CN102967740B - 一种全光纤电流互感器和测量电流的方法 - Google Patents

Abstract

一种全光纤电流互感器，所述装置包括：光源、总耦合器、信号处理单元、第一光电探测器、第一耦合器、第一偏振器、第一调制器、第一保偏光纤延迟线圈和第一光纤半环，第一光纤半环包括：第一λ/4波片、第一敏感光纤半环和第一反射镜；第二光电探测器、第二耦合器、第二偏振器、第二调制器、第二保偏光纤延迟线圈和第二光纤半环，第二光纤半环包括：第二λ/4波片、第二敏感光纤半环和第二反射镜。还公开了一种测量电流的方法。应用本发明实施例后，能够保证光纤敏感环闭合，从而在特殊情况下实现测量电流。

Description

一种全光纤电流互感器和测量电流的方法

技术领域

本申请涉及光纤技术领域，更具体地，涉及一种全光纤电流互感器和测量电流的方法。

背景技术

电流互感器是一种基础测量设备，在电力、冶金等诸多工业领域广泛应用。我国“十二五”规划建设具有“信息化、自动化、互动化”特征的智能电网，对电流互感器安全性、准确性等方面提出了新的更高要求。

传统电磁式电流互感器存在固有原理性缺陷，如绝缘结构复杂、安全性差、暂态特性差、难以实现直流测量等缺点，不能满足智能电网及其他工业领域技术发展的需求。为解决电磁式电流互感器所面临的问题，20世纪90年代以来，国内外开展了电子式电流互感器的研究。

目前电子式电流互感器有罗氏线圈式、低功率线圈式、分流器式、磁光玻璃式、全光纤式等多种类型。其中全光纤式电流互感器采用光纤环作为敏感部件，并利用数字闭环信号检测技术，具有安全性好、可靠性高、暂态性能好等优点，成为电流互感器技术的主要发展方向。

参见附图1是现有技术中全光纤电流互感器的结构示意图，其中光纤敏感环是全光纤电流互感器的核心敏感元件，其性能好坏将直接影响到互感器的准确度与稳定性。

在附图1中，其中包括光电模块和光纤敏感环。其中，光电模块包括：光源、耦合器、偏振器、调制器、光电探测器、信号处理单元和保偏光纤延迟线圈；光纤敏感环包括：反射镜、λ/4波片和光纤敏感环。

光源和光电探测器的尾纤分别与耦合器连接，耦合器的尾纤与偏振器的入纤熔接，偏振器的尾纤与调制器的入纤45度熔接，调制器的尾纤与保偏光纤延迟线圈的一端连接，保偏光纤延迟线圈的另一段与λ/4波片连接，λ/4波片另一端与光纤敏感环熔接，光纤敏感环的另一端连接反射镜，在实验室或工厂中将反射镜与λ/4波片紧密相连。光电探测器的光强电压信号输出端与信号处理单元连接，信号处理单元输出方波和阶梯波的叠加信号给调制器，信号处理单元输出电流信息。电流信息用于变电站电能计量或继电保护。

全光纤电流互感系统对结合和/或输出信号进行闭环测试。调制器中光的相位差满足SIN4VNI≈4VNI，且4VNI≤0.5°~1°，V表示维尔德常数；N为敏感线圈的匝数；I为穿过敏感线圈的被测电流。

对光纤敏感环的要求主要有两点：（1）1/4波片与反射镜应尽量重合，使光纤敏感环满足安培环路定理，保证互感器有较好的抗杂散磁场干扰能力。（2）敏感光纤应具有较小的光纤残余应力，保证互感器具有稳定的性能。光纤敏感环是将敏感光纤在金属骨架上绕制而成，在绕制过程中敏感光纤会产生残余应力，将对互感器造成较大的测量误差与稳定性影响。为此，在绕制完成后，应通过高低温循环和随机振动等环境试验去除敏感光纤的残余应力。因此，光纤敏感环的生产过程必须在生产车间内通过特殊的生产流程完成。

