CN103063897B - 一种传感光纤线圈以及抗振型全光纤电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种由传感光纤特殊绕制成的传感光纤线圈，以及应用该传感光纤线圈制成的全光纤电流传感器。该传感光纤线圈采用扭光纤按“8”字型绕制在线圈骨架上形成绕制方向相反的Ⅰ部光纤环、Ⅱ部光纤环；所述Ⅰ部光纤环由扭光纤的起旋转段和降速旋转段组成；Ⅱ部光纤环由扭光纤的高速匀速旋转段组成；所述Ⅰ部光纤环与Ⅱ部光纤环的轴线平行、且所围成的面积相等；Ⅰ部光纤环作为传感光纤线圈的补偿环，Ⅱ部光纤环作为传感光纤线圈的传感环，电流导线穿过Ⅱ部光纤环。本发明避免了λ/4波片由于性能的不完备型而对全光纤电流互感器测量产生的影响；同时消除由震动引起的Sagnac效应导致的全光纤电流互感器的测量误差。

Description

一种传感光纤线圈以及抗振型全光纤电流互感器

技术领域

本发明涉及一种传感光纤结构及其制作方法，以及采用该种传感光纤的全光纤电流互感器。

背景技术

随着电力系统中电网电压等级的不断提高、容量不断增大以及智能电网的信息化、数字化、自动化、互动化的要求，传统电流互感器已经逐渐暴露出严重缺陷，而且越来越不能满足电力系统的发展要求，因此光学电流互感器的研究已经迫在眉睫。利用磁光玻璃拉制成的磁光玻璃光纤制作新型的全光纤电流互感器，是以法拉第（Frarday）效应为基础，可在一定程度上克服传统电流互感器的缺点，必将逐步取代传统的电流互感器而成为电网监测的最主要手段之一。全光纤电流互感器的原理是基于光的法拉第效应（Faraday Effect），即在被测电流导体的外部环绕适当圈数的光纤，当有电流流过导体时，其周围产生的磁场将使得光纤内传输光波的偏振方向发生变化。可表述为其中，H是被传感的磁场，L是磁场内传感光纤的长度，V为传感光纤的费尔德（Verdet）系数，θ为光纤内光波电场偏转的角度。

目前国内有多家单位从事光纤电流互感器的研究，尽管个别企业的光纤电流互感器已经进入了生产和挂网运行阶段，但产品性能的重复性和长期稳定性还面临着严峻的考验。超低折射光纤在被弯曲做成传感光纤环后，产生了额外的线双折射，而这种线双折射强烈依赖于温度等环境因素，加上光纤本身易受振动等因素的影响，所传输的光偏振特性极不稳定，因此适合于全光纤电流互感器用的传感光纤是光纤电流互感器的研究的关键。

已有的反射式全光纤电流互感器中的传感光纤，如申请号为200910262107.2的中国实用新型专利中提到，材料为线双折射保偏光纤，依次存在一段不旋转段、一段起转段（螺旋速率上升段）和一段匀速旋转段以及反射镜。但是光纤各部分的旋转度不同，不同位置的费尔德（Verdet）系数不尽相同。在长度为L的起转转段内，各位置点上的费尔德系数均不相同，而是沿着光纤螺旋增加方向缓慢增加，所以公式就变为其中H是被传感的磁场，L是磁场内传感光纤的长度，V为传感光纤的费尔德系数，θ为光纤内光波电场偏转的角度。因为费尔德系数依赖于传感光纤中的位置，当导电线处于传感光纤周围的不同位置时，由此得到的相位变化将会不同。这就使得该传感光纤受电流导线的位置影响，因而不具备良好的抗干扰能力，不适用于实际应用。

