CN103091528B - 一种光纤式电流互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤式电流互感器，包括光源、探测器和数据采集器，所述探测器由第一双折射晶体、法拉第磁光晶体、第二双折射晶体、第一光纤准直器和第二光纤准直器构成。本发明在法拉第磁光晶体的输入端采用第一双折射晶体对测量光进行起偏，输出端采用第二双折射晶体对测量光进行解偏，避免了使用偏振光源和保偏光纤，从而消除了光纤式电流互感器对光学偏振的依赖。与现有技术相比，本发明光路兼容性好；探测器使用双折射晶体受环境因素的影响极小，同时探测器采用绝缘紧凑封装减少了环境振动和温度漂移对测量结果的影响；而且本发明的光源采用反馈式控制，能够保证测量的灵敏度和精确度。
Description
技术领域：
本发明涉及电流互感器，具体是一种光纤式电流互感器，用于电力系统中继电保护与电能计量。
背景技术：
电流互感器(简称CT)是电力系统中继电保护与电能计量的重要设备，其长期稳定性、可靠性、安全性与电力系统的安全、稳定运行密切相关。
随着电力系统向大容量、高电压的方向发展，对电力设备提出了小型化、自动化、高可靠性的要求。目前电力系统中常用的电流互感器主要是电磁式电流互感器，其利用电磁感应原理将高压侧的电流转换到低压侧，其存在体积大、成本高、绝缘结构复杂、磁饱和现象等问题。
专利申请号2009202260811，名称为《全光纤电流互感器》的专利公开了一种基于法拉第磁光效应的光纤电流互感器，该方法设计的电流互感器所用的光源为偏振光，对传输光纤的保偏性要求严格，工程造价高；同时，所监测的输入、输出光为开环控制，容易受环境振动和温度漂移的影响，无法在大动态范围保持精确度。
发明内容：
为此，本发明的目的在于提供一种可靠性高、体积小、光学偏振无关、成本低的光纤式电流互感器，以解决目前光纤电流互感器存在可靠性低，工程造价高、无法在大动态范围保持精确度的问题。
为实现上述目的，本发明主要采用以下技术方案：
一种光纤式电流互感器，包括光源(1)、探测器(3)、数据采集器(6)和电脑(7)，所述探测器(3)靠近高压母线，所述探测器(3)由第一双折射晶体(301)、法拉第磁光晶体(302)、第二双折射晶体(303)、第一光纤准直器(304)、第二光纤准直器(305)构成，所述双折射晶体的长度L满足公式：L≥d/tanρ，其中ρ为光轴与入射界面夹角45°时的离散角，d为单模光纤通光孔径；所述第一光纤准直器(304)与第一双折射晶体(301)连接，第一双折射晶体(301)通过法拉第磁光晶体(302)与第二双折射晶体(303)连接，第二双折射晶体(303)与第二光纤准直器(305)连接，所述第二光纤准直器(305)通过第二光电管(5)与数据采集器(6)连接；所述光源(1)通过单模光纤(2)连接有一光纤耦合器，通过该光纤耦合器将光源发出的光分成光强相同的一路测量光和一路参考光，所述参考光输入到第一光电管(4)，转化成电信号后输入到数据采集器(6)；所述测量光输入到探测器(3)的第一光纤准直器(304)，被转变成准直光输入到第一双折射晶体(301)，经过第一双折射晶体(301)后输出两路光束到法拉第磁光晶体(302)，在法拉第磁光晶体(302)中通过高压母线被测电流的磁场作用，产生偏转，偏转后的两束光输入到第二双折射晶体(303)，由第二双折射晶体(303)产生折射后输入到第二光纤准直器(305)转变成准直光输出，该准直光输入第二光电管(5)，转化成电信号输入数据采集器(6)；所述数据采集器(6)连接到电脑(7)，电脑(7)与光源(1)连接，数据采集器(6)将参考光转化成的电信号与测量光转化成的电信号进行比较，并将比较结果发送到电脑进行分析，电脑根据分析结果对光源(1)的发光强度进行控制调整。
其中所述光源(1)为光学偏振点光源或非光学偏振点光源。
