CN103149404B - 外卡式光学电流互感器及其抗外磁场干扰方法和温漂抑制方法 - Google Patents

Abstract

外卡式光学电流互感器及其抗外磁场干扰方法和温漂抑制方法，涉及一种光学电流互感器。为了解决目前光学电流互感器存在灵活性差、抗干扰能力差、温漂严重的问题。包括光学电流传感头、光纤、导线和信号处理单元；所述的光学电流传感头结构上采用了外卡式的结构，所述光学电流传感头的采用了零和御磁技术和自愈技术；所述的信号处理单元采用了零和御磁算法和自愈算法的进行数据处理。它采用自愈技术和自愈算法，有效解决了温度变化导致的测量极度温漂问题，极大地提高了外卡式光学电流互感器的温度稳定性。它应用于电力系统中对电流的测量。

Description

外卡式光学电流互感器及其抗外磁场干扰方法和温漂抑制方法

技术领域

本发明涉及一种光学电流互感器，特别涉及一种外卡式光学电流互感器及其抗外磁场干扰方法和温漂抑制方法。

背景技术

电流互感器是电力系统中不可或缺的电力设备，随着我国电力事业的迅猛发展，数字化变电站越来越多地采用气体绝缘封闭组合电器(GIS)作为配电装置，并呈现出逐渐取代传统的空气绝缘的配电装置(AIS)的趋势。目前在GIS中使用的电流互感器主要还是以常规电磁式电流互感器为主，但由于电磁式电流互感器存在磁饱和、铁磁谐振、动态测量范围小、频带窄、绝缘越困难、易燃易爆等一系列缺点，电磁式电流互感器虽然被广泛使用但已难以满足GIS的发展需求，成为制约GIS工程应用的瓶颈，GIS的发展需要与之配套使用的电流互感器。

光学电流互感器为GIS带来了曙光，它不仅可以解决电磁式电流互感器存在的上述缺点，还具有一系列优点：绝缘性能佳、与电流大小和波形无关的线性化动态响应能力，可以测量各种交流谐波、可以测量直流量等。但长期以来，如何将光学电流互感器与GIS相结合使它们能发挥各自优势一直是个难题。综合世界范围的研究工作情况，主要的设计方案为：将光学电流互感器安装于GIS内部。在该方案下，光学电流互感器距离母线很近，测量灵敏度高。该方案的主要问题是安装、检修和更换的灵活性差、操作复杂、停电范围大，而且母线电流的热效应会导致严重的测量精度温漂问题、光学电流互感器与外部的连接会带来绝缘困难的问题、传输光纤穿过GIS套筒导致SF₆气体气密性问题。此外，交流电力系统是三相运行的系统，电磁环境复杂相间干扰大，导致光学电流互感器的测量准确度下降，甚至出现出厂检验合格的光学电流互感器产品在现场运行时准确度下降甚至无法使用的情况。这些问题严重阻碍了光学电流互感器在GIS中的实用化。

综上所述，目前光学电流互感器还存在灵活性差、抗干扰能力差、温漂严重的问题，使光学电流互感器很难应用于GIS中。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前光学电流互感器存在灵活性差、抗干扰能力差、温漂严重的问题，使光学电流互感器很难应用于GIS中的问题，提出一种外卡式光学电流互感器及其抗外磁场干扰方法和温漂抑制方法。

本发明的一种外卡式光学电流互感器，它包括光学电流传感头、光纤、导线和信号处理单元；

所述光学电流传感头包括第一半圆环传感头和第二半圆环传感头；

所述第一半圆环传感头和第二半圆环传感头对接固定成空心圆环状的光学电流传感头；

所述光学电流传感头分别通过光纤和导线与信号处理单元连接。

它还包括第一螺钉和第二螺钉，通过第一螺钉和第二螺钉将所述第一半圆环传感头和第二半圆环传感头对接固定成空心圆环状的光学电流传感头。

所述第一半圆环传感头和第二半圆环传感头结构相同，所述第一半圆环传感头包括第一航空插座、第一壳体、第一盖板、第一传感单元、第二传感单元和第一自愈单元；

第一盖板、第一传感单元、第二传感单元和第一自愈单元通过第一环氧树脂胶密封在第一壳体内，所述第一盖板将第一壳体沿圆环的轴向分隔成密封的上下两层，所述第一传感单元和第二传感单元设置在第一壳体的下层，所述第一自愈单元设置在第一壳体的上层，

