CN103063899B - 一种传感光纤环以及反射式全光纤电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种传感光纤环及其绕制方法以及基于该传感光纤环的一种全光纤电流互感器。该传感光纤环提高了全光纤电流互感器系统的集成度，避免了λ/4波片性能对全光纤电流互感器测量的影响；同时消除扭光纤各处的费尔德系数不同引起全光纤电流互感器的测量误差，解决了全光纤电流互感器普遍存在的技术难题。本发明包括扭光纤和线圈骨架，按照扭转速率所述扭光纤分为起旋转段和高速匀速旋转段，在匀速旋转段的末端镀有反射膜；并使镀有反射膜的高速匀速旋转段末端与起旋转段中点位于线圈骨架的同一轴向线上，起旋转段的起始点和终止点位于线圈骨架的同一轴向线上。

Description

一种传感光纤环以及反射式全光纤电流互感器

技术领域

本发明涉及一种传感光纤及其绕制方法。本发明还涉及一种由该传感光纤环，以及应用该传感光纤环的一种反射式全光纤电流互感器。

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（FaradayEffect），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，但是该专利又带来新的问题。该光纤电流互感器是一种Sagnac式光纤电流互感器。Sagnac式光纤电流传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。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

本发明提供一种传感光纤环及其绕制方法以及基于该传感光纤环的一种全光纤电流互感器。该传感光纤环通过本发明特殊的传感光纤及其绕制结构提高了全光纤电流互感器系统的集成度，避免了λ/4波片性能对全光纤电流互感器测量的影响；同时消除扭光纤各处的费尔德系数不同引起全光纤电流互感器的测量误差，解决了全光纤电流互感器普遍存在的技术难题。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案。

一种传感光纤环，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；按照扭转速率所述扭光纤分为起旋转段和高速匀速旋转段，高速匀速旋转段的长度占总长度的70%至90%，在匀速旋转段的末端镀有反射膜；所述扭光纤以起旋转段中点为起点绕制在线圈骨架上，并使镀有反射膜的高速匀速旋转段末端与起旋转段中点位于线圈骨架的同一轴向线上，起旋转段的起始点和终止点位于线圈骨架的同一轴向线上。

上述的传感光纤环的制作方法，包括以下步骤：

1）采用线保偏光纤扭转制作如权利要求1中所述的扭光纤，在高速匀速旋转段的末端镀反射膜；并在起旋转段的起始点和终止点做标记，起旋转段的中点的扭转速率为高速匀速旋转速率的一半；

2）将扭光纤以起旋转段中点为起点绕制在线圈骨架上，并使镀有反射膜的高速匀速旋转段末端与起旋转段中点位于线圈骨架的同一轴向线上。

一种光纤电流互感器，包括激光光源、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、保偏光纤耦合器、线保偏延迟光缆和上述的传感光纤环；激光光源和光电探测器的尾纤分别与光纤耦合器的两根输入光纤熔接，光纤耦合器的一根尾纤与分光起偏调制装置的输入光纤熔接，分光起偏调制装置的两根尾纤分别以0°和90°与保偏光纤耦合器的两根输入光纤熔接，保偏光纤耦合器的一根尾纤通过线保偏延迟光缆与传感光纤环的起旋段连接，传感光纤的末端（高速匀速旋转段）镀有反射膜。

分光起偏调制装置可以采用公知的多功能集成器件，也可以采用多个分立器件，依次具有起偏、分光以及相位调制的功能。

一种光纤电流互感器，包括激光光源、光电探测器、光纤耦合器、起偏器、相位调制装置、线保偏延迟光缆和上述的传感光纤环；激光光源和光电探测器的尾纤分别与光纤耦合器的两根输入光纤熔接，光纤耦合器的一根尾纤与起偏器连接，起偏器的尾纤以45°与相位调制装置的输入光纤熔接，相位调制装置的尾纤通过线保偏延迟光缆与传感光纤环的起旋段连接，传感光纤的末端（高速匀速旋转段）镀有反射膜。

本发明的优点：

1.在全光纤电流互感器中，利用电流产生的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的，因此任何影响光波偏振态的因素均影响互感器的精度性能，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。本发明中的传感光纤实现了λ/4波片、椭圆/圆保偏光纤的功能，简化了光路，使系统的集成化程度更高。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，解决了全光纤电流互感器普遍存在的技术难题。

2.本发明采用了特殊的绕制方法：使镀有反射膜的高速匀速旋转段末端与起旋转段中点位于线圈骨架的同一轴向线上；起旋转段的起始点和终止点位于线圈骨架的同一轴向线上。这样使传感光纤环各处的费尔德系数相同。从而消除了扭转光纤各个部分的费尔德系数不同引起传感环对于母线电流位置的敏感问题。

