CN103163352A - 一种混合式光学电流互感器及其实现自校正测量的方法 - Google Patents

Abstract

一种混合式光学电流互感器及其实现自校正测量的方法，属于传感器技术领域，具体涉及一种光学电流互感器。本发明解决了现有的混合式光学电流互感器存在的线性度差问题和测量精度温漂问题。混合式光学电流互感器的光学传感单元与信号处理单元相连，基准电流源同时与远端采集单元和自校正模块相连，远端采集单元与信号处理单元相连，信号处理单元与远端采集单元相连。自校正测量的方法，LED光源发出的光传送给光学传感单元，光学传感单元感应待测电流，并将得到的线性偏振光传输回到光电探测器处，将两路相同信号传送给工频滤波器和高通滤波器，经过处理得到数字信号，DSP根据基准电流信号采用自校正算法对数字信号进行处理。本发明适用于电力系统。

Description

一种混合式光学电流互感器及其实现自校正测量的方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种光学电流互感器。

背景技术

电流互感器是电力系统不可或缺的电力设备。混合式光学电流互感器采用集磁环聚磁，并采用光学电流传感器测量，集电磁式电流互感器和光学电流互感器的优点于一身，集磁环的使用可以提高混合式光学电流互感器的抗外磁场干扰能力，其良好的聚磁能力还可以极大增强光学电流传感器处的磁场，从而提高混合式光学电流互感器的灵敏度；光学电流传感器具备交、直流测量能力，可以对待测电流进行全息测量。但是，集磁环是铁磁材料制作而成，存在磁饱和的问题，会导致混合式光学电流互感器的线性度较差，特别是集磁环进入磁饱和后其测量精度甚至是不可接受的；此外，光学电流传感器还存在线性双折射导致的测量精度温漂问题，使混合式光学电流互感器的准确度下降。这些问题的存在阻碍了混合式光学电流互感器的实用化进程。

解决混合式光学电流互感器存在的线性度差、温漂问题具有相当的技术难度，国内外很多专家学者对此作了许多针对性的研究，并提出了一些解决方案。现有解决方案的主要思想是：通过对混合式光学电流互感器的传感头进行优化设计来提高测量的线性度和准确度，具体包括精心设计集磁环的结构和参数、择磁导率高且剩磁小的铁磁材料作为集磁环的材料、合理设计磁光晶体的长度和安装位置等。但这些措施只是针对其中某一特定影响因素进行改进，尽管获得了一定的改进效果，但对混合式光学电流互感器整体性能的提高效果有限，未能根本解决混合式光学电流互感器的线性度差和温漂的问题。

混合式光学电流互感器要实现真正的实用化，必须寻找解决混合式光学电流互感器线性度差、温度漂移问题的新方法。

发明内容

本发明为了解决现有的混合式光学电流互感器存在的线性度差问题和测量精度温漂问题，提出一种混合式光学电流互感器及其实现自校正测量的方法。

一种混合式光学电流互感器，它包括混合式传感头、基准电流源、远端采集单元和信号处理单元，

所述混合式传感头包括集磁环、光学传感单元、自校正模块、航空插头、底座和环氧树脂胶，

底座为圆环形的底座，该底座为U型槽结构，所述集磁环、光学传感单元和自校正模块安装在底座的U型槽内，所述的集磁环设置有一个气隙，光学传感单元设置在气隙内，自校正模块由空心螺线管组成，所述空心螺线管套在集磁环上，并且与气隙的位置对称设置，在所述U型槽内灌封环氧树脂胶，

光学传感单元的光信号输入端通过航空插头与信号处理单元的光信号输出端相连，光学传感单元的两个光信号输出端分别通过航空插头与信号处理单元的两个光信号输入端相连，所述的自校正模块的电信号输入端通过航空插头1-4与基准电流源的第一电信号输出端相连，基准电流源的第二电信号输出端与远端采集单元的电信号输入端相连，远端采集单元的采集信号输出端与信号处理单元的信号输入端相连，信号处理单元的控制信号输出端与远端采集单元的控制信号输入端相连。

