88，粗、细检，氦泄漏率低于10^-3Pa·cm³/s，传感器经过温度循环试验(-40℃～85℃，1℃/min，2000h)和高温高湿试验(85℃&85％RH，1000h)后，工作性能仍然稳定，适用于变电站的户外运行环境。

附图说明

图1为本发明气密性封装的光学电流传感器的结构示意图。

图2为光学子装配的结构示意图。

图3为壳体与光纤金属化部分的密封结构示意图。

图4为壳体与封口盖板的密封结构示意图。

图5为光信号偏振方向的变化示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、下面结合图1说明本实施方式，气密性封装的光学电流传感器，它包括壳体1、光学子装配2和封口盖板3，壳体1为上开口结构；封口盖板3将壳体1的上开口密封；光学子装配2的主体固定在壳体1内部；

所述壳体1和封口盖板3的材料为铜或其他具有良好焊接性能的不导磁材料，组装前使用丙酮溶液对其施焊部位进行清洗，去除油脂和其他污物，然后进行烘干，去除材料吸附的水汽。

所述光学子装配2是实现传感的功能模块，在其整体组装完成后，通过耐高温结构胶固定于壳体1的内部。光学子装配2的玻璃基座2-1上加工有V型槽，V型槽具有高平面度和表面光洁度，其上从左到右依次设置有第一准直器2-5、第一偏振玻璃2-2、磁光玻璃柱2-4、第二偏振玻璃2-3和第二准直器2-6。

所述准直器2-5、2-6在组装时需使用专用工装夹持其套管末端，进行光路的对准，当耦合效率达到最大时，点胶将其固定在玻璃基座2-1的V型槽内。准直器2-5、2-6的准直透镜可以是C-lens或G-lens，套管可以是玻璃或金属材质，本发明采用玻璃套管，在与玻璃基座2-1粘接后，由于两者材料热膨胀系数的相近，可以降低温度所致应力造成的光耦合效率的波动。

所述光纤金属化部分2-9、2-10是对光纤2-7、2-8进行金属化封装得到的，先将光纤2-7、2-8中部长度约10mm左右的光纤涂覆层剥去，采用化学镀的方法对剥去涂覆层部分的光纤进行金属化处理，得到金属化光纤，然后在金属化光纤上套接金属套管，金属化光纤与金属套管之间通过金属焊料焊接在一起，形成了光纤金属化部分2-9、2-10。结构简单、实用性强，无需增加额外的构件。

所述光纤通过孔1-1、1-2用以密封和固定通过其内部的直通光纤2-7、2-8，在光纤2-7、2-8的光纤金属化部分2-9、2-10与光纤通过孔1-1、1-2之间的空隙中填充焊锡高温熔融后实现焊接密封，该密封结构中光纤2-7、2-8与光纤通过孔1-1、1-2之间不存在任何泄漏通道，既保证了光纤引出部分的气密性，又可以保持光纤的完整连续性，不影响光纤的传输性能。

具体实施方式二、本实施方式是实施方式一所述的气密性封装的光学电流传感器的区别在于，它还包括两个橡胶护套4，所述两个橡胶护套4分别套装在第一光纤通过孔1-1上和第二光纤通过孔1-2上；且第一光纤2-7的首端和第二光纤2-8的首端分别从两个橡胶护套4内穿出延伸至外部。

本实施方式中，两个橡胶护套4的作用是对第一光纤和第二光纤起支撑和保护作用，使其不易折断。

具体实施方式三、本实施方式是实施方式一所述的气密性封装的光学电流传感器的区别在于，壳体1的开口处的内侧壁开有台阶式卡槽1-3，台阶式卡槽1-3内部开有熔锡槽1-4，封口盖板3为凸台结构，所述凸台与台阶式卡槽1-3相适应；熔锡槽1-4内为焊锡丝放置区域；所述封口盖板3与壳体1的台阶式卡槽1-3通过焊锡密封固定为一体。

本实施方式在熔锡槽1-4内放置焊锡丝，将封口盖板3置于台阶式卡槽1-3内并压住焊锡丝，对封口盖板3进行加热，直至焊锡丝熔化，将封口盖板3完全压入台阶式卡槽1-3内形成密封结构。

所述台阶式卡槽1-3与封口盖板3的尺寸公差配合紧密，组装前需检验封口盖板3是否平整以及与台阶式卡槽1-3是否能压密实，选择合适的焊锡丝线径，使焊锡丝熔化后填满熔锡槽1-4后仍有余量，将封口盖板3压入壳体1后，溢出的熔锡填充到壳体1与封口盖板3的缝隙中，使密封更加严密，密封过程在操作箱中进行，操作箱中气氛保持干燥，以控制器件内部的水分含量，密封完成后，使用检漏仪对成品进行检漏，判断其密封性是否达标。

本发明的工作原理：

光信号经由第一光纤2-7传入光学电流传感器内部，在第一准直器2-5处准直为平行光，平行光束依次通过第一偏振玻璃2-2、磁光玻璃柱2-4和第二偏振玻璃2-3，最后在第二准直器2-6处聚焦并耦合进第二光纤2-8，输出光学电流传感器。

图5用平面笛卡尔坐标给出了光信号在传感器内传输时其偏振方向的变化情况，其中，y1轴为第一偏振玻璃2-2的透振方向，y2轴为第二偏振玻璃2-3的透振方向，y1轴与y2轴成45度夹角。