申请号为201120417236.7的中国实用新型专利设计了一种传感光纤环，解决了前述专利（申请号为200910262107.2）的传感光纤对空间位置敏感的问题，但是该专利仍存在一些不可忽视的问题:由于电流导线置于所述光纤环内的任意位置，所以传感光纤上各点对电流引起的温度变化不相同，由于传感光纤本身对温度较为敏感，这将引入一定的相位误差。抗干扰性和稳定度很难保证。其次，该专利的光纤电流互感器是一种Sagnac式光纤电流互感器。Sagnac式光纤电流互感器既具有电流传感器的特点又具有Sagnac式传感器的特点，也就是说，这种传感器既能敏感电流又能敏感Sagnac效应。Sagnac效应是指，当光束在一个环形通道中前进时，如果这个环形通道是转动的，沿着通道转动的方向前进所需要的时间比沿着通道转动相反的方向前进所需要的时间多，两束光会产生光程差，光程差大小与环形通道转速成正比。由此可知，Sagnac式传感器是一种角速度传感器，对振动或转动非常敏感。高压线路分布在室外，由于刮风或振动，高压导线会晃动，从而引起电流互感器传感部分振动，Sagnac式光纤电流传感器传感部分敏感到振动，输出随之发生变化。因为这种缺陷，Sagnac式传感器输出变化无法分清是外界环境影响还是高压导线中电流本身的变化，严重影响了电流互感器的测量准确性，无法实用。

发明内容

本发明提供了一种由传感光纤特殊绕制成的传感光纤线圈，以及应用该传感光纤线圈制成的全光纤电流传感器。该传感光纤线圈通过本发明特殊的传感光纤绕制结构，避免了λ/4波片由于性能的不完备型而对全光纤电流互感器测量产生的影响；同时消除由震动引起的Sagnac效应导致的全光纤电流互感器的测量误差，很好地克服了全光纤电流互感器普遍存在的技术难题。

为实现以上发明目的，本发明提供以下技术方案。

一种传感光纤线圈，包括扭光纤和线圈骨架，所述扭光纤是由线保偏光纤扭转而成，按照扭转速率依次包括起旋转段、高速匀速旋转段以及降速旋转段；所述起旋转段和降速旋转段沿光纤整体方向为对称结构（即两者长度相等而且旋转速率对称相等），其中，匀速旋转段的长度占传感光纤总长度的60%至90%；其特征在于：

该扭光纤按“8”字型绕制在线圈骨架上形成绕制方向相反的Ⅰ部光纤环、Ⅱ部光纤环；所述Ⅰ部光纤环由扭光纤的起旋转段和降速旋转段组成；Ⅱ部光纤环由扭光纤的高速匀速旋转段组成；

所述Ⅰ部光纤环与Ⅱ部光纤环的轴线平行、且所围成的面积相等；

Ⅰ部光纤环作为传感光纤线圈的补偿环，Ⅱ部光纤环作为传感光纤线圈的传感环，电流导线穿过Ⅱ部光纤环。

上述传感光纤线圈的一种制作方法，包括以下步骤：

1）用线保偏光纤扭转制作扭光纤；

2）用制好的扭光纤在所述线圈骨架上按“8”字型绕制传感光纤线圈，即扭光纤交替在Ⅰ、Ⅱ区域绕制，形成的绕制方向相反的Ⅰ部光纤环与Ⅱ部光纤环即构成“8”字型绕组；

3）绕制的Ⅰ部光纤环与Ⅱ部光纤环面积相等且轴线相互平行，均匀叠放在线圈骨架上；要求电流导线沿所述的Ⅱ部光纤环的轴线通过；线圈骨架用以固定传感光纤环。

全光纤电流互感器，包括光源、光电探测器、光纤耦合器、具有起偏、分光以及相位调制功能的分光起偏调制装置、线保偏延迟光缆和上述的传感光纤线圈；所述光源和光电探测器通过光纤耦合器与分光起偏调制装置相连；分光起偏调制装置的两个输出端口通过对应的线保偏延迟光缆分别熔接至传感光纤线圈的两个外接端；分光起偏调制装置分出两束同偏振方向的线偏振光，分别经过对应的线保偏延迟光缆进入传感光纤线圈。

本发明的优点：

1.在全光纤电流传感器中，利用电流产生磁场对于绕制在其周围的光纤中传播的圆偏振光的传播速度的改变而实现电流强度的探测，因此任何影响光波偏振态的因素均影响传感器的精度和性能，其中λ/4波片的不完备性、温度敏感性及其与光纤的对轴误差是主要的影响因素。本发明利用特殊结构的扭光纤可实现λ/4波片、椭圆/圆保偏光纤以及半波片的功能，从而简化了光路，提高系统的集成化程度；减少了因器件接入所增加的熔接点带来的光路光信号损耗和光偏振质量的下降，解决了全光纤电流传感器普遍存在的技术难题。