一种混合式光学电流互感器实现自校正测量的方法，它的具体过程如下：

步骤1：将通有待测电流i₁的导线从集磁环中心点穿过，执行步骤2；

步骤2：基准电流源的基准电流i₂输入到自校正模块，同时信号处理单元发出同步时钟控制信号给远端采集单元，远端采集单元采集基准电流源发送的基准电流作为基准参考电流i₃，远端采集单元将采集到的基准参考电流i₃输入给信号处理单元，执行步骤3；

步骤3：信号处理单元控制LED光源发出光信号给光学传感单元，光学传感单元基于法拉第磁旋光效应原理感应待测电流i₁和自校正模块中的基准参考电流i₂，使光学传感单元输入的线性偏振光获得一个法拉第偏转角，并将偏转后的线性偏振光传输回到信号处理单元的光电探测器处，执行步骤4；

步骤4：光电探测器将接收到的光信号转化为电信号，并输出两路相同的电信号，执行步骤5；

步骤5，将步骤4得到的两路相同信号分别传送给工频滤波器和高通滤波器，将工频滤波器的输出信号i_o1和高通滤波器的输出信号i_o2通过前置放大器进行放大后输入到A/D转换器，经A/D转换器后输出数字信号，将该数字信号输入到DSP电路，执行步骤6；

步骤6：DSP电路根据得到的基准参考电流信号i₃和远端采集单元的变比k_z得到远端采集单元的输出电压u_z，执行步骤7；

步骤7：根据步骤6得到的输出电压u_z、变比k_z和步骤5得到的信号i_o2得到混合式电流互感器的实时变比k，执行步骤8；

步骤8：根据步骤7得到的实时变比k和步骤5得到的信号i_o1得到待测电流i₁。

本发明所述的混合式光学电流互感器的输出与集磁环材料和环境温度无关，消除了磁导率变化和温度变化的影响，克服了测量精度温漂的问题，并且本发明消除了集磁环磁导率变化对混合式光学电流互感器的影响，极大提高了混合式光学电流互感器的线性度。经测试，本发明提供的混合式光学电流互感器的测量精度在-40℃～+60℃的温度范围内满足IEC0.2S等级要求。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种混合式光学电流互感器的组成原理框图；

图2为混合式传感头的结构示意图；

图3为图2的A-A剖面图；

图4为具体实施方式三所述的光学电流传感单元示意图；

图5为具体实施方式四所述的信号处理单元示意图；

图6为具体实施方式六所述的自校正测量方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种混合式光学电流互感器，它包括混合式传感头1、基准电流源2、远端采集单元3和信号处理单元4，

所述混合式传感头1包括集磁环1-1、光学传感单元1-2、自校正模块1-3、航空插头1-4、底座1-5和环氧树脂胶1-6，

底座1-5为圆环形的底座，该底座1-5为U型槽结构，所述集磁环1-1、光学传感单元1-2和自校正模块1-3安装在底座1-5的U型槽内，所述的集磁环1-1设置有一个气隙，光学传感单元1-2设置在气隙内，自校正模块1-3由空心螺线管组成，所述空心螺线管套在集磁环1-1上，并且与气隙的位置对称设置，在所述U型槽内灌封环氧树脂胶1-6，

光学传感单元1-2的光信号输入端通过航空插头1-4与信号处理单元4的光信号输出端相连，光学传感单元1-2的两个光信号输出端分别通过航空插头1-4与信号处理单元4的两个光信号输入端相连，所述的自校正模块1-3的电信号输入端通过航空插头1-4与基准电流源2的第一电信号输出端相连，基准电流源2的第二电信号输出端与远端采集单元3的电信号输入端相连，远端采集单元3的采集信号输出端与信号处理单元4的信号输入端相连，信号处理单元4的控制信号输出端与远端采集单元3的控制信号输入端相连。