所述第一航空插座紧密固定在第一壳体的侧壁上，第一航空插座用于连接第一半圆环传感头与信号处理单元之间的光纤或者导线；

第一自愈单元输出的电信号为光学电流传感头的电信号，第一自愈单元的电信号输出端与信号处理单元的电信号输入端连接；

信号处理单元的光信号输出端同时与第一传感单元的光信号输入端和第二传感单元的光信号输入端连接，

第一传感单元输出的光信号和第二传感单元输出的光信号均为光学电流传感头的光信号，第一传感单元的光信号输出端和第二传感单元的光信号输出端同时与信号处理单元的光信号输入端连接。

所述第一传感单元和第二传感单元的结构相同，所述第一传感单元包括传感单元盒、传感单元盒盖、光学电流传感器和光耦合器；

传感单元盒盖设置在传感单元盒的顶部，且与传感单元盒形成密闭的空间，光学电流传感器设置在所述密闭空间内，

光耦合器设在传感单元盒的侧壁上；光学电流传感器固定在传感单元盒内；

光学电流传感器的光信号输出端为第一传感单元的光信号输出端；

光学电流传感器的光信号输入端为第一传感单元的光信号输入端。

所述光学电流传感器包括第一准直器、起偏器、磁光材料块、检偏器、第二准直器和第三准直器，第一准直器的光信号输出端与起偏器的光信号输入端连接，起偏器输出的光信号经磁光材料块透射后输出给检偏器，检偏器的第一光信号输出端与第二准直器的光信号输入端连接，检偏器的第二光信号输出端与第三准直器的光信号输入端连接，

第一准直器的光信号输入端为光学电流传感器的光信号输入端，

第二准直器光信号输出端和第三准直器的光信号输出端同时为光学电流传感器的光信号输出端。

光学电流传感头的四个光学电流传感器的磁光材料块的位置为：

以光学电流传感头的圆心为圆心，四个光学电流传感器的磁光材料块沿通光方向的四个光轴内接于半径为R的圆内，且四个传感单元的磁光材料块均匀分布；光学电流传感头的四个光学电流传感器满足零和御磁结构。

所述第一自愈单元包括第一铁芯和第一轻载线圈；

所述第一铁芯为半圆环形结构，第一轻载线圈均匀缠绕在第一铁芯上，第一轻载线圈的电信号输出端为第一自愈单元的电信号输出端。

所述信号处理单元包括LED光源、取样电阻电路、过压保护电路、工频滤波器、前置放大模块、A/D转换模块、DSP电路、电源电路和光电探测器；

LED光源输出的光信号通过光纤发送给光学电流传感头，

取样电阻电路通过导线接收光学电流传感头的电信号，

光电探测器通过光纤接收光学电流传感头的光信号，

取样电阻电路的电阻信号输出端与过压保护电路的电阻信号输入端连接，过压保护电路的保护信号输出端与工频滤波器的保护信号输入端连接，

光电探测器的第一电信号输出端与工频滤波器的电信号输入端连接，

工频滤波器的滤波信号输出端与前置放大模块的滤波信号输入端连接，

光电探测器的第二电信号输出端与前置放大模块的电信号输入端连接，前置放大模块的放大信号输出端与A/D转换模块的放大信号输入端连接，

A/D转换模块的数字信号输出端与DSP电路的数字信号输入端连接；DSP电路输出待测母线的电流；

电源电路为LED光源、前置放大模块、A/D转换模块、DSP电路和光电探测器提供工作电源。

所述的外卡式光学电流互感器的抗外磁场干扰方法，

使所述外卡式光学电流互感器的待测母线电流i从原点O通过，

根据法拉第磁光效应，线偏振光通过第k(k＝1，2，3，4)个光学电流传感器的磁光材料块时感应待测母线电流i产生的法拉第旋光角φ_Fk为：

其中，V为磁光玻璃的菲尔德常数；为待测母线电流向第k(k＝1，2，3，4)个光学电流传感器的磁光材料块张开的角度；

根据法拉第磁光效应，线偏振光通过第k(k＝1，2，3，4)个光学电流传感器的磁光材料块时感应干扰电流i_gr产生的法拉第旋光角Δφ_Fk表示为：

其中，为干扰电流向第k(k＝1，2，3，4)个光学电流传感器的磁光材料块张开的角度；

偏振光通过光学电流传感头的四个光学电流传感器后产生的法拉第旋光角为待测母线电流i和干扰电流i_gr产生的法拉第旋光角总和为：

由四个光学电流传感器完全相同可知，从而

对于满足零和御磁结构的光学电流传感头，其四个光学电流传感器感应干扰电流i_gr产生的法拉第旋光角之和为零，即

由式(4)、(5)和(6)可得

从而得到只含待测母线电流i的有效信息：

其中， $\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\π}}{4V\·\arcsin \left(\frac{l}{2R}\right)}$ 为常比例系数。