其中所述探测器(3)还包括一密封绝缘壳体，所述第一双折射晶体(301)、法拉第磁光晶体(302)、第二双折射晶体(303)、第一光纤准直器(304)、第二光纤准直器(305)固定安装在该密封绝缘壳体中。
其中所述双折射晶体可采用钒酸钇(YVO4)晶体或二氧化钛晶体(TiO2)。
其中所述双折射晶体须满足：热膨胀系数和热光系数小，折射率不均匀性小，透过率高，硬度大。
其中所述第一双折射晶体和第二双折射晶体完全一致，可以是首尾相向和尾尾相向两种组合方式。
本发明在法拉第磁光晶体的输入端采用第一双折射晶体对测量光进行起偏，输出端采用第二双折射晶体对测量光进行解偏，避免了使用偏振光源和保偏光纤，从而消除了光纤式电流互感器对光学偏振的依赖。与现有技术相比，本发明光路兼容性好；同时探测器采用绝缘紧凑封装减少了环境振动和温度漂移对测量结果的影响；而且本发明的光源采用反馈式控制，能够保证测量的灵敏度和精确度。
附图说明：
图1为本发明光纤式电流互感器的系统架构示意图。
图2为本发明光纤式电流互感器探测器的截面结构示意图。
图3为本发明光纤式电流互感器探测器的光路示意图。
图中标识说明：光源1、单模光纤2、探测器3、第一双折射晶体301、法拉第磁光晶体302、第二双折射晶体303、第一光纤准直器304、第二光纤准直器305、第一光电管4、第二光电管5、数据采集器6、电脑7。
具体实施方式：
为阐述本发明的思想及目的，下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
请参见图1所示，图1为本发明光纤式电流互感器的系统架构示意图。本发明提供的是一种可靠性高、体积小、光学偏振无关、成本低的光纤式电流互感器，以解决目前光纤电流互感器存在可靠性低，工程造价高、无法在大动态范围保持精确度的问题。
其中该光纤式电流互感器包括光源1、单模光纤2、探测器3、第一光电管4、第二光电管5、数据采集器6和电脑7。
光源1可以采用光学偏振点光源，也可以采用非光学偏振点光源，而本发明中优选采用的是非光学偏振点光源，以避免采用光学偏振点光源，对光纤的保偏性要求严格，可靠性低，工程造价高等问题。
光源1连接有单模光纤2，该单模光纤2末段连接有一个光纤耦合器，通过该光纤耦合器可将光源1发出的光分成光强相同的一路测量光和一路参考光。
测量光输入到探测器3，该探测器3靠近高压母线，经过探测器3处理后输出到第二光电管5，由第二光电管5转化成电信号，输入到数据采集器6；参考光输入到第一光电管4，经过转化后变成电信号，也对应输入到数据采集器6，数据采集器6对来自第一光电管4和第二光电管5的电信号进行差分后输入到电脑7，经电脑7进行分析处理，计算出所测电流。
如图2所示，图2为本发明光纤式电流互感器探测器的截面结构示意图。其中所述探测器3包括一密封绝缘壳体，该密封绝缘壳体中固定安装有第一双折射晶体301、法拉第磁光晶体302、第二双折射晶体303、第一光纤准直器304、第二光纤准直器305。
第一光纤准直器304与第一双折射晶体301连接，第一双折射晶体301通过法拉第磁光晶体302与第二双折射晶体303连接，第二双折射晶体303与第二光纤准直器305连接，所述第二光纤准直器305通过第二光电管5与数据采集器6连接；所述光源1通过单模光纤2输出一路参考光和一路测量光，所述参考光输入到第一光电管4，转化成电信号后输入到数据采集器6；所述测量光输入到探测器3的第一光纤准直器304，被转变成准直光输入到第一双折射晶体301，经过第一双折射晶体301后输出两路光束到法拉第磁光晶体302，在法拉第磁光晶体302中通过高压母线被测电流的磁场作用，产生偏转，偏转后的两束光输入到第二双折射晶体303，由第二双折射晶体303产生折射后输入到第二光纤准直器305转变成准直光输出。