本实施方式所述的混合式传感头1采用自校正技术进行设计，即设置一个空心螺线管进行校正，所述信号处理单元4采用自校正算法对采集信号进行处理。光学传感单元1-2与信号处理单元4的连接方式为光纤，自校正模块1-3与基准电流源2的连接方式为导线。

本实施方式中的采用环氧树脂胶1-6将集磁环1-1、光学传感单元1-2和自校正模块1-3密封在底座1-5内，实现了各部件与外界的污垢、气体和光隔离，提高混合式传感头1的运行稳定性。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种混合式光学电流互感器的进一步限定，光学传感单元1-2的光信号输出输入端通过光纤与信号处理单元4光信号输出输入端连接，所述光纤为多模光纤。

具体实施方式三：参见图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种混合式光学电流互感器的进一步限定，所述光学传感单元1-2包括准直器1-2-1、起偏器1-2-2、磁光晶体1-2-3、分光棱镜1-2-4、第一耦合器1-2-5和第二耦合器1-2-6，光学传感单元1-2的光信号输入端输入的光入射至准直器1-2-1，经该准直器1-2-1输出到起偏器1-2-2，经起偏器1-2-2透射后入射到磁光晶体1-2-3，经磁光晶体1-2-3透射后入射到分光棱镜1-2-4，经分光棱镜1-2-4透射后的透射光入射到第一耦合器1-2-5，经分光棱镜1-2-4的分光面反射的反射光入射到第二耦合器1-2-6，第一耦合器1-2-5输出光信号至信号处理单元4的第一光信号输入端，第二耦合器1-2-6输出光信号至信号处理单元4的第二光信号输入端。

具体实施方式四：参见图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种混合式光学电流互感器的进一步限定，信号处理单元4包括光电探测器4-1、工频滤波器4-2、高通滤波器4-3、前置放大器4-4、A/D转换器4-5、DSP电路4-6、LED光源4-7和电源转换单元4-8，

光电探测器4-1的两个光信号输入端为信号处理单元4的两个光信号输入端，光电探测器4-1的第一信号输出端与工频滤波器4-2的信号输入端，光电探测器4-1的第二信号输出端与高通滤波器4-3的信号输入端相连，工频滤波器4-2的信号输出端和高通滤波器4-3的信号输出端均经过前置放大后与A/D转换器4-5的模拟信号输入端相连，A/D转换器4-5的数字信号输出端与DSP电路4-6的信号输入端相连，DSP电路4-6的控制信号输出端与远端采集单元3的控制信号信号输入端相连，DSP电路4-6的的采集信号输入端与远端采集单元3的采集信号输出端相连，电源转换单元4-8为光电探测器4-1、前置放大器4-4、A/D转换器4-5、DSP电路4-6和LED光源4-7供电，LED光源4-7的光信号输出端为信号处理单元4的光信号输出端。

本实施方式中的DSP电路4-6将处理后的信号输入给合并单元，直流电源为电源转换单元4-8提供输入电压。

具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种混合式光学电流互感器实现自校正测量的方法，它的具体过程如下：

步骤1：将通有待测电流i₁的导线从集磁环1-1中心点穿过，执行步骤2；

步骤2：基准电流源2的基准电流i₂输入到自校正模块1-3，同时信号处理单元4发出同步时钟控制信号给远端采集单元3，远端采集单元3采集基准电流源2发送的基准电流作为基准参考电流i₃，远端采集单元3将采集到的基准参考电流i₃输入给信号处理单元4，执行步骤3；

步骤3：信号处理单元4控制LED光源4-7发出光信号给光学传感单元1-2，光学传感单元1-2基于法拉第磁旋光效应原理感应待测电流i₁和自校正模块1-3中的基准参考电流i₂，使光学传感单元1-2输入的线性偏振光获得一个法拉第偏转角，并将偏转后的线性偏振光传输回到信号处理单元4的光电探测器4-1处，执行步骤4；