2.本发明的光纤电流传感器对振动或转动不敏感。本发明传感光纤线圈形成两种绕制方向相反的两种光纤环：Ⅰ部补偿环和Ⅱ部传感环。由于两种光纤环的绕制方向相反，因此当发生振动或转动时如光波在Ⅰ部光纤环中因Sagnac效应而使光程变长，而在Ⅱ部光纤环中则因Sagnac效应而光程变短，Sagnac效应恰好完全抵消。Ⅰ部补偿环可以消除Ⅱ部传感环中Sagnac效应引起的相位误差，解决了全光纤电流互感器的主要误差的技术问题。

3.本发明用于感应电流导线的传感环（Ⅱ部）完全由扭光纤的高速匀速旋转段绕制，因而避免了扭光纤各部分费尔德系数不同而引起的电流导体位置的敏感问题。采用这种绕制方式在工艺上更加易于实现。

附图说明

图1是本发明中构成传感光纤的扭光纤结构及光波偏振状态变化示意图。（该图旨在表征各段的偏振状态，实际上高速匀速旋转段52的长度远大于起旋转段51和降速旋转段53的长度。）

图2是本发明中传感光纤线圈的“8”字组绕制示意图。为了更直观地体现光纤环“8”字型的绕制特点，减少了光纤环的绕制圈数，图中传感光纤线圈Ⅰ部补偿环和传感光纤线圈Ⅱ部传感环均由线圈骨架固定，电流导线只穿过Ⅱ部传感环。

图3是使用这种传感光纤制成的全光纤电流互感器的最佳实施例。

其中，1-光源，2-光纤耦合器，3-Y波导多功能集成光学器件，4-光纤延迟器，5-传感光纤，51-起旋转段，52-高速匀速旋转段，53降速旋转段，6-电流导线，7-光电探测器。

具体实施方式

全光纤电流传感器利用传感光纤的法拉第效应实现电流测量，即被测电流导线周围的磁场引起传感光纤中两束不同旋向的圆偏振光以不同速度传输从而产生相位差，通过测量干涉后的信号幅值可以间接测量导线中电流的大小。当两束旋向相反的圆偏振光经过磁光光纤时，由于法拉第效应，两束圆偏振光的传播速度发生改变，引起两束光之间相位差发生变化。通过测量相干的两束光之间的干涉光强的变化就可以间接地测量导线电流的大小。

图1是构成传感光纤的扭光纤结构及光波经过其后的偏振状态变化示意图。扭光纤结构包括以下几个部分：起旋转段51、高速匀速旋转段52和降速旋转段53。其中起旋转段为扭转速率从零缓慢变化到高速旋转速率，降速旋转段为扭转速率从高速旋转速率缓慢变化到零。起旋转段和降速旋转段沿光纤方向为对称结构，两者长度相等而且旋转速率对称相同，高速匀速旋转段的长度远大于其他两个部分总长度。

当线偏振光入射这种结构的扭光纤时，由起旋段51经过高速匀速旋转段52后光纤中光波变为椭圆/圆偏振光，之后，光波经过降速旋转段53后又变为线偏振光。由于高速匀速旋转段52的长度较长，光波在传感光纤中主要以椭圆/圆偏振光的形式传输。因此，扭光纤具有四分之一波片和椭圆保偏光纤功能。

图2是传感光纤线圈的“8字组绕制示意图。在所述线圈骨架上相应Ⅰ、Ⅱ部绕制光纤环，组成“8”字型绕组，其中Ⅰ为补偿环，Ⅱ为传感环，即扭光纤交替在所述Ⅰ、Ⅱ部绕制，Ⅰ、Ⅱ部绕制方向相反即构成“8”字型绕组。由起旋转段开始，在线圈骨架Ⅰ部环绕半圈（或小于半圈）后进入线圈骨架Ⅱ部（传感环），反向绕制一圈后，进入线圈骨架Ⅰ部（补偿环），再反向绕制一圈，以此类推，以“8”字形式在线圈骨架Ⅰ、Ⅱ部来回绕制，最终降速旋转段在线圈骨架Ⅰ部绕制半圈（或小于半圈）后回到起点。其中Ⅰ、Ⅱ部光纤环面积相等，轴线平行，均匀叠放在线圈骨架上。

本发明的传感光纤线圈分为两个部分：Ⅱ部为传感环，用于感应电流；Ⅰ部为补偿环，其作用是补偿和消除Ⅱ部（传感环）中由Sagnac效应引起的相位差。其中，Ⅱ部全部由高速匀速旋转的扭光纤绕制而成，费尔德系数处处相同，在传感环轴向任意位置总的费尔德系数为一个常数，这样，确保测量结果与导体的位置无关。因此这样绕制方法制作的传感光纤线圈既具有对电流导体位置不敏感的特性又具有对外界振动不敏感的特性。