但在某些现场应用中，要求全光纤电流互感器光纤敏感环能够实施现场的组合安装或绕制，如某些变电站中的气体绝缘开关（GIS）中的电流测量、冶金直流大电流的测量等。在这些应用现场，不允许拆除电流母线，而是希望通过光纤敏感环现场组装或绕制的方式实现嵌套在母线上。然而，现场绕制无法实现绕制后敏感光纤的去应力，因此不具有可行性，而又因为光纤敏感环的敏感光纤必须闭合（即光纤1/4波片与反射镜之间重合），所以难以实现现场的组合安装。

发明内容

本发明实施例提出一种全光纤电流互感器，能够保证光纤敏感环闭合，从而在特殊情况下实现测量电流。

本发明实施例还提出一种测量电流的方法，能够保证光纤敏感环闭合，从而在特殊情况下实现测量电流。

本发明实施例的技术方案如下：

一种全光纤电流互感器，所述装置包括：光源、总耦合器、信号处理单元、第一光电探测器、第一耦合器、第一偏振器、第一调制器、第一保偏光纤延迟线圈和第一光纤半环，第一光纤半环包括：第一λ/4波片、第一敏感光纤半环和第一反射镜；

第二光电探测器、第二耦合器、第二偏振器、第二调制器、第二保偏光纤延迟线圈和第二光纤半环，第二光纤半环包括：第二λ/4波片、第二敏感光纤半环和第二反射镜；

光源发出的光经总耦合器分为两束，分别输入第一耦合器和第二耦合器；

第一耦合器的一端与第一偏振器、第一调制器、第一保偏光纤延迟线圈、第一λ/4波片、第一敏感光纤半环、第一反射镜顺序连接，第一耦合器的另一端第一光电探测器连接，第一光电探测器连接信号处理单元，信号处理单元分别连接第一调制器和第二调制器；

第二耦合器的一端与第二偏振器、第二调制器、第二保偏光纤延迟线圈、第二λ/4波片、第二敏感光纤半环、第二反射镜顺序连接，第二耦合器的另一端第二光电探测器连接，第二光电探测器连接信号处理单元；