步骤4：光电探测器4-1将接收到的光信号转化为电信号，并输出两路相同的电信号，执行步骤5；

步骤5，将步骤4得到的两路相同信号分别传送给工频滤波器4-2和高通滤波器4-3，将工频滤波器4-2的输出信号i_o1和高通滤波器4-3的输出信号i_o2通过前置放大器4-4进行放大后输入到A/D转换器4-5，经A/D转换器4-5后输出数字信号，将该数字信号输入到DSP电路4-6，执行步骤6；

步骤6：DSP电路4-6根据得到的基准参考电流信号i3和远端采集单元5的变比k_z得到远端采集单元5的输出电压u_z，执行步骤7；

步骤7：根据步骤6得到的输出电压u_z、变比k_z和步骤5得到的信号i_o2得到混合式电流互感器的实时变比k，执行步骤8；

步骤8：根据步骤7得到的实时变比k和步骤5得到的信号i_o1得到待测电流i₁。

本实施方式所述的基准电流源2基准电流源2为自校正模块1-3提供一个稳定的基准电流i₂，所述的基准电流为交变电流，基准电流的频率与待测电流的频率不同。本实施方式的基准电流源2提供的基准电流的频率为800Hz，采用该频率的基准电流可以有效避免工频电流及其它高次谐波的干扰。

本实施方式所述的远端采集单元3以一定的频率准确采集基准电流源2的实时输出的基准电流值，作为基准参考电流i₃并将采集到的信号通过导线传输至信号处理单元4。远端采集单元3的采样时间由信号处理单元4发出的同步时钟信号控制，基准电流i₂和基准参考电流i₃可理想化为同一电流，即基准电流i₂和基准参考电流i₃有相同的电流值。

本发明所述的自校正测量方法极大提高了混合式光学电流互感器的线性度，原理如下：

待测电流i₁从集磁环1-1内部通过，混合式光学电流互感器基于法拉第磁旋光效应原理感应待测电流，信号处理单元4将光学传感单元1-2输送来的含有待测电流信息的光信号进行必要的处理，得到电流互感器的输出电流。

假设集磁环1-1为理想的集磁环，即忽略漏磁且不考虑集磁环磁导率的变化，即k_o为不变的常数，则混合式光学电路互感器的输出可以表示为

i_o＝k_o·i₁       (1)

式中，i₁为待测电流；i_o为电流互感器的输出；k_o为电流互感器的变比。

实际上，集磁环1-1的铁磁材料磁导率是磁场强度的函数，而磁场强度随时间而变化，因此磁导率是时间的函数，导致混合式电流互感器的变比不再是常数，而是随着时间的变化而变化。此时式(1)变为

i_o＝δ(t)·k_o·i₁       (2)

式中，δ(t)是变比k_o的实时校正因子。

待测电流i₁是工频信号，其频率为f₁，基准电流i₂是高频电流，其频率为f₂，频率f₂大于f₁。光学传感单元1-2的线性偏振光经过光电转换后输出两路相同的信号，其中一路信号经过工频滤波器4-2后，输出仅含有待测的工频电流的信息的输出信号i_o1(t)，t时刻的输出信号可表示为

i_o1(t)＝δ(t)·k_o·i₁(t)         (3)

另一路信号经高通滤波器4-3后，输出仅含有基准参考电流i₃信息的输出信号i_o2(t)，t时刻的输出信号可表示为

i_o2(t)＝δ(t)·k_o·i₃(t)        (4)

与此同时，在DSP电路4-6发出的同步时钟信号控制下，远端采集单元3同步采集基准电流源2向自校正模块1-3输出的基准参考电流i3，t时刻的远端采集单元3的输出电压可表示为

u_z(t)＝k_z·i₃(t)           (5)

式中，k_z为远端采集单元3的变比，远端采集单元3的变比与混合式传感头1无关，k_z不受传感头工作状态的影响是不随时间变化的常数。

联立式(3)(4)(5)可得

$i_1\left(t\right)=\frac{u_z\left(t\right)}{k_z\·i_{o2}\left(t\right)}\·i_{o1}\left(t\right)=k\·i_{o1}\left(t\right)---\left(6\right)$

