CN103278680A - 基于光纤光栅和磁致伸缩材料的可温度补偿的电流互感器及其电流检测方法 - Google Patents

基于光纤光栅和磁致伸缩材料的可温度补偿的电流互感器及其电流检测方法 Download PDF

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基于光纤光栅和磁致伸缩材料的可温度补偿的电流互感器及其电流检测方法，涉及一种互感器。第一矩形的环形铁芯和二矩形的环形铁芯均设置有气隙，第一磁致伸缩材料设置在第一矩形的环形铁芯的气隙内，第二磁致伸缩材料设置在第二矩形的环形铁芯的气隙内，第一传感探头粘贴在第一磁致伸缩材料上，第二传感探头粘贴在第二磁致伸缩材料上；电流检测方法：对第一偏置电流螺线管加偏置电流i1，对第二偏置电流螺线管加偏置电流i2；对待测电流螺线管加待测电流i3；得到第一传感探头的偏移量Δλ1和第二传感探头的偏移量Δλ2；根据Δλ1、Δλ2、中心波长λ0、弹光系数Pe、应变ε1随待测电流变化的斜率k和电场到磁场的转化效率α得到待测电流。本发明适用于测量电流值。

Description

基于光纤光栅和磁致伸缩材料的可温度补偿的电流互感器及其电流检测方法
技术领域
本发明涉及一种互感器，具体涉及一种可温度补偿的电流互感器。
背景技术
与传统电流互感器相比，基于磁致伸缩材料GMM和光纤光栅FBG的光学电流互感器具有绝缘性能优良、无暂态磁饱和、动态测量范围大、频率响应宽、抗电磁干扰能力强、体积小重量轻优点，目前成为电流互感器领域研究的热点。然而，由于FBG-GMM电流互感器对温度非常敏感，在电流的实际测量中必须消除温度的影响。目前常用的消除温度的方法是将两个光纤光栅FBG分别粘贴在GMM和一块热膨胀系数与GMM材料相近的非磁性合金上，利用两种合金热膨胀系数相近的特点，来消除温度的影响，由于两种合金热膨胀系数只是相近，并非完全相同，并且不同温度时两种合金的热膨胀系数之差也不同，因此电流互感器的测量精度受到一定的影响；另外一种常用的方法是通过测量静态工作点的方法对温度进行补偿，但是此种方法只能应用于交流电流的测量。
发明内容
本发明为了解决现有的电流互感器检测得到的电流受温度影响的问题，提出了基于光纤光栅和磁致伸缩材料的可温度补偿的电流互感器及其电流检测方法。
基于光纤光栅和磁致伸缩材料的可温度补偿的电流互感器，它包括第一矩形的环形铁芯、第二矩形的环形铁芯、第一磁致伸缩装置、第二磁致伸缩装置、第一传感探头、第二传感探头、第一偏置电流螺线管、第二偏置电流螺线管和待测电流螺线管，第一矩形的环形铁芯和第二矩形的环形铁芯的结构和形状均相同，所述第一矩形的环形铁芯和第二矩形的环形铁芯镜像对称设置，第一磁致伸缩装置和第二磁致伸缩装置的材料相同，第一传感探头和第二传感探头的材料和中心波长都相同，
第二矩形的环形铁芯位于第一矩形的环形铁芯的右侧，且二者之间设置有宽度为3mm～30mm的间隙，，第一矩形的环形铁芯的右侧壁设置有气隙，第二矩形的环形铁芯的左侧壁设置有气隙，且所述两个气隙位于同一个位置；
第一磁致伸缩装置设置在第一矩形的环形铁芯的气隙内，其上端与第一矩形的环形铁芯的气隙的上端面固定，下端与该气隙的下端面留有间隙，间隙为0.1mm～2mm，第二磁致伸缩装置设置在第二矩形的环形铁芯的气隙内，其上端与第二矩形的环形铁芯的气隙的上端面固定，下端与该气隙的下端面留有间隙，间隙为0.1mm～2mm，且第一磁致伸缩装置和第二磁致伸缩装置平行放置，第一传感探头FBG1粘贴在第一磁致伸缩装置上，第二传感探头粘贴在第二磁致伸缩装置上，第一偏置电流螺线管套在第一矩形的环形铁芯的侧壁上，第二偏置电流螺线管套在第二矩形的环形铁芯的侧壁上，待测电流螺线管同时套在第一矩形的环形铁芯和第二矩形的环形铁芯相邻的侧壁上。
基于光纤光栅和磁致伸缩材料的可温度补偿的电流互感器的电流检测方法：
步骤一：对第一偏置电流螺线管加偏置电流i1，对第二偏置电流螺线管加偏置电流i2，，使第一矩形的环形铁芯处产生的磁场与第二矩形的环形铁芯处产生的磁场大小相同、且方向相反，使到第一磁致伸缩装置和第二磁致伸缩装置产生径向应变ε0，此时对应的第一传感探头和第二传感探头的中心波长为λ0；
步骤二：对待测电流螺线管加待测电流i3，使得第一磁致伸缩装置和第二磁致伸缩装置的应变发生变化，从而使得第一传感探头和第二传感探头相对于静态工作点的中心波长λ0均发生变化，分别得到中心波长偏移量Δλ1和中心波长偏移量Δλ2；
步骤三：根据中心波长偏移量Δλ1、Δλ2、中心波长λ0、弹光系数Pe、应变ε1随待测电流变化的斜率k和电场到磁场的转化效率α得到待测电流。
本发明所述的电流互感器检测出的电流不但适用于交流电流的测量，而且适用于直流电流的测量；并且应用本发明进行电流检测可完全消除温度的影响。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的基于光纤光栅和磁致伸缩材料的可温度补偿的电流互感器的结构示意图；