第一反射镜置于第二λ/4波片末端，第二反射镜置于第一λ/4波片末端。

所述第一反射镜置于第二λ/4波片末端包括：

第一反射镜距离第一L型连接件的长端为M，第一反射镜的法线方向与第一L型连接件的短端平行；

第二λ/4波片位于第二L型连接件的短端上表面，第二λ/4波片的末端距离第二L型连接件的长端为M；

第一L型连接件与第二L型连接件的短端紧密结合，第一L型连接件与第二L型连接件的长端紧密结合；

第一L型连接件与第二L型连接件的短端长度相同，第一L型连接件与第二L型连接件的长端长度相同。

所述第二反射镜置于第一λ/4波片末端包括：

第二反射镜距离第三L型连接件的长端为M，第二反射镜的法线方向与第三L型连接件的短端平行；

第一λ/4波片位于第四L型连接件的短端上表面，第一λ/4波片的末端距离第四L型连接件的长端为M；

第三L型连接件与第四L型连接件的短端紧密结合，第三L型连接件与第四L型连接件的长端紧密结合；

第三L型连接件与第四L型连接件的短端长度相同，第三L型连接件与第四L型连接件的长端长度相同。

一种测量电流的方法，所述方法包括：

由第一光纤半环对应的第一数字量，对第一光纤半环中电流强度进行标校得到第一标度因数；

由第二光纤半环对应的第二数字量，对第二光纤半环中电流强度进行标校得到第二标度因数；

根据第一标度因数、第二标度因数、第一数字量和第二数字量计算通过第一光纤半环和第二光纤半环中的电流强度。

所述由第一光纤半环对应的第一数字量，对第一光纤半环中电流强度进行标校得到第一标度因数包括：

第一数字量与单匝第一光纤半环中电流强度的比值等于第一标度因数；

所述由第二光纤半环对应的第二数字量，对第二光纤半环中电流强度进行标校得到第二标度因数包括：

第二数字量与单匝第二光纤半环中电流强度的比值等于第二标度因数。

所述由第一光纤半环对应的第一数字量，对第一光纤半环中电流强度进行标校得到第一标度因数包括：

N匝第一光纤半环对应的第一数字量与N匝第一光纤半环中电流强度的比值等于第一标度因数，N≥2；

所述由第二光纤半环对应的第二数字量，对第二光纤半环中电流强度进行标校得到第二标度因数包括：

N匝第二光纤半环对应的第二数字量与N匝第二光纤半环中电流强度的比值等于第二标度因数。

所述根据第一标度因数、第二标度因数、第一数字量和第二数字量计算通过第一光纤半环和第二光纤半环中的电流强度包括：

通过第一光纤半环和第二光纤半环中的电流强度等于第一电流分量和第二电流分量的和；

第一电流分量等于第一数字量与2倍第一标度因数的比值，第二电流分量等于第二数字量与2倍第二标度因数的比值。

从上述技术方案中可以看出，在本发明实施例中由第一反射镜置于第二λ/4波片末端，第二反射镜置于第一λ/4波片末端，这样第一光纤半环和第二光纤半环构成一个完成的光纤圆环。从而保证了光纤环的闭合，在特殊的情况下可以实现对电流的测量。

附图说明

图1为现有技术中利用全光纤电流互感器测量电流的装置结构示意图；

图2为全光纤电流互感器的结构示意图；

图3为反射镜与λ/4波片连接示意图；

图4为信号处理单元的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

在本发明实施例中，由第一反射镜置于第二λ/4波片末端，第二反射镜置于第一λ/4波片末端，这样第一光纤半环和第二光纤半环构成一个完成的光纤圆环；而在实验室内已去除两个光纤半环的应力，这样就满足了光纤敏感环的两个需求，进而保证了光纤环的闭合，在特殊的情况下可以实现对电流的测量。

下面结合附图2详细说明全光纤电流互感器的结构示意图。

光源发出的光经总耦合器分成两束，其中一束光经过第一耦合器后由第一偏振器起偏为线偏振光。

第一偏振器的尾纤与第一调制器的尾纤以45度熔接。由于45度熔接能够使一束光分为两束，因此采用45度熔接。线偏振光注入第一调制器后分解为两束正交模式的线偏振光，在第一调制器处受到相位调制后分别沿第一保偏光纤延迟线圈的X轴和Y轴传输。

两束正交模式的线偏振光在经过第一λ/4波片后，分别变为左旋的圆偏振光和右旋的圆偏振光，并进入第一敏感光纤半环。电流产生的磁场作用于第一敏感光纤半环，使两束圆偏振光的传输速度发生变化，产生相位差；两束圆偏振光传在第一敏感光纤半环的末端第一反射镜处产生反射，偏振模式互换（即左旋的圆偏振光变为右旋模式，右旋的圆偏振光变为左旋模式）并沿原光路返回，再次穿过第一敏感光纤半环时，磁光效应产生的相位差加倍；两束圆偏振光再次通过第一λ/4波片后变为线偏振光，且返回至第一偏振器处发生干涉，携带电流信息的干涉光信号经第一耦合器后被光电探测器探测并转为电信号；信号处理单元在采集到该电信号并经运算处理后产生调制信号发送至第一调制器。

与上述过程相同，光源发出的光经总耦合器分出的另一束光分别经过第二耦合器、第二偏振器、第二调制器、第二保偏光纤延迟线圈、第二λ/4波片、第二敏感光纤半环后经第二反射镜反射，返回至光电探测器处进行光电转换并被信号处理单元采集，经运算处理后产生调制信号发送至第二调制器。