式中，

是混合式电流互感器的实时变比。

由式(6)可见，只需实时检测工频滤波器4-2、高通滤波器4-3和远端采集单元3的输出值，即可得到与集磁环1-1材料无关的输出值，完全消除了集磁环1-1磁导率变化对混合式光学电流互感器的影响，极大提高了混合式光学电流互感器的线性度。

本发明所述的自校正测量方法同样可以克服混合式光学电流互感器温度漂移问题，原理如下：

当环境温度发生变化时，由于磁光晶体1-2-3存在的线性双折射的影响，式(1)变为

i_o＝(k_o+Δk)·i₁         (7)

式中，Δk为线性双折射引起的变比误差项。

此时，对应的工频滤波器4-2和高通滤波器4-3的输出变为

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{o1}\left(t\right)=\mathrm{\δ}\left(t\right)\·(k_o+\mathrm{\Δk})\·i_1\left(t\right)\\ i_{o2}\left(t\right)=\mathrm{\δ}\left(t\right)\·(k_o+\mathrm{\Δk})\·i_3\left(t\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

由于远端采集单元3不受环境温度因素的影响，因而其输出与温度无关，其输出表达式为式(5)不变。联立式(7)、(8)可以得到与式(6)完全一致的输出表达式，这说明在温度变化时混合式光学电流互感器的测量值保持不变，这意味着温度因素对混合式光学电流互感器没有影响，本发明提供的自校正测量方法完全消除了环境温度因素的影响。

本发明提供的混合式光学电流互感器线性度好、可以解决温漂问题、测量精度高。在采用本发明提供的自校正测量技术后，混合式光学电流互感器的输出与集磁环1-1材料和环境温度无关，消除了磁导率变化和温度变化的影响，克服了混合式光学电流互感器存在的线性度差问题和测量精度温漂问题，为混合式光学电流互感器的实用化设计提供了新的思路。经测试，本发明提供混合式光学电流互感器的测量精度达到了0.2级。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种混合式光学电流互感器，其特征在于，它包括混合式传感头(1)、基准电流源(2)、远端采集单元(3)和信号处理单元(4)，

所述混合式传感头(1)包括集磁环(1-1)、光学传感单元(1-2)、自校正模块(1-3)、航空插头(1-4)、底座(1-5)和环氧树脂胶(1-6)，

底座(1-5)为圆环形的底座，该底座(1-5)为U型槽结构，所述集磁环(1-1)、光学传感单元(1-2)和自校正模块(1-3)安装在底座(1-5)的U型槽内，所述的集磁环(1-1)设置有一个气隙，光学传感单元(1-2)设置在气隙内，自校正模块(1-3)由空心螺线管组成，所述空心螺线管套在集磁环(1-1)上，并且与气隙的位置对称设置，在所述U型槽内灌封环氧树脂胶(1-6)，

光学传感单元(1-2)的光信号输入端通过航空插头(1-4)与信号处理单元(4)的光信号输出端相连，光学传感单元(1-2)的两个光信号输出端分别通过航空插头(1-4)与信号处理单元(4)的两个光信号输入端相连，所述的自校正模块(1-3)的电信号输入端通过航空插头(1-4)与基准电流源(2)的第一电信号输出端相连，基准电流源(2)的第二电信号输出端与远端采集单元(3)的电信号输入端相连，远端采集单元(3)的采集信号输出端与信号处理单元(4)的信号输入端相连，信号处理单元(4)的控制信号输出端与远端采集单元(3)的控制信号输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种混合式光学电流互感器，其特征在于，所述光学传感单元(1-2)包括准直器(1-2-1)、起偏器(1-2-2)、磁光晶体(1-2-3)、分光棱镜(1-2-4)、第一耦合器(1-2-5)和第二耦合器(1-2-6)，光学传感单元(1-2)的光信号输入端输入的光入射至准直器(1-2-1)，经该准直器(1-2-1)输出到起偏器(1-2-2)，经起偏器(1-2-2)透射后入射到磁光晶体(1-2-3)，经磁光晶体(1-2-3)透射后入射到分光棱镜(1-2-4)，经分光棱镜(1-2-4)透射后的透射光入射到第一耦合器(1-2-5)，经分光棱镜(1-2-4)的分光面反射的反射光入射到第二耦合器(1-2-6)，第一耦合器(1-2-5)输出光信号至信号处理单元4的第一光信号输入端，第二耦合器(1-2-6)输出光信号至信号处理单元(4)的第二光信号输入端。