所述外卡式光字电流互感器的温漂抑制方法，待测母线电流从光字电流传感头的中心通过，光学电流传感头根据法拉第磁旋光效应，随着环境温度的变化而变化，光学电流传感器的输出为：

i_c＝k(δ)·k_c·i        (9)

其中，k_c为所述光学电流传感器的变比，k(δ)是称为温度系数校正因子；

由于光学电流传感头的自愈单元的铁芯汇聚母线电流产生磁场，根据法拉第电磁感应原理所述自愈单元的轻载线圈输出的电流：

i_z＝k_z·i                      (10)

其中，k_z是所述轻载线圈的变比；

当电力系统处于稳态运行的时候，光学电流传感头的光学传感器输出的光信号经光电探测器4-9转换成两路相同的电信号，两路电信号相同且电流均为i_c，其中一路经过工频滤波器4-4得到工频分量i_c(f₁)：

i_c(f₁)＝k(δ)·k_c·i(f₁)                (11)

同时，轻载线圈输出的电流通过工频滤波器4-4得到工频分量i_z(f₁)：

i_z(f₁)＝k_z·i(f₁)                         (12)

从而，由式(11)和(12)获得温度系数校正因子

$k\left(\mathrm{\δ}\right)=\frac{i_c\left(f_1\right)}{i_z\left(f_1\right)}\·\frac{k_z}{k_c}---\left(13\right)$

根据所述的温度系数校正因子，利用前置放大模块对经光电探测器4-9转换的另一路电信号进行校正，由式(11)和(13)获得电流：

i_c＝k·i

其中，是经校正后的光学电流传感器的传感系数。

本发明的优点在于，

(1)灵活性好。外卡式的结构设计使得光学电流互感器可以安装在GIS外表面，通过对第一螺钉和第二螺钉的操作，可以对第一半圆环传感头和第二半圆环传感头进行灵活的安装和拆卸，且可见性好检修方便，极大提高了光学电流互感器的灵活性和实用性；

(2)抗外磁场干扰能力强。外卡式光学电流互感器采用零和御磁技术和零和御磁算法，使外卡式光学电流互感器获得完全的抗外磁场干扰的能力，极大地提高了外卡式光学互感器的抗干扰能力；

(3)温度稳定性好。外卡式光学电流互感器安装于GIS的套筒外面，环境温度分布均匀，避免了GIS套筒内母线电流热效应导致的不均匀温度场带来的线性双折射问题，改善了其温度稳定性；此外，外卡式光学电流互感器采用了自愈技术和自愈算法，进一步提高了外卡式光学电流互感器的温度稳定性。

附图说明

图1本发明具体实施方式一所述的外卡式光学电流互感器的结构示意图；

图2本发明具体实施方式一所述的外卡式光学电流互感器的光学电流传感头的结构示意图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为本发明的外卡式光学电流互感器的光学电流传感头的内部结构示意图；

图5为具体实施方式四所述的外卡式光学电流互感器的第一传感单元的结构示意图；

图6为具体实施方式五所述的外卡式光学电流互感器的第一传感单元的光学电流传感器的电气原理示意图；

图7为具体实施方式七所述的外卡式光学电流互感器的第一自愈单元的结构示意图；

图8为具体实施方式八所述的外卡式光学电流互感器的信号处理单元的电气原理示意图；

图9为具体实施方式九所述的外卡式光学电流互感器的抗外磁场干扰方法中的零和御磁结构示意图，其中1-1-5-3为第一半圆环传感头的第二传感单元的磁光材料块，1-2-4-3为第二半圆环传感头的第一传感单元的磁光材料块，1-2-5-3为第二半圆环传感头的第二传感单元的磁光材料块。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的外卡式光学电流互感器，它包括光学电流传感头1、光纤2、导线3和信号处理单元4；

所述光学电流传感头1包括第一半圆环传感头1-1和第二半圆环传感头1-2；

所述第一半圆环传感头1-1和第二半圆环传感头1-2对接固定成圆环状的光学电流传感头1；

所述光学电流传感头1的光信号通过光纤2与信号处理单元4连接，所述光学电流传感头1的电信号通过导线3与信号处理单元4连接。

将光学电流传感头1安装在GIS套筒的外表面。外卡式的结构设计使得光学电流互感器的安装、检修、拆卸都极为方便，极大提高了光学电流互感器的灵活性和实用性。此外，光学电流传感头1安装于GIS外表面还可避免GIS内部温度分布不均匀带来的不良影响。

光纤2可以是多模光纤或保偏光纤，本具体实施方式采用的是多模光纤。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的外卡式光学电流互感器的进一步限定，

它还包括第一螺钉1-3和第二螺钉1-4，通过第一螺钉1-3和第二螺钉1-4将所述第一半圆环传感头1-1和第二半圆环传感头1-2对接固定成圆环状的光学电流传感头1。