上述第一λ/4波片、第一敏感光纤半环、第一反射镜并未组成闭合回路，而是半圆形状。同时第二λ/4波片、第二敏感光纤半环、第二反射镜也组成半圆形状。通过两个敏感环首尾相连，即第一λ/4波片与第二反射镜重合、第二λ/4波片与第一反射镜重合，组成一个完整的安培环路，通过信号处理单元对两组数据的融合处理，获得穿过安培环路的电流大小。

每组半圆敏感环的光纤绕制、去应力试验、固化等工艺流程可在生产车间分别完成，并在应用现场进行敏感环的组装。为了保证λ/4波片与反射镜能够较好地重合，

附图3给出了一种具体的结构示意图，两个敏感环连接处采用L型结构方式。第一反射镜位于第一L型连接件中光纤的末端，第二λ/4波片位于第二L型连接件中光纤的头端。

其中，第一反射镜位于第一敏感光纤半环的末端，第一反射镜距离第一L型连接件的长端为M，第一反射镜的法线方向与第一L型连接件的短端平行。

第二λ/4波片位于第二L型连接件的短端上表面，第二λ/4波片的末端距离第二L型连接件的长端为M。第一L型连接件与第二L型连接件的短端长度相同，第一L型连接件与第二L型连接件的长端长度相同。第一L型连接件与第二L型连接件相连接包括第一L型连接件与第二L型连接件的短端紧密结合，第一L型连接件与第二L型连接件的长端紧密结合。上述两个L型连接件的重合保证了第一反射镜与第二λ/4波片末端的稳定的紧密结合。

另外，还可以在附图3中虚线的位置采用紧固件固定第一L型连接件和第二L型连接件。通过对敏感环结构的固定，可以方便地实现λ/4波片与反射镜重合。

与第一反射镜与第二λ/4波片的连接方式相同，第二反射镜与第一λ/4波片也采用两个L型连接件连接的方法紧密结合。

第二反射镜距离第三L型连接件的长端为M，第二反射镜的法线方向与第三L型连接件的短端平行；第一λ/4波片位于第四L型连接件的短端上表面，第一λ/4波片的末端距离第四L型连接件的长端为M。

第三L型连接件与第四L型连接件的短端紧密结合，第三L型连接件与第四L型连接件的长端紧密结合；第三L型连接件与第四L型连接件的短端长度相同，第三L型连接件与第四L型连接件的长端长度相同。

针对附图2的结构示意图，还提出一种测量电流的方法，参见附图4是信号处理单元的结构示意图。

信号处理单元必须同时处理第一光电探测器和第二光电探测器两路数据。第一光电探测器的输入信号经前置第一前置放大器放大后，被第一AD转换器进行模数转换，送至数字逻辑电路进行滤波、解调、积分等数字运算处理并生成反馈信号。

反馈信号通过第一DA转换器、第二运算放大器施加至第一调制器。为了保证数据的实时与同步，数字逻辑电路采用大规模可编程数字逻辑电路实现，能够保证较快的并行运算速度与同步性。相应地，对第二光电探测器输入信号的处理与上述过程相同。

数字逻辑电路所产生的反馈信号一方面施加至调制器，同时也是与被测电流值成正比的数字量。两路数字量与输入电流的关系可表述如下：

D₁=K₁·I₁（1）

D₂=K₂·I₂（2）

其中，D1是第一光纤半环对应的第一数字量、D2为第二光纤半环对应的第二数字量，K1、K2为两路互感器的标度因数，I1、I2为电流值。可以利用已知的数字量和已知电流强度确定K1和K2，上述过程称之为标校。其中，第一光纤半环和第二光纤半环均为单匝线圈。

此外，因两路敏感环均未单独闭合，单匝的大电流摆放位置将对K1、K2的标校结果产生较大影响。因此可采用缠绕等安匝线圈的方式对K1、K2进行标校。若敏感环上缠绕了N匝等安匝线圈，N≥2，线圈中输入电流为I₁，则式（1）、（2）可写为：

