CN103245815A - 反馈平衡式光纤电流互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种反馈平衡式电流互感器,包括光源、起偏器、一次电流传感器、检偏器、光电转换器,还包括磁光效应的二次电流传感器、二次电流线圈和智能处理模块,二次电流传感器通过保偏光纤串接在一次电流传感器和检偏器之间,二次电流线圈产生的二次电流穿过二次电流传感器,一次电流和二次电流在保偏光纤中产生的旋光作用方向相反。该装置中由于一次电流传感器和二次电流传感器在同一个温度环境下作用于同一根传感光纤,物理过程相同,且二次电流线圈产生的磁光效应与负载电流产生的磁光效应对称平衡,相互抵消,故可在平衡对等条件下获得测量值,而且只需很小的二次电流就可与一次电流的作用相平衡,达到“以小测大”的目的。
Description
技术领域
本发明属于电力测量技术领域,涉及一种基于反馈平衡原理的光纤式光学电流互感器。
背景技术
以法拉第磁致旋光效应(磁光效应)为基本原理的光学电流互感器,迄今在国内外已有近30年的研发、应用史,由于其电流的传感部件不需要电源的支持,因此在高压电流测量领域受到了高度重视。但多年的研发实践表明,磁光材料受环境温度以及光学器件性能自然衰变等(包括温度、器件温度变化等)因素的影响,测量稳定性很难达到实用要求,且测量光路系统的结构复杂,造价高于其它类型互感器3~5倍,故其尚不具有市场推广应用价值。对此难题以往本领域曾有很多研究论文做过相关表述,例如在《电子式互感器原理、技术及应用》(专著,刘延冰、李红斌、余春雨等,科学出版社,2009-8,P32)一书中曾记述到:磁光电流互感器“目前尚没有代替传统电流互感器,主要是由于磁光电流互感器应用时所处的环境为高压变电站的户外现场,环境相对恶劣,环境因素(如温度、振动等)对其性能的影响很大,反映出随时间的长期漂移。因此,磁光电流互感器的长期稳定性是决定其能否最终实用化的关键问题,也是至今没有得到彻底解决的难题”。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构合理、使用方便、可靠性高的反馈平衡式光纤电流互感器,该光纤电流互感器可有效兑消除法拉第磁致旋光效应以外参入温度、器件参数衰变对测量性能的影响,提高测量的稳定性和可靠性,同时达到使测量系统光路简化、器件减少、成本降低的目的。
为解决上述技术问题,本发明的实现方案是这样的:
一种反馈平衡式光纤电流互感器,包括负载线圈、光源、起偏器、一次电流传感器、检偏器和光电转换器,还包括磁光效应的二次电流传感器、二次电流线圈和智能处理模块,
所述的一次电流传感器为缠绕的磁光效应传感光纤环,所述的负载线圈产生的一次电流穿过磁光效应传感光纤环,所述起偏器通过保偏光纤依次与一次电流传感器、二次电流传感器以及检偏器之间联接,所述光源的出射光依次经起偏器、一次电流传感器、二次电流传感器、检偏器传播后,再经由光电转换器得到一次电流的强度信号,所述二次电流线圈产生的二次电流穿过二次电流传感器,所述的一次电流和二次电流在保偏光纤中产生的旋光作用方向相反;所述的智能处理模块包括比较处理单元、电流输出控制单元和测量信号输出单元,该智能处理模块的输入端通过隔直流单元与光电转换器输出端相联,其比较处理单元用于对光电转换器输出动态光电压信号进行采集和比较处理;电流输出控制单元根据比较处理单元的结果控制二次电流线圈输出相应的电流,使得一次电流和二次电流在保偏光纤中产生的旋光效应相互抵消;所述的测量信号输出单元根据比较处理单元的结果计算并输出测量得到的一次电流值。
上述反馈平衡式光纤电流互感器中,负载线圈的匝数为1~3匝。
上述反馈平衡式光纤电流互感器中,二次电流线圈的匝数为500~6000匝。
上述反馈平衡式光纤电流互感器中,二次电流线圈的匝数为2000匝。
上述反馈平衡式光纤电流互感器中,一次电流传感器和二次电流传感器的结构和材料相同。
上述反馈平衡式光纤电流互感器中,起偏器的偏振方向为0°角,检偏器的偏振方向为45°角。