具体实施方式三：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的外卡式光学电流互感器的进一步限定，

所述第一半圆环传感头1-1和第二半圆环传感头1-2结构相同，所述第一半圆环传感头1-1包括第一航空插座1-1-1、第一壳体1-1-2、第一盖板1-1-3、第一传感单元1-1-4、第二传感单元1-1-5和第一自愈单元1-1-6；

第一盖板1-1-3、第一传感单元1-1-4、第二传感单元1-1-5和第一自愈单元1-1-6通过第一环氧树脂胶1-1-7密封在第一壳体1-1-2内，所述第一盖板1-1-3将第一壳体1-1-2沿圆环的轴向分隔成密封的上下两层，所述第一传感单元1-1-4和第二传感单元1-1-5设置在第一壳体1-1-2的下层，所述第一自愈单元1-1-6设置在第一壳体1-1-2的上层，

所述第一航空插座1-1-1紧密固定在第一壳体1-1-2的侧壁上，第一航空插座1-1-1用于连接第一半圆环传感头1-1与信号处理单元4之间的光纤2或者导线3；

第一自愈单元1-1-6输出的电信号为光学电流传感头1的电信号，第一自愈单元1-1-6的电信号输出端与信号处理单元4的电信号输入端连接；

信号处理单元4的光信号输出端同时与第一传感单元1-1-4的光信号输入端和第二传感单元1-1-5的光信号输入端连接，

第一传感单元1-1-4输出的光信号和第二传感单元1-1-5输出的光信号均为光学电流传感头1的光信号，第一传感单元1-1-4的光信号输出端和第二传感单元1-1-5的光信号输出端同时与信号处理单元4的光信号输入端连接。

第一航空插座1-1-1在保证第一壳体1-1-2内密封腔体气密性的同时实现了第一半圆环传感头1-1与外界的光连接。

具体实施方式四：结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的外卡式光学电流互感器的进一步限定，

所述第一传感单元1-1-4和第二传感单元1-1-5的结构相同，所述第一传感单元1-1-4包括传感单元盒1-1-4-1、传感单元盒盖1-1-4-2、光学电流传感器1-1-4-3和光耦合器1-1-4-4；

传感单元盒盖1-1-4-2设置在传感单元盒1-1-4-1的顶部，且与传感单元盒1-1-4-1形成密闭的空间，光学电流传感器1-1-4-3设置在所述密闭空间内，

光耦合器1-1-4-4设在传感单元盒1-1-4-1的侧壁上；光学电流传感器1-1-4-3固定在传感单元盒1-1-4-1内；

光学电流传感器1-1-4-3的光信号输出端为第一传感单元1-1-4的光信号输出端；

光学电流传感器1-1-4-3的光信号输入端为第一传感单元1-1-4的光信号输入端。

本实施方式用螺钉1-1-4-5将光学电流传感器1-1-4-3固定在传感单元盒1-1-4-1内。

具体实施方式五：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的外卡式光学电流互感器的进一步限定，

所述光学电流传感器1-1-4-3包括第一准直器1-1-4-3-1、起偏器1-1-4-3-2、磁光材料块1-1-4-3-3、检偏器1-1-4-3-4、第二准直器1-1-4-3-5和第三准直器1-1-4-3-6，第一准直器1-1-4-3-1的光信号输出端与起偏器的光信号输入端连接，起偏器输出的光信号经磁光材料块1-1-4-3-3透射后输出给检偏器1-1-4-3-4，检偏器1-1-4-3-4的第一光信号输出端与第二准直器1-1-4-3-5的光信号输入端连接，检偏器1-1-4-3-4的第二光信号输出端与第三准直器1-1-4-3-6的光信号输入端连接，

第一准直器1-1-4-3-1的光信号输入端为光学电流传感器1-1-4-3的光信号输入端，

第二准直器1-1-4-3-5光信号输出端和第三准直器1-1-4-3-6的光信号输出端同时为光学电流传感器1-1-4-3的光信号输出端。

所述光学电流传感器1-1-4-3的磁光材料块1-1-4-3-3采用块状磁光玻璃构成直通光路结构。

具体实施方式六：结合图9说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述的外卡式光学电流互感器的进一步限定，

光学电流传感头1的四个光学电流传感器的磁光材料块的位置为：

以光学电流传感头1的圆心为圆心，四个光学电流传感器的磁光材料块沿通光方向的四个光轴内接于半径为R的圆内，且四个传感单元的磁光材料块均匀分布；光学电流传感头1的四个光学电流传感器满足零和御磁结构。