附图说明

图1是构成传感光纤的扭光纤的结构及光波经过其后的偏振状态变化示意图。

图2是本发明传感光纤环绕制方式的示意图。

图3是用使用这种传感光纤做成的全光纤电流互感器的一种最佳实施例。

图4是用使用这种传感光纤做成的全光纤电流互感器的另一种最佳实施例。

附图标号说明：

1-光源；2-光纤耦合器；3-Y波导多功能集成光学器件；4-保偏光纤耦合器；5-线保偏延迟光缆；6-传感光纤；7-电流导线；8-反射镜；9-光电探测器；10-90°熔接点；11-起偏器12-45°熔接点；13-直波导多功能集成光学器件。

具体实施方式

全光纤电流互感器利用传感光纤的法拉第效应实现测量的，即被测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。

如图1所示，本发明传感光纤环采用的扭光纤结构及光波经过其后的偏振状态变化。扭光纤结构包括以下几个部分：起旋转段61和高速匀速旋转段62。其中起旋转段为扭转速率从零缓慢变化到高速旋转速率。高速匀速旋转段62的长度为总长度70%-90%。竖直线偏振光波从起旋转段61入射，在高速匀速旋转段62得到椭圆/圆偏振光，经过高速匀速旋转段末端的反射镜8后，光波的偏振方向发生π相移，即左旋椭圆/圆偏振光变为右旋椭圆/圆偏振光。右旋椭圆/圆偏振光再次经过该传感光纤后，光波的偏振方向变为水平偏振光。

图2是图1中所示的传感光纤在线圈骨架上绕制方式示意图。在制作传感光纤时，在起旋转段61的起始点和终止点做标记。在绕制传感光纤环时，以扭光纤的起旋转段61中点开始绕制光纤环，并使镀有反射膜的高速匀速旋转段末端与起旋转段中点在传感光纤线圈骨架轴向位置上重合。采用这样绕制方法制作的传感环具有对导体位置不敏感的特性。

对于本领域技术人员来说，扭光纤作为光纤电流互感器的传感光纤带来一个较为麻烦的问题是：由于传感光纤各部分的扭转速率不同导致各部分的费尔德系数不同。因此，电流导体在不同位置时传感光纤的总费尔德系数不同，测量结果受导体位置的影响。这对于光纤电流互感器来说几乎是致命的，因为费尔德系数能成倍影响测量结果。

本发明的传感光纤环，设计使起旋转段的起点、终点位于线圈骨架的同一轴向线上，并且传感光纤起旋段中点与镀有反射镜的高速旋转段末端位于线圈骨架的同一轴向线上。从而确保重叠后任意处总的费尔德系数为一个常数，且与高速匀速旋转段光纤的费尔德系数一样。扭光纤的费尔德系数与旋转速率ξ成正比例关系。高速匀速旋转段光纤的费尔德系数为Kξ。扭光纤起旋转段l处传感光纤的费尔德系数为：

$V_1=\mathrm{K\ξ}\left(l\right)={\mathrm{K\ξ}}_{\max }\·\frac{l}{L}$

其中L起旋段总长度，l是该点与起旋转段的距离。

相应地，该点处另一段光纤距离起旋转段L-l处，其费尔德系数为：

$V_2=\mathrm{K\ξ}\left(l\right)=K{\mathrm{\ξ}}_{\max }\·\frac{L-l}{L}$

因此，传感光纤的起旋段在该处的总费尔德系数为Kξ。

即如图2所示，在传感光纤环直径方向上，传感光纤环各处的费尔德系数相同，均为3Kξ。这样确保了测量结果与电流导体的位置无关，实现被测电流的准确性和稳定性。

图3是用使用这种传感光纤做成的全光纤电流互感器的一个最佳实施例。在这种方案中，用Y波导多功能光学集成器件3实现了起偏、分光以及相位调制的功能。激光光源1发出的光经光纤耦合器2后一端与Y波导3耦合。Y波导3实现起偏、分光和相位调制的功能。经Y波导3后形成两束同线偏振光，分别以0°和90°耦合进入保偏光纤耦合器4，得到两束正交线偏振光。这两束正交线偏振光分别耦合进线保偏延迟光缆5的两种偏振模式，从而耦合进传感光纤6。由于该传感光纤的特殊结构可以实现光波的偏振状态直接由线偏振光转变为椭圆/圆偏振光，从而使进入传感光纤6的两束正交线偏振光分别转换为左旋椭圆/圆偏振光和右旋椭圆/圆偏振光。由于被测电流导线7周围的磁场引起法拉第效应，这两束椭圆/圆偏振光以不同速度传输。经过传感光纤尾端的反射镜8后，两束椭圆/圆偏振光的偏振模式发生了互换（即左旋椭圆/圆偏振光变为右旋椭圆/圆偏振光，右旋椭圆/圆偏振光变为左旋椭圆/圆偏振光），再次通过传感光纤6，并再次和电流导线7产生的磁场相互作用，使产生的法拉第相位加倍。然后在传感光纤6的起旋转段实现椭圆/圆偏振光转变为线偏振光。而后两束正交线偏振光其一束光经过一个90°熔接点10后偏振方向变为与另一束光波相同的线偏振光。经传输光缆两束光波回到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9中。由于发生干涉的两束光，在光路的传输过程中，分别都通过了线保偏延迟光缆的X轴和Y轴以及传感光纤的左旋和右旋模式，只在时间上略有差别，因此返回探测器的光只携带了由法拉第效应产生的非互易相位差，由法拉第效应产生的相位差Φ_F=4VHl=VlI/πr。于是，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电流导线的电流大小。