本发明的工作原理是：首先光源1发出光强为I0的初始光被分成光强相同的一路测量光和一路参考光；测量光经过第一光纤准直器304进入到第一双折射晶体301被分成一束o光和一束e光，此时的o光和e光的光强分别为xI0、(1-x)I0(其中x为分光率)；之后o光和e光进入法拉第磁光晶体302，在被测电流产生的磁场作用下，发生偏振态偏转，其偏转角度为θ＝VBL(V为维尔德常数，B为磁场强度，L为磁光晶体长度)，变为oˊ光和eˊ光，oˊ光和eˊ光再进入到第二双折射晶体303中，oˊ光折射为eo′和oo′两束光，eˊ光折射为oe′和ee′两束光，oo′和ee′在第二双折射晶体输出端形成光强叠加，其中eo′偏出光强为axI0，oe′偏出光强为(1-a)(1-x)I0，(其中a为偏出系数)；之后耦合到第二光纤准直器305的光强为(1-a)I0，数据采集器6对来自第一光电管4和第二光电管5的电信号进行差分后输出aI0，经电脑7进行分析处理，计算出所测电流i＝παarccos(2a-1)/μ。VL(其中μ。为磁导率，α为探测器3到高压线的距离，L为法拉第磁光晶体的长度)。光路图示意图如图3所示。
以上是对本发明所提供的一种光纤式电流互感器进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的结构原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种光纤式电流互感器，包括光源(1)、探测器(3)、数据采集器(6)和电脑(7)，所述探测器(3)靠近高压母线，其特征在于所述探测器(3)由第一双折射晶体(301)、法拉第磁光晶体(302)、第二双折射晶体(303)、第一光纤准直器(304)、第二光纤准直器(305)构成，所述双折射晶体的长度L满足公式：L≥d/tanρ，其中ρ为光轴与入射界面夹角45°时的离散角，d为单模光纤通光孔径；所述第一光纤准直器(304)与第一双折射晶体(301)连接，第一双折射晶体(301)通过法拉第磁光晶体(302)与第二双折射晶体(303)连接，第二双折射晶体(303)与第二光纤准直器(305)连接，所述第二光纤准直器(305)通过第二光电管(5)与数据采集器(6)连接；所述光源(1)通过单模光纤(2)连接有一光纤耦合器，通过该光纤耦合器将光源发出的光分成光强相同的一路测量光和一路参考光，所述参考光输入到第一光电管(4)，转化成电信号后输入到数据采集器(6)；所述测量光输入到探测器(3)的第一光纤准直器(304)，被转变成准直光输入到第一双折射晶体(301)，经过第一双折射晶体(301)后输出两路光束到法拉第磁光晶体(302)，在法拉第磁光晶体(302)中通过高压母线被测电流的磁场作用，产生偏转，偏转后的两束光输入到第二双折射晶体(303)，由第二双折射晶体(303)产生折射后输入到第二光纤准直器(305)转变成准直光输出，该准直光输入第二光电管(5)，转化成电信号输入数据采集器(6)；所述数据采集器(6)连接到电脑(7)，电脑(7)与光源(1)连接，数据采集器(6)将参考光转化成的电信号与测量光转化成的电信号进行比较，并将比较结果发送到电脑进行分析，电脑根据分析结果对光源(1)的发光强度进行控制调整。
2.根据权利要求1所述的光纤式电流互感器，其特征在于所述光源(1)为光学偏振点光源或非光学偏振点光源。
3.根据权利要求1所述的光纤式电流互感器，其特征在于所述探测器(3)还包括一密封绝缘壳体，所述第一双折射晶体(301)、法拉第磁光晶体(302)、第二双折射晶体(303)、第一光纤准直器(304)、第二光纤准直器(305)固定安装在该密封绝缘壳体中。
4.根据权利要求1所述的光纤式电流互感器，其特征在于所述双折射晶体可采用钒酸钇(YVO4)晶体或二氧化钛晶体(TiO2)。
5.根据权利要求1所述的光纤式电流互感器，其特征在于所述双折射晶体须满足：热膨胀系数和热光系数小，折射率不均匀性小，透过率高，硬度大。
6.根据权利要求1所述的光纤式电流互感器，其特征在于所述第一双折射晶体和第二双折射晶体完全一致，可以是首尾相向和尾尾相向两种组合方式。
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