如图9所示，光学电流传感头1的四个光学电流传感器满足零和御磁结构，即满足：

${\left(\frac{R}{C}\right)}^4\·\cos \left(4\arcsin \left(\frac{l}{2R}\right)\right)-\cos \left(4\mathrm{\θ}\right)=0---\left(1\right)$

其中，以光学电流传感头1的圆心为原点0，以所述原点O与四个光学电流传感器其中一条有向线段l_k(k＝1，2，3，4)的中点的连线为横轴，建立平面坐标系，取逆时针方向为正方向，所述有向线段l_k为第k(k＝1，2，3，4)个光学电流传感器沿通光方向的光轴，且有向线段l_k的长度均为1，原点O向有向线段l_k张开的角度为有向线段l_k的线段角φ_k(k＝1，2，3，4)，

干扰电流所在位置为P点，原点O到P点的距离为D，原点O指向P点的位移为P线，P线与横轴的夹角为P线方位角θ，

P点向有向线段l_k张开的角度为α_k(k＝1，2，3，4)。

具体实施方式七：结合图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的外卡式光学电流互感器的进一步限定，

所述第一自愈单元1-1-6包括第一铁芯1-1-6-1和第一轻载线圈1-1-6-2；

所述第一铁芯1-1-6-1为半圆环形结构，第一轻载线圈1-1-6-2均匀缠绕在第一铁芯1-1-6-1上，第一轻载线圈1-1-6-2的电信号输出端为第一自愈单元1-1-6的电信号输出端。

本实施方式中，所述第一铁芯1-1-6-1为导磁性能良好的铁磁材料

所述的第二自愈单元1-2-6与第一自愈单元1-1-6相同。

具体实施方式八：结合图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的外卡式光学电流互感器的进一步限定，

所述信号处理单元4包括LED光源4-1、取样电阻电路4-2、过压保护电路4-3、工频滤波器4-4、前置放大模块4-5、A/D转换模块4-6、DSP电路4-7、电源电路4-8和光电探测器4-9；

LED光源4-1输出的光信号通过光纤3发送给光学电流传感头1，

取样电阻电路4-2通过导线2接收光学电流传感头1的电信号，

光电探测器4-9通过光纤3接收光学电流传感头1的光信号，

取样电阻电路4-2的电阻信号输出端与过压保护电路4-3的电阻信号输入端连接，过压保护电路4-3的保护信号输出端与工频滤波器4-4的保护信号输入端连接，

光电探测器4-9的第一电信号输出端与工频滤波器4-4的电信号输入端连接，

工频滤波器4-4的滤波信号输出端与前置放大模块4-5的滤波信号输入端连接，

光电探测器4-9的第二电信号输出端与前置放大模块4-5的电信号输入端连接，前置放大模块4-5的放大信号输出端与A/D转换模块4-6的放大信号输入端连接，

A/D转换模块4-6的数字信号输出端与DSP电路4-7的数字信号输入端连接；DSP电路4-7输出待测母线的电流；

电源电路4-8为LED光源4-1、前置放大模块4-5、A/D转换模块4-6、DSP电路4-7和光电探测器4-9提供工作电源。

LED光源4-1的光信号输出端为信号处理单元4的光信号输出端。

DSP电路4-7输出待测母线的电流给合并单元，所述合并单元将所述待测母线的电流保存或者供其他系统使用。

具体实施方式九：结合图9说明本实施方式，本实施方式是具体实施方式六所述的外卡式光学电流互感器的抗外磁场干扰方法，

使所述外卡式光学电流互感器的待测母线电流i从原点O通过，

根据法拉第磁光效应，线偏振光通过第k(k＝1，2，3，4)个光学电流传感器的磁光材料块时感应待测母线电流i产生的法拉第旋光角φ_Fk为：

其中，V为磁光玻璃的菲尔德常数；φ_k为待测母线电流向第k(k＝1，2，3，4)个光学电流传感器的磁光材料块张开的角度；

根据法拉第磁光效应，线偏振光通过第k(k＝1，2，3，4)个光学电流传感器的磁光材料块时感应干扰电流i_gr产生的法拉第旋光角Δφ_Fk表示为：

其中，φ_k为干扰电流向第k(k＝1，2，3，4)个光学电流传感器的磁光材料块张开的角度；

偏振光通过光学电流传感头1的四个光学电流传感器后产生的法拉第旋光角为待测母线电流i和干扰电流i_gr产生的法拉第旋光角总和为：

由四个光学电流传感器完全相同可知，从而

对于满足零和御磁结构的光学电流传感头1，其四个光学电流传感器感应干扰电流i_gr产生的法拉第旋光角之和为零，即

由式(4)、(5)和(6)可得

从而得到只含待测母线电流i的有效信息：

其中， $\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\π}}{4V\·\arcsin \left(\frac{l}{2R}\right)}$ 为常比例系数。