图3是本发明的全光纤电流互感器的最佳实施例。激光光源1发出的光经光纤耦合器2后一端与Y波导多功能集成光学器件3耦合。Y波导多功能集成光学器件3实现起偏、分光和相位调制的功能。经Y波导多功能集成光学器件3的光波，分别耦合进入两个线保偏延迟光缆4，再分别进入传感光纤5的两端。该传感光纤的特殊结构，可以实现光波的偏振状态由线偏振光转变为椭圆/圆偏振光。在传感光纤线圈Ⅱ部中两束同椭圆/圆偏振光相向传播，传输方向与电流导线6形成磁场的关系正好相反，因此，被测电流导线周围的磁场引起的法拉第效应使光纤中两束椭圆/圆偏振光以不同速度传输，法拉第效应引起两束光的相位差为Φ_F＝2NV1。两束光波通过传感光纤线圈Ⅰ、Ⅱ两部分后，由于这两部分的绕制方向相反，因此振动引起Sagnac相位差抵消，在这里传感光纤线圈的Ⅰ部只起到补偿传感光纤线圈Ⅱ部Sagnac相位差的作用。最后，这两束光经过传感光纤的降速旋转段得到两束线偏振光，只携带有法拉第效应引起的相位信息，在Y波导多功能集成光学器件3处时相遇发生干涉，干涉信号经光纤耦合器2返回到光电探测器8中。于是，通过测量这两束光波之间的相位差就可以精确地测量通过被测导线的电流大小。

Y波导多功能集成光学器件3，也可以采用分离的几个器件：起偏器、光纤耦合器和相位调制器一起来实现其功能。

扭光纤的长度一般为2-3米，测量小电流时长度为4-5米，扭光纤扭转的最小螺距为1-10mm。

采用这种特殊结构的传感光纤，在全光纤电流互感器中不再需要四分之一波片，线保偏延迟光缆直接与传感光纤相连。

Claims (3)

1.一种传感光纤线圈，包括扭光纤和线圈骨架，所述扭光纤是由线保偏光纤扭转而成，按照扭转速率依次包括起旋转段、高速匀速旋转段以及降速旋转段；所述起旋转段和降速旋转段沿光纤整体方向为对称结构，其中，匀速旋转段的长度占传感光纤总长度的60%至90%；其特征在于：

该扭光纤按“8”字型绕制在线圈骨架上形成绕制方向相反的Ⅰ部光纤环、Ⅱ部光纤环；所述Ⅰ部光纤环由扭光纤的起旋转段和降速旋转段组成；Ⅱ部光纤环由扭光纤的高速匀速旋转段组成；

所述Ⅰ部光纤环与Ⅱ部光纤环的轴线平行、且所围成的面积相等；

Ⅰ部光纤环作为传感光纤线圈的补偿环，Ⅱ部光纤环作为传感光纤线圈的传感环，电流导线穿过Ⅱ部光纤环。

2.权利要求1所述传感光纤线圈的制作方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1）用线保偏光纤扭转制作扭光纤；

2）用制好的扭光纤在所述线圈骨架上按“8”字型绕制传感光纤线圈，即扭光纤交替在Ⅰ、Ⅱ区域绕制，形成的绕制方向相反的Ⅰ部光纤环与Ⅱ部光纤环即构成“8”字型绕组；

3）绕制的Ⅰ部光纤环与Ⅱ部光纤环面积相等且轴线相互平行，均匀叠放在线圈骨架上；要求电流导线沿所述的Ⅱ部光纤环的轴线通过；线圈骨架用以固定传感光纤环。

3.全光纤电流互感器，其特征在于：包括光源、光电探测器、光纤耦合器、具有起偏、分光以及相位调制功能的分光起偏调制装置、线保偏延迟光缆和权利要求1中所述的传感光纤线圈；所述光源和光电探测器通过光纤耦合器与分光起偏调制装置相连；分光起偏调制装置的两个输出端口通过对应的线保偏延迟光缆分别熔接至传感光纤线圈的两个外接端；分光起偏调制装置分出两束同偏振方向的线偏振光，分别经过对应的线保偏延迟光缆进入传感光纤线圈。