上述反馈平衡式光纤电流互感器中,光源为宽光谱SLED光源,光电转换器为PIN-FET高灵敏度光接收组件。
上述反馈平衡式光纤电流互感器中,保偏光纤为低双折射光纤。
本发明的工作原理是:由光源发出的出射光进入光纤,通过起偏器形成线偏振光(偏振方向定义为0°角),线偏振光经保偏光纤进入一次电流传感器,该电流传感器的光纤环采用具有磁光效应的传感光纤,受一次电流磁动势I1N1的作用(N1为一次绕组匝数),产生法拉第旋光效应,偏振面转过一个与I1N1对应的角θ,经二次电流传感器进入偏振方向为45°角的检偏器,由检偏器将偏转角的变化转换成光强的变化,使带有I1信息的光信号进入光电转换器,光强信号再次被转换成一个电压信号U1,从U1分离出与I1相关的动态交变分量△U输入到智能处理模块,智能处理模块通过与I1=0时的输出电压U0比较,对△U进行A/D采样,根据采样值的大小输出二次受控电流I2,I2流进二次电流传感器的(N2匝)线圈,使偏振光产生第二次法拉第旋转,由于I2N2与I1N1的作用方向相反,偏振面将反向旋转,由智能处理模块自动调整I2达到一定量,偏振角反向旋转-θ,这样,总旋转角为0,这样就可认为I2N2与I1N1产生的磁动势达到了平衡,此时I2与I1有唯一的对应关系,测量输出单元根据比例换算结果,输出处理的电流值,完成对电流I1的测量。
本发明具有的有益效果如下:
1、本发明提出了一种闭环负反馈光学测量系统,可有效兑消温度、器件参数衰变对测量性能的影响,提高测量的稳定性和可靠性;同时使光路简化、器件减少、成本降低、构成一种新型光纤电流互感器。
2、本发明在光纤互感器上设置与被测量负载结构相同的二次电流线圈,由于一次电流传感器和二次电流传感器在同一个温度环境下作用于同一根传感光纤,物理过程相同,且二次电流线圈产生的磁光效应与负载电流产生的磁光效应对称平衡,相互抵消,且在平衡对等条件下获得测量值,结构简单,可靠性高。
3、本发明的一次电流传感器和二次电流传感器在同一光路上,其他的起偏器、检偏器、光电转换器等均为两传感器共用,所以器件参数随时间的漂移对两个传感器的影响是对等的,在对称平衡条件下,也会“兑消”器件参数变化的影响。
4、本发明的一次电流传感器的线圈匝数N1通常只有1~3匝,而二次电流传感器的线圈匝数N2通常有数百乃至数千匝,在光纤绕组匝数相同时,只需产生很小的I2,就可与I1的作用相平衡,达到“以小测大”的目的。
5、由于采用了平衡测量原理,所以仅要求测量器件在平衡点(0°偏转角)附近保持灵敏,降低了对光器件测量范围和线性度的要求。
附图说明
图1为反馈平衡式光纤电流互感器的原理图;
图2为采用智能处理模块进行智能判断的原理框图;
附图标记如下:
1、光源,2、起偏器,3、一次电流传感器,4、二次电流传感器;5、检偏器,6、光电转换器,7、智能处理模块,8、负载线圈,9、二次电流线圈;ΔU、光电压动态变量,I1、一次电流值,I2、二次电流值,dI、电流微调量。
具体实施方式
如图1所示,本发明所述的反馈平衡式光纤电流互感器包括光源1、起偏器2、一次电流传感器3、二次电流传感器4、检偏器5、光电转换器6、负载线圈8、二次电流线圈9和智能处理模块7,其中一次电流传感器3和二次电流传感器4均为缠绕的磁光效应传感光纤环,内部分别有负载线圈8产生的负载电流I1和二次电流线圈9产生的二次电流I2穿过。负载线圈的匝数一般为1~3匝,二次电流线圈的匝数为500~8000匝。光源1、起偏器2、一次电流传感器3、负载线圈8、二次电流传感器4、二次电流线圈9、检偏器5、光电转换器6由保偏光纤连接,形成测量系统的光学部分。光电转换器6和智能处理模块7由电路连接,形成测量系统的电子电路部分。实际工作中,光源1出射光经起偏器2、一次电流传感器3、二次电流传感器4、检偏器5传播,再经光电转换器6后得到电流的强度信号,其中负载电流(即一次电流)I1和二次电流I2在保偏光纤中产生的旋光作用方向相反。