本实施方式中的四个传感单元采用了零和御磁技术在空间上构成对称离散环路的传感结构，可以极大地提高光学电流互感器的抗外磁场干扰能力。所述传感单元盒1-1-4-1通过定位导轨准确安装在第一壳体1-1-2上。

具体实施方式十：本实施方式是具体实施方式六所述的外卡式光学电流互感器的温漂抑制方法，

待测母线电流从光学电流传感头1的中心通过，光学电流传感头1根据法拉第磁旋光效应，随着环境温度的变化而变化，光学电流传感器的输出为：

i_c＝k(δ)·k_c·i               (9)

其中，k_c为所述光学电流传感器的变比，k(δ)是称为温度系数校正因子；

由于光字电流传感头1的自愈单元的铁芯汇聚母线电流产生磁场，根据法拉第电磁感应原理所述自愈单元的轻载线圈输出的电流：

i_z＝k_z·i                      (10)

其中，k_z是所述轻载线圈的变比；

当电力系统处于稳态运行的时候，光学电流传感头1的光学传感器输出的光信号经光电探测器4-9转换成两路相同的电信号，两路电信号相同且电流均为i_c，其中一路经过工频滤波器4-4得到工频分量i_c(f₁)：

i_c(f₁)＝k(δ)·k_c·i(f₁)                  (11)

同时，轻载线圈输出的电流通过工频滤波器4-4得到工频分量i_z(f₁)：

i_z(f₁)＝k_z·i(f₁)            (12)

从而，由式(11)和(12)获得温度系数校正因子

$k\left(\mathrm{\δ}\right)=\frac{i_c\left(f_1\right)}{i_z\left(f_1\right)}\·\frac{k_z}{k_c}---\left(13\right)$

根据所述的温度系数校正因子，利用前置放大模块对经光电探测器4-9转换的另一路电信号进行校正，由式(11)和(13)获得电流：

i_c＝k·i

其中，是经校正后的光学电流传感器的传感系数。

一定温度条件下，所述光学电流传感器的变比(传感系数)是一个确定的常数，设为k_c，当待测母线电流为i时，所述光学电流传感器的输出的电流为：

i_c＝k_c·i                       (14)

实际上，由于磁光材料块存在线性双折射且线性双折射是环境温度的函数，当环境温度发生变化时光学电流传感器的变比也会发生相应的变化，光学电流互感器的变比(传感系数)不再是常数，而是随着环境温度的变化而变化，此时应为本实施方式中的式(9)：

i_c＝k(δ)·k_c·i

其中，k(δ)是称为温度系数校正因子。

考虑到环境温度变化的缓慢性，温度系数校正因子的变化也是缓慢，温度系数校正可以采用间断性延时的工作方式，如此，系统的实时性要求可以大大降低，自愈技术可以准确可靠地实现。

本发明的外卡式光学电流互感器结构上采用了外卡式的结构设计，传感技术采用了零和御磁技术和自愈技术进行设计；所述的信号处理单元4采用了零和御磁算法和自愈算法的进行数据处理。

本发明提供的外卡式光学电流互感器采用自愈技术和自愈算法，有效解决了温度变化导致的测量极度温漂问题，极大地提高了外卡式光学电流互感器的温度稳定性。

Claims (9)

1.外卡式光学电流互感器，其特征在于，它包括光学电流传感头(1)、光纤(2)、导线(3)和信号处理单元(4)；

所述光学电流传感头(1)包括第一半圆环传感头(1-1)和第二半圆环传感头(1-2)；

所述第一半圆环传感头(1-1)和第二半圆环传感头(1-2)对接固定成圆环状的光学电流传感头(1)；

所述光学电流传感头(1)的光信号通过光纤(2)与信号处理单元(4)连接，所述光学电流传感头(1)的电信号通过导线(3)与信号处理单元(4)连接；

所述第一半圆环传感头(1-1)和第二半圆环传感头(1-2)结构相同，所述第一半圆环传感头(1-1)包括第一航空插座(1-1-1)、第一壳体(1-1-2)、第一盖板(1-1-3)、第一传感单元(1-1-4)、第二传感单元(1-1-5)和第一自愈单元(1-1-6)；

第一盖板(1-1-3)、第一传感单元(1-1-4)、第二传感单元(1-1-5)和第一自愈单元(1-1-6)通过第一环氧树脂胶(1-1-7)密封在第一壳体(1-1-2)内，所述第一盖板(1-1-3)将第一壳体(1-1-2)沿圆环的轴向分隔成密封的上下两层，所述第一传感单元(1-1-4)和第二传感单元(1-1-5)设置在第一壳体(1-1-2)的下层，所述第一自愈单元(1-1-6)设置在第一壳体(1-1-2)的上层，