图4是用使用这种传感光纤做成的全光纤电流互感器的另一最佳实施例。激光光源1发出的光经光纤耦合器2后的起偏器11后一端以45°熔接点12耦合进入直波导13。经直波导13后的两束正交线偏振光分别耦合进线保偏延迟光缆5的两种偏振模式，从而耦合进传感光纤6。由于该传感光纤的特殊结构可以实现光波的偏振状态直接由线偏振光转变为椭圆/圆偏振光，从而使进入传感光纤6的两束正交线偏振光分别转换为左旋椭圆/圆偏振光和右旋椭圆/圆偏振光。由于被测电流导线周围的磁场引起法拉第效应，这两束椭圆/圆偏振光以不同速度传输。经过传感光纤尾端的反射镜8后，两束椭圆/圆偏振光的偏振模式发生了互换（即左旋椭圆/圆偏振光变为右旋椭圆/圆偏振光，右旋椭圆/圆偏振光变为左旋椭圆/圆偏振光），再次通过传感光纤6，并再次和电流导线7产生的磁场相互作用，使产生的法拉第相位加倍。然后在传感光纤6的起旋转段实现椭圆/圆偏振光转变为两束线偏振光，并在直波导13处相遇发生干涉，干涉信号经光纤耦合器2返回到光电探测器9中。由于发生干涉的两束光，在光路的传输过程中，分别都通过了线保偏延迟光缆的X轴和Y轴以及传感光纤的左旋和右旋模式，只在时间上略有差别，因此返回探测器的光只携带了由法拉第效应产生的非互易相位差，由法拉第效应产生的相位差Φ_F=4VHl=VlI/πr。于是，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电流导线的电流大小。

扭光纤的特征在于：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。扭光纤的起旋段直接与线保偏光缆相连，可以实现线偏振光转变为椭圆/圆偏振光。

Claims (4)

1.一种传感光纤环，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；其特征在于：按照扭转速率所述扭光纤分为起旋转段和高速匀速旋转段，高速匀速旋转段的长度占总长度的70%至90%，在匀速旋转段的末端镀有反射膜；所述扭光纤以起旋转段中点为起点绕制在线圈骨架上，并使镀有反射膜的高速匀速旋转段末端与起旋转段中点位于线圈骨架的同一轴向线上，起旋转段的起始点和终止点位于线圈骨架的同一轴向线上。

2.权利要求1所述的传感光纤环的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）采用线保偏光纤扭转制作如权利要求1中所述的扭光纤，在高速匀速旋转段的末端镀反射膜；并在起旋转段的起始点和终止点做标记，起旋转段的中点的扭转速率为高速匀速旋转速率的一半；

2）将扭光纤以起旋转段中点为起点绕制在线圈骨架上，并使镀有反射膜的高速匀速旋转段末端与起旋转段中点位于线圈骨架的同一轴向线上。

3.一种光纤电流互感器，其特征在于：包括激光光源、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、保偏光纤耦合器、线保偏延迟光缆和权利要求1所述的传感光纤环；激光光源和光电探测器的尾纤分别与光纤耦合器的两根输入光纤熔接，光纤耦合器的一根尾纤与分光起偏调制装置的输入光纤熔接，分光起偏调制装置的两根尾纤分别以0°和90°与保偏光纤耦合器的两根输入光纤熔接，保偏光纤耦合器的一根尾纤通过线保偏延迟光缆与传感光纤环的起旋段连接，传感光纤的末端镀有反射膜。

4.一种光纤电流互感器，其特征在于：包括激光光源、光电探测器、光纤耦合器、起偏器、相位调制装置、线保偏延迟光缆和权利要求1所述的传感光纤环；激光光源和光电探测器的尾纤分别与光纤耦合器的两根输入光纤熔接，光纤耦合器的一根尾纤与起偏器连接，起偏器的尾纤以45°与相位调制装置的输入光纤熔接，相位调制装置的尾纤通过线保偏延迟光缆与传感光纤环的起旋段连接，传感光纤的末端镀有反射膜。