该光纤电流互感器中的智能处理模块7包括比较处理单元、电流输出控制单元和测量信号输出单元。智能处理模块7的输入端通过隔直流单元与光电转换器输出端相联,比较处理单元用于对光电转换器输出动态光电压信号进行采集和比较处理,电流输出控制单元根据比较处理单元的结果控制二次电流线圈输出相应的电流,使得一次电流和二次电流在保偏光纤中产生的旋光效应相互抵消;测量信号输出单元根据比较处理单元的结果计算并输出测量得到的一次电流值。实际结构中,比较处理单元输入可采用BURR-BROWN公司型号为ADS804的器件,电流输出控制单元输出可采用BURR-BROWN公司型号为OPA541的器件,测量信号输出单元可采用MAXIM公司型号为MAX3491的器件。
本发明的工作原理是:光源1的出射光通过起偏器2形成线偏振光(偏振方向定义为0°角),线偏振光经保偏光纤进入一次电流传感器3,一次电流传感器3的光纤环是一种具有磁光效应的传感光纤,受一次电流磁动势I1N1的作用产生法拉第旋光效应,N1为一次绕组(也就是负载绕组)的匝数,偏振面转过一个与I1N1对应的角θ,经二次电流传感器4进入45°检偏器5,检偏器5的作用是:将偏转角的变化转换成光强的变化,带有I1信息的光信号进入光电转换器6,光强信号再次被转换成一个电压信号U1,由电容C的隔直流作用,从U1分离出与I1相关的动态交变分量△U输入到智能处理模块7。
智能处理模块7的作用是:比较处理单元通过与I1=0时的输出电压U0比较,对△U进行A/D采样,根据采样值的大小由电流输出控制单元输出二次受控电流I2,I2流进二次电流传感器4的线圈(匝数为N2),使偏振光产生第二次法拉第旋转,由于I2N2与I1N1的作用方向相反,偏振面将反向旋转,由比较处理单元自动调整I2达到一定量,偏振角反向旋转-θ,这样,总旋转角为0,因此,认为I2N2与I1N1产生的磁动势达到了平衡,这时,I2与I1有唯一的对应关系,测量信号输出单元根据比例换算结果,输出处理的电流值,完成对电流I1的测量。
智能模块实现智能判断的框图如图2所示,基本流程如下:
[1]获取一次电流和二次电流均为0时的光电转换器输出电压U0;
[2]获取一次电流值为I1时的光电转换器输出电压信号U1;
[3]智能处理模块中的比较处理单元采集并计算得到动态电压值△U=U1-U0;
[4]智能处理模块中的电流输出控制单元控制二次电流线圈的电流值I2,使△U趋于0;
[5]智能处理模块中的测量输出单元根据I1=I2N2/N1,计算并输出测量得到的一次电流值I1,所述的N1为负载线圈的匝数,所述N2为二次线圈的匝数;
[6]重复步骤[2]~[5],持续测量得到一次电流值I1。
本发明的特点是在光纤互感器上设置与被测量负载结构和材料相同的二次电流线圈,由同一根传感光纤连接两个作用原理完全相同的法拉第磁光效应传感器(一次电流传感器和二次电流传感器),由于一次电流传感器和二次电流传感器在同一个温度环境下作用于同一根传感光纤,物理过程相同,且二次电流线圈产生的磁光效应与负载电流产生的磁光效应对称平衡,相互抵消,故可在平衡对等条件下获得测量值,结构简单、可靠性高;又由于一次电流传感器和二次电流传感器在同一光路上,其他的起偏器、检偏器、光电转换器等均为两传感器共用,所以器件参数随时间的漂移对两个传感器的影响是对等的,在对称平衡条件下,也会“兑消”器件参数变化的影响。
下面给出本发明的一个具体的实施例:本实例中光源1采用型号为GY-SLD-2-M的宽光谱SLED光源,中心波长为1310nm。0°起偏器2的型号为ILP-31,当光源1发出的光经过0°起偏器2后变为线偏振光,该线偏振光的偏振面方向与保偏光纤慢轴平行,此时光强度为P0,当线偏振光经过一次电流传感器3后,受一次电流磁动势I1N1的作用,产生法拉第旋光效应,此时线偏振光的偏振面转过一个与I1N1对应的角度θ1,在一次电流为零时偏转角度为0,当光再经过二次电流传感器4后,受二次电流磁动势I2N2的作用,再次产生法拉第旋光效应,此时线偏振光的偏振面转过一个与I2N2对应的角度θ2,其中构成一次和二次电流传感器的光纤环结构相同,使用材料相同,均为低双折射光纤,型号均为LB-1300,具有优异的温度和保偏特性。当线偏振光再通过45°检偏器5到达光电转换器6后转换为与光强对应的电压信号,其中45°检偏器5与0°起偏器2的产品规格一致,在实际使用中检偏器5与起偏器2的快慢光轴成45°角,与保偏光纤融接而成。光电转换器6为PIN-FET高灵敏度光接收组件,型号为SPF1200。