所述第一航空插座(1-1-1)紧密固定在第一壳体(1-1-2)的侧壁上，第一航空插座(1-1-1)用于连接第一半圆环传感头(1-1)与信号处理单元(4)之间的光纤(2)或者导线(3)；

第一自愈单元(1-1-6)输出的电信号为光学电流传感头(1)的电信号，第一自愈单元(1-1-6)的电信号输出端与信号处理单元(4)的电信号输入端连接；

信号处理单元(4)的光信号输出端同时与第一传感单元(1-1-4)的光信号输入端和第二传感单元(1-1-5)的光信号输入端连接，

第一传感单元(1-1-4)输出的光信号和第二传感单元(1-1-5)输出的光信号均为光学电流传感头(1)的光信号，第一传感单元(1-1-4)的光信号输出端和第二传感单元(1-1-5)的光信号输出端同时与信号处理单元(4)的光信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的外卡式光学电流互感器，其特征在于，它还包括第一螺钉(1-3)和第二螺钉(1-4)，通过第一螺钉(1-3)和第二螺钉(1-4)将所述第一半圆环传感头(1-1)和第二半圆环传感头(1-2)对接固定成空心圆环状的光学电流传感头(1)。

3.根据权利要求1所述的外卡式光学电流互感器，其特征在于，所述第一传感单元(1-1-4)和第二传感单元(1-1-5)的结构相同，所述第一传感单元(1-1-4)包括传感单元盒(1-1-4-1)、传感单元盒盖(1-1-4-2)、光学电流传感器(1-1-4-3)和光耦合器(1-1-4-4)；

传感单元盒盖(1-1-4-2)设置在传感单元盒(1-1-4-1)的顶部，且与传感单元盒(1-1-4-1)形成密闭的空间，光学电流传感器(1-1-4-3)设置在所述密闭空间内，

光耦合器(1-1-4-4)设在传感单元盒(1-1-4-1)的侧壁上；光学电流传感器(1-1-4-3)固定在传感单元盒(1-1-4-1)内；

光学电流传感器(1-1-4-3)的光信号输出端为第一传感单元(1-1-4)的光信号输出端；

光学电流传感器(1-1-4-3)的光信号输入端为第一传感单元(1-1-4)的光信号输入端。

4.根据权利要求3所述的外卡式光学电流互感器，其特征在于，

所述光学电流传感器(1-1-4-3)包括第一准直器(1-1-4-3-1)、起偏器(1-1-4-3-2)、磁光材料块(1-1-4-3-3)、检偏器(1-1-4-3-4)、第二准直器(1-1-4-3-5)和第三准直器(1-1-4-3-6)，第一准直器(1-1-4-3-1)的光信号输出端与起偏器的光信号输入端连接，起偏器输出的光信号经磁光材料块(1-1-4-3-3)透射后输出给检偏器(1-1-4-3-4)，检偏器(1-1-4-3-4)的第一光信号输出端与第二准直器(1-1-4-3-5)的光信号输入端连接，检偏器(1-1-4-3-4)的第二光信号输出端与第三准直器(1-1-4-3-6)的光信号输入端连接，

第一准直器(1-1-4-3-1)的光信号输入端为光学电流传感器(1-1-4-3)的光信号输入端，

第二准直器(1-1-4-3-5)光信号输出端和第三准直器(1-1-4-3-6)的光信号输出端同时为光学电流传感器(1-1-4-3)的光信号输出端。

5.根据权利要求4所述的外卡式光学电流互感器，其特征在于，光学电流传感头(1)的四个光学电流传感器的磁光材料块的位置为：

以光学电流传感头(1)的圆心为圆心，四个光学电流传感器的磁光材料块沿通光方向的四个光轴内接于半径为R的圆内，且四个传感单元的磁光材料块均匀分布；光学电流传感头(1)的四个光学电流传感器满足零和御磁结构。

6.根据权利要求1所述的外卡式光学电流互感器，其特征在于，

所述第一自愈单元(1-1-6)包括第一铁芯(1-1-6-1)和第一轻载线圈(1-1-6-2)；

所述第一铁芯(1-1-6-1)为半圆环形结构，第一轻载线圈(1-1-6-2)均匀缠绕在第一铁芯(1-1-6-1)上，第一轻载线圈(1-1-6-2)的电信号输出端为第一自愈单元(1-1-6)的电信号输出端。

7.根据权利要求1所述的外卡式光学电流互感器，其特征在于，

所述信号处理单元(4)包括LED光源(4-1)、取样电阻电路(4-2)、过压保护电路(4-3)、工频滤波器(4-4)、前置放大模块(4-5)、A/D转换模块(4-6)、DSP电路(4-7)、电源电路(4-8)和光电探测器(4-9)；