上述的平行光束在通过第一偏振玻璃2-2时变为线偏振光，偏振方向为E1，随后入射到磁光玻璃柱2-4中，磁光玻璃柱2-4被置于待测电流产生的磁场中，在法拉第磁致旋光效应的作用下，线偏振光的偏振方向会旋转一个角度θ变为E2，在通过第二偏振玻璃2-3时，只有投射到偏振方向E3的光分量可以通过，E3＝E1cos(π/4-θ)，其中，旋转角度θ＝VBL，V为磁光玻璃柱2-4的费尔德常数，L为其长度，B为待测电流在其上产生的平均磁感应强度，当磁光玻璃柱2-4与待测电力输电母线的相对位置固定时，B正比于被测电流的大小。

若光源出射的光信号为近似自然光，且光强为I₀，在通过第一偏振玻璃2-2后光强变为I₀/2，即|E1|²＝I₀/2，则通过第二偏振玻璃2-3的光信号强度为：

I＝|E3|²＝|E1cos(π/4-θ)|²＝I₀(1+sin2θ)/4

该光信号从传感器输出后被传送至光电探测器，转化为电压信号，经过信号处理，即可得到母线周围的磁感应强度B，进一步计算出待测电流的大小。

具体实施方式四、本实施方式是实施方式一所述的气密性封装的光学电流传感器的区别在于，第一光纤金属化部分2-9是通过对第一光纤2-7的主体局部进行金属化封装形成的；第二光纤金属化部分2-10是通过对第二光纤2-8的主体局部进行金属化封装形成的。

具体实施方式五、本实施方式是实施方式一所述的气密性封装的光学电流传感器的区别在于，第一偏振玻璃2-2、第二偏振玻璃2-3和磁光玻璃柱2-4的通光截面为圆形或正方形。

本实施方式采用正方形截面，两块偏振玻璃的透振方向设置为一个沿边长方向，另一个沿对角线方向，分别将它们胶合在磁光玻璃柱2-4的两端，可保证两者的透振方向成45度夹角。

Claims

1.气密性封装的光学电流传感器，其特征是：它包括壳体(1)、光学子装配(2)和封口盖板(3)，壳体(1)为上开口结构；封口盖板(3)将壳体(1)的上开口密封；光学子装配(2)的主体固定在壳体(1)内部；

所述光学子装配(2)由玻璃基座(2-1)、第一偏振玻璃(2-2)、第二偏振玻璃(2-3)、磁光玻璃柱(2-4)、第一准直器(2-5)、第二准直器(2-6)、第一光纤(2-7)和第二光纤(2-8)组成，第一偏振玻璃(2-2)和第二偏振玻璃(2-3)分别胶合在磁光玻璃柱(2-4)的两端，且所述第一偏振玻璃(2-2)的透振方向和第二偏振玻璃(2-3)的透振方向之间成45度夹角；

玻璃基座(2-1)的底面中部沿所述玻璃基座的长度方向开有V型槽，第一偏振玻璃(2-2)、第二偏振玻璃(2-3)和磁光玻璃柱(2-4)的胶合体固定在所述V型槽中；

第一准直器(2-5)和第二准直器(2-6)分别固定在玻璃基座(2-1)的V型槽内，且分别位于第一偏振玻璃(2-2)、第二偏振玻璃(2-3)和磁光玻璃柱(2-4)组成的胶合体的两端；

第一光纤(2-7)的末端通过环氧树脂胶固定在第一准直器(2-5)的末端，第二光纤(2-8)的末端通过环氧树脂胶固定在第二准直器(2-6)的末端；

第一光纤(2-7)的主体上带有第一光纤金属化部分(2-9)；第二光纤(2-8)的主体上带有第二光纤金属化部分(2-10)；

壳体(1)的两端开有第一光纤通过孔(1-1)和第二光纤通过孔(1-2)，所述第一光纤通过孔(1-1)和第二光纤通过孔(1-2)同轴；

第一光纤(2-7)的首端穿过第一光纤通过孔(1-1)延伸至壳体(1)外部，且所述第一光纤金属化部分(2-9)位于第一光纤通过孔(1-1)处；第二光纤(2-8)的首端穿过第二光纤通过孔(1-2)延伸至壳体(1)外部，且所述第二光纤金属化部分(2-8)位于第二光纤通过孔(1-2)处；

第一光纤金属化部分(2-9)和第一光纤通过孔(1-1)之间通过焊锡密封固定；第二光纤金属化部分(2-8)和第二光纤通过孔(1-2)之间通过焊锡密封固定。

2.根据权利要求1所述的气密性封装的光学电流传感器，其特征在于它还包括两个橡胶护套(4)，所述两个橡胶护套(4)分别套装在第一光纤通过孔(1-1)上和第二光纤通过孔(1-2)上；且第一光纤(2-7)的首端和第二光纤(2-8)的首端分别从两个橡胶护套(4)内穿出延伸至外部。

3.根据权利要求1所述的气密性封装的光学电流传感器，其特征在于壳体(1)的开口处的内侧壁开有台阶式卡槽(1-3)，台阶式卡槽(1-3)内部开有熔锡槽(1-4)，封口盖板(3)为凸台结构，所述凸台与台阶式卡槽(1-3)相适应；熔锡槽(1-4)内为焊锡丝放置区域；所述封口盖板(3)与壳体(1)的台阶式卡槽(1-3)通过焊锡密封固定为一体。

4.根据权利要求1所述的气密性封装的光学电流传感器，其特征在于第一光纤金属化部分(2-9)是通过对第一光纤(2-7)的主体局部进行金属化封装形成的；第二光纤金属化部分(2-10)是通过对第二光纤(2-8)的主体局部进行金属化封装形成的。

5.根据权利要求1所述的气密性封装的光学电流传感器，其特征在于第一偏振玻璃(2-2)、第二偏振玻璃(2-3)和磁光玻璃柱(2-4)的通光截面为圆形或正方形。