当一次母线和二次电流线圈上的电流都为零时,此时到达光电转换器6后的等价于光强的电压信号为U0,当一次母线上电流为I1,二次电流线圈电流为零时,得到电压信号U1,令△U=U1-U0,其中△U为包含I1信息的电压信号,该电压信号再进入智能处理模块7;在其中对△U进行A/D采样并对采样值进行数字信号处理后,智能处理模块7输出二次受控电流I2,I2流进二次电流传感器4的线圈,使偏振光产生第二次法拉第旋转,由于I2N2与I1N1的作用方向相反,偏振面将反向旋转,由智能处理模块7通过闭环自动调整I2达到一定量,使偏振角反向旋转θ2=-θ1,这样,对到达光探测器的光而言总旋转角为0。此时,可认为I2N2与I1N1产生的磁动势达到了平衡,即△U≈0,读取此时的I2值,由I2与I1有唯一的对应关系,测量输出单元对I2比例换算,就可完成对电流I1的测量,最后以数字信号输出。
本实施例中,一次和二次绕组匝数比为1:2000,因此I2与I1的对应关系为:I1=2000I2,由此实现了以小测大的目标。
Claims (8)
1.一种反馈平衡式光纤电流互感器,其特征在于:包括负载线圈(8)、光源(1)、起偏器(2)、一次电流传感器(3)、检偏器(5)和光电转换器(6),还包括磁光效应的二次电流传感器(4)、二次电流线圈(9)和智能处理模块(7),
所述的一次电流传感器(3)为缠绕的磁光效应传感光纤环,所述的负载线圈(8)产生的一次电流穿过磁光效应传感光纤环,所述起偏器(2)通过保偏光纤依次与一次电流传感器(3)、二次电流传感器(4)以及检偏器(5)之间联接,所述光源(1)的出射光依次经起偏器(2)、一次电流传感器(3)、二次电流传感器(4)、检偏器(5)传播后,再经由光电转换器(6)得到一次电流的强度信号,所述二次电流线圈(9)产生的二次电流穿过二次电流传感器(4),所述的一次电流和二次电流在保偏光纤中产生的旋光作用方向相反;
所述的智能处理模块(7)包括比较处理单元、电流输出控制单元和测量信号输出单元,所述智能处理模块(7)的输入端通过隔直流单元与光电转换器输出端相联,所述比较处理单元用于对光电转换器输出动态光电压信号进行采集和比较处理,所述电流输出控制单元根据比较处理单元的结果控制二次电流线圈输出相应的电流,使得一次电流和二次电流在保偏光纤中产生的旋光效应相互抵消;所述测量信号输出单元根据比较处理单元的结果计算并输出测量得到的一次电流值。
2.根据权利要求1所述的反馈平衡式光纤电流互感器,其特征在于:所述负载线圈(8)的匝数为1~3匝。
3.根据权利要求1所述的反馈平衡式光纤电流互感器,其特征在于:所述二次电流线圈(9)的匝数为500~6000匝。
4.根据权利要求3所述的反馈平衡式光纤电流互感器,其特征在于:所述二次电流线圈(9)的匝数为2000匝。
5.根据权利要求1所述的反馈平衡式光纤电流互感器,其特征在于:所述一次电流传感器(3)和二次电流传感器(4)的结构和材料相同。
6.根据权利要求1所述的反馈平衡式光纤电流互感器,其特征在于:所述起偏器(2)的偏振方向为0°角,所述检偏器(5)的偏振方向为45°角。
7.根据权利要求1所述的反馈平衡式光纤电流互感器,其特征在于:所述光源(1)为宽光谱SLED光源,所述光电转换器(6)为PIN-FET高灵敏度光接收组件。
8.根据权利要求1所述的反馈平衡式光纤电流互感器,其特征在于:所述保偏光纤为低双折射光纤。
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