D′₁＝K₁·NI₁      （3）

D′₂＝K₂·NI₂      （4）

其中，D′₁是N匝第一光纤半环对应的第一数字量、D′₂为N匝第二光纤半环对应的第二数字量。

在现场安装后，两路敏感环组成闭合环路，穿过环路的电流值I将同时被两路互感器所测量，即I₁=I₂=I，则可由式（5）计算I值的大小：

$I=\frac{I_1+I_2}{2}=\frac{D_1}{{2K}_1}+\frac{D_2}{{2K}_2}---\left(5\right).$

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种全光纤电流互感器，其特征在于，所述全光纤电流互感器包括：光源、总耦合器、信号处理单元、第一光电探测器、第一耦合器、第一偏振器、第一调制器、第一保偏光纤延迟线圈和第一光纤半环，第一光纤半环包括：第一λ/4波片、第一敏感光纤半环和第一反射镜；

第二光电探测器、第二耦合器、第二偏振器、第二调制器、第二保偏光纤延迟线圈和第二光纤半环，第二光纤半环包括：第二λ/4波片、第二敏感光纤半环和第二反射镜；

光源发出的光经总耦合器分为两束，分别输入第一耦合器和第二耦合器；

第一耦合器的一端与第一偏振器、第一调制器、第一保偏光纤延迟线圈、第一λ/4波片、第一敏感光纤半环、第一反射镜顺序连接，第一耦合器的另一端与第一光电探测器连接，第一光电探测器连接信号处理单元，信号处理单元分别连接第一调制器和第二调制器；

第二耦合器的一端与第二偏振器、第二调制器、第二保偏光纤延迟线圈、第二λ/4波片、第二敏感光纤半环、第二反射镜顺序连接，第二耦合器的另一端与第二光电探测器连接，第二光电探测器连接信号处理单元；

第一反射镜置于第二λ/4波片末端，第二反射镜置于第一λ/4波片末端。

2.一种利用权利要求1所述全光纤电流互感器测量电流的方法，其特征在于，所述方法包括：

由第一光纤半环对应的第一数字量，对第一光纤半环中电流强度进行标校得到第一标度因数；

由第二光纤半环对应的第二数字量，对第二光纤半环中电流强度进行标校得到第二标度因数；

根据第一标度因数、第二标度因数、第一数字量和第二数字量计算通过第一光纤半环和第二光纤半环中的电流强度；

第一光纤半环和第二光纤半环构成一个完整的光纤圆环。

3.根据权利要求2所述测量电流的方法，其特征在于，所述由第一光纤半环对应的第一数字量，对第一光纤半环中电流强度进行标校得到第一标度因数包括：

第一数字量与单匝第一光纤半环中电流强度的比值等于第一标度因数；

所述由第二光纤半环对应的第二数字量，对第二光纤半环中电流强度进行标校得到第二标度因数包括：

第二数字量与单匝第二光纤半环中电流强度的比值等于第二标度因数。

4.根据权利要求2所述测量电流的方法，其特征在于，所述由第一光纤半环对应的第一数字量，对第一光纤半环中电流强度进行标校得到第一标度因数包括：

N匝第一光纤半环对应的第一数字量与N匝第一光纤半环中电流强度的比值等于第一标度因数，N≥2；

所述由第二光纤半环对应的第二数字量，对第二光纤半环中电流强度进行标校得到第二标度因数包括：

N匝第二光纤半环对应的第二数字量与N匝第二光纤半环中电流强度的比值等于第二标度因数。

5.根据权利要求2所述测量电流的方法，其特征在于，所述根据第一标度因数、第二标度因数、第一数字量和第二数字量计算通过第一光纤半环和第二光纤半环中的电流强度包括：

通过第一光纤半环和第二光纤半环中的电流强度等于第一电流分量和第二电流分量的和；

第一电流分量等于第一数字量与2倍第一标度因数的比值，第二电流分量等于第二数字量与2倍第二标度因数的比值。