图2为FBG1-GMM1和FBG2-GMM2的静态工作点示意图；
图3为第一磁致伸缩装置GMM1以静态工作点Q1为原点的应变ε1的坐标示意图；
图4为第二磁致伸缩装置GMM2以静态工作点Q2为原点的应变ε2的坐标示意图；
图5为不加待测电流时第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2的中心波长的坐标示意图；
图6为加正向电流时，第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2的中心波长的变化坐标示意图，其中曲线A为第一传感探头FBG1的中心波长变化后的反射谱曲线，曲线B为第二传感探头FBG2的中心波长变化后的反射谱曲线；
图7为加反向电流时，第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2的中心波长的变化坐标示意图，其中曲线C为第二传感探头FBG2的中心波长变化后的反射谱曲线，曲线D为第一传感探头FBG1的中心波长变化后的反射谱曲线；
图8是具体实施方式三所述的电流检测方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于光纤光栅和磁致伸缩材料的可温度补偿的电流互感器，它包括第一矩形的环形铁芯1、第二矩形的环形铁芯2、第一磁致伸缩装置GMM1、第二磁致伸缩装置GMM2、第一传感探头FBG1、第二传感探头FBG2、第一偏置电流螺线管3、第二偏置电流螺线管4和待测电流螺线管5，第一矩形的环形铁芯1和第二矩形的环形铁芯2的结构和形状均相同，所述第一矩形的环形铁芯1和第二矩形的环形铁芯2镜像对称设置，第一磁致伸缩装置GMM1和第二磁致伸缩装置GMM2的材料相同，第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2的材料和中心波长都相同，
第二矩形的环形铁芯2位于第一矩形的环形铁芯1的右侧，且二者的间隔在3mm～30mm之间，第一矩形的环形铁芯1的右侧壁设置有气隙，第二矩形的环形铁芯2的左侧壁设置有气隙，且所述两个气隙位于同一个位置；
第一磁致伸缩装置GMM1设置在第一矩形的环形铁芯1的气隙内，其上端与第一矩形的环形铁芯1的气隙的上端面固定，下端与该气隙的下端面留有间隙，间隙在0.1mm～2mm之间，第二磁致伸缩装置GMM2设置在第二矩形的环形铁芯2的气隙内，其上端与第二矩形的环形铁芯2的气隙的上端面固定，下端与该气隙的下端面留有间隙，间隙在0.1mm～2mm之间，且第一磁致伸缩装置GMM1和第二磁致伸缩装置GMM2平行放置，第一传感探头FBG1粘贴在第一磁致伸缩装置GMM1上，第二传感探头FBG2粘贴在第二磁致伸缩装置GMM2上，第一偏置电流螺线管3套在第一矩形的环形铁芯上，第二偏置电流螺线管4套在第二矩形的环形铁芯上，待测电流螺线管5同时套在第一矩形的环形铁芯1和第二矩形的环形铁芯2相邻的侧壁上。
本实施方式所述的第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2应尽可能靠近，即第一传感探头FBG1应贴在第一磁致伸缩装置GMM1的右侧，第二传感探头FBG2应贴在第二磁致伸缩装置GMM2的左侧。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于光纤光栅和磁致伸缩材料的可温度补偿的电流互感器的进一步限定，所述第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2均为光纤光栅。
具体实施方式三：参见图8说明本实施方式，基于光纤光栅和磁致伸缩材料的可温度补偿的电流互感器的电流检测方法：
步骤一：对第一偏置电流螺线管3加偏置电流i1，对第二偏置电流螺线管4加偏置电流i2，使第一矩形的环形铁芯处产生的磁场与第二矩形的环形铁芯处产生的磁场大小相同、且方向相反，使到第一磁致伸缩装置GMM1和第二磁致伸缩装置GMM2产生径向应变ε0，此时对应的第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2的中心波长为λ0；
步骤二：对待测电流螺线管5加待测电流i3，使得第一磁致伸缩装置GMM1和第二磁致伸缩装置GMM2的应变发生变化，从而使得第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2相对于静态工作点的中心波长λ0均发生变化，分别得到中心波长偏移量Δλ1和中心波长偏移量Δλ2；
步骤三：根据中心波长偏移量Δλ1、Δλ2、中心波长λ0、弹光系数Pe、应变ε1随待测电流变化的斜率k和电场到磁场的转化效率α得到待测电流。
本实施方式是为了使偏置电流i1在第一磁致伸缩装置GMM1处产生的磁场和偏置电流