LED光源(4-1)输出的光信号通过光纤(2)发送给光学电流传感头(1)，

取样电阻电路(4-2)通过导线(3)接收光学电流传感头(1)的电信号，

光电探测器(4-9)通过光纤(2)接收光学电流传感头(1)的光信号，

取样电阻电路(4-2)的电阻信号输出端与过压保护电路(4-3)的电阻信号输入端连接，过压保护电路(4-3)的保护信号输出端与工频滤波器(4-4)的保护信号输入端连接，

光电探测器(4-9)的第一电信号输出端与工频滤波器(4-4)的电信号输入端连接，

工频滤波器(4-4)的滤波信号输出端与前置放大模块(4-5)的滤波信号输入端连接，

光电探测器(4-9)的第二电信号输出端与前置放大模块(4-5)的电信号输入端连接，前置放大模块(4-5)的放大信号输出端与A/D转换模块(4-6)的放大信号输入端连接，

A/D转换模块(4-6)的数字信号输出端与DSP电路(4-7)的数字信号输入端连接；DSP电路(4-7)输出待测母线的电流；

电源电路(4-8)为LED光源(4-1)、前置放大模块(4-5)、A/D转换模块(4-6)、DSP电路(4-7)和光电探测器(4-9)提供工作电源。

8.权利要求5所述的外卡式光学电流互感器实现抗外磁场干扰的方法，其特征在于，

使所述外卡式光学电流互感器的待测母线电流i从原点O通过，

根据法拉第磁光效应，线偏振光通过第k(k＝1,2,3,4)个光学电流传感器的磁光材料块时感应待测母线电流i产生的法拉第旋光角为：

其中，V为磁光玻璃的菲尔德常数；为待测母线电流向第k(k＝1,2,3,4)个光学电流传感器的磁光材料块张开的角度；

根据法拉第磁光效应，线偏振光通过第k(k＝1,2,3,4)个光学电流传感器的磁光材料块时感应干扰电流i_gr产生的法拉第旋光角表示为：

其中，α_k为干扰电流向第k(k＝1,2,3,4)个光学电流传感器的磁光材料块张开的角度；

偏振光通过光学电流传感头(1)的四个光学电流传感器后产生的法拉第旋光角为待测母线电流i和干扰电流i_gr产生的法拉第旋光角总和为：

由四个光学电流传感器完全相同可知，从而

其中，l_k为第k(k＝1,2,3,4)个光学电流传感器的磁光材料块的长度；

对于满足零和御磁结构的光学电流传感头(1)，其四个光学电流传感器感应干扰电流i_gr产生的法拉第旋光角之和为零，即

由式(4)、(5)和(6)可得

从而得到只含待测母线电流i的有效信息：

其中， $\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\π}}{4V\·\arcsin \left(\frac{l}{2R}\right)}$ 为常比例系数。

9.权利要求7所述的外卡式光学电流互感器实现温漂抑制的方法，其特征在于，

待测母线电流从光学电流传感头(1)的中心通过，光学电流传感头(1)根据法拉第磁旋光效应，随着环境温度的变化而变化，光学电流传感器的输出为：

i_c＝k(δ)·k_c·i   (9)

其中，k_c为所述光学电流传感器的变比，k(δ)是称为温度系数校正因子；

由于光学电流传感头(1)的自愈单元的铁芯汇聚母线电流产生磁场，根据法拉第电磁感应原理所述自愈单元的轻载线圈输出的电流：

i_z＝k_z·i                (10)

其中，k_z是所述轻载线圈的变比；

当电力系统处于稳态运行的时候，光学电流传感头(1)的光学传感器输出的光信号经光电探测器(4-9)转换成两路相同的电信号，两路电信号相同且电流均为i_c，其中一路经过工频滤波器(4-4)得到工频分量i_c(f₁)：

i_c(f₁)＝k(δ)·k_c·i(f₁)              (11)

其中，i(f₁)为待测母线电流i经过工频滤波器(4-4)得到工频分量；

同时，轻载线圈输出的电流通过工频滤波器(4-4)得到工频分量i_z(f₁)：

i_z(f₁)＝k_z·i(f₁)                (12)

从而，由式(11)和(12)获得温度系数校正因子

$k\left(\mathrm{\δ}\right)=\frac{i_c\left(f_1\right)}{i_z\left(f_1\right)}\·\frac{k_z}{k_c}---\left(13\right)$

根据所述的温度系数校正因子，利用前置放大模块对经光电探测器(4-9)转换的另一路电信号进行校正，由式(11)和(13)获得电流：

i_c＝k·i

其中，是经校正后的光学电流传感器的传感系数。