3.根据权利要求1所述的一种混合式光学电流互感器，其特征在于，信号处理单元(4)包括光电探测器(4-1)、工频滤波器(4-2)、高通滤波器(4-3)、前置放大器(4-4)、A/D转换器(4-5)、DSP电路(4-6)、LED光源(4-7)和电源转换单元(4-8)，

光电探测器(4-1)的两个光信号输入端为信号处理单元(4)的两个光信号输入端，光电探测器(4-1)的第一信号输出端与工频滤波器(4-2)的信号输入端，光电探测器(4-1)的第二信号输出端与高通滤波器(4-3)的信号输入端相连，工频滤波器(4-2)的信号输出端和高通滤波器(4-3)的信号输出端均经过前置放大后与A/D转换器(4-5)的模拟信号输入端相连，A/D转换器(4-5)的数字信号输出端与DSP电路(4-6)的信号输入端相连，DSP电路(4-6)的控制信号输出端与远端采集单元(3)的控制信号信号输入端相连，DSP电路(4-6)的的采集信号输入端与远端采集单元(3)的采集信号输出端相连，电源转换单元(4-8)为光电探测器(4-1)、前置放大器(4-4)、A/D转换器(4-5)、DSP电路(4-6)和LED光源(4-7)供电，LED光源(4-7)的光信号输出端为信号处理单元(4)的光信号输出端。

4.权利要求1所述的一种混合式光学电流互感器实现自校正测量的方法，其特征在于，它的具体过程如下：

步骤1：将通有待测电流i₁的导线从集磁环(1-1)中心点穿过，执行步骤2；

步骤2：基准电流源(2)的基准电流i₂输入到自校正模块(1-3)，同时信号处理单元(4)发出同步时钟控制信号给远端采集单元(3)，远端采集单元(3)采集基准电流源(2)发送的基准电流作为基准参考电流i₃，远端采集单元(3)将采集到的基准参考电流i₃输入给信号处理单元(4)，执行步骤3；

步骤3：信号处理单元(4)控制LED光源(4-7)发出光信号给光学传感单元(1-2)，光学传感单元(1-2)基于法拉第磁旋光效应原理感应待测电流i₁和自校正模块(1-3)中的基准参考电流i₂，使光学传感单元(1-2)输入的线性偏振光获得一个法拉第偏转角，并将偏转后的线性偏振光传输回到信号处理单元(4)的光电探测器(4-1)处，执行步骤4；

步骤4：光电探测器(4-1)将接收到的光信号转化为电信号，并输出两路相同的电信号，执行步骤5；

步骤5，将步骤4得到的两路相同信号分别传送给工频滤波器(4-2)和高通滤波器(4-3)，将工频滤波器(4-2)的输出信号i_o1和高通滤波器(4-3)的输出信号i_o2通过前置放大器(4-4)进行放大后输入到A/D转换器(4-5)，经A/D转换器(4-5)后输出数字信号，将该数字信号输入到DSP电路(4-6)，执行步骤6；

步骤6：DSP电路(4-6)根据得到的基准参考电流信号i₃和远端采集单元(5)的变比k_z得到远端采集单元(5)的输出电压u_z，执行步骤7；

步骤7：根据步骤6得到的输出电压u_z、变比k_z和步骤5得到的信号i_o2得到混合式电流互感器的实时变比k，执行步骤8；

步骤8：根据步骤7得到的实时变比k和步骤5得到的信号i_o1得到待测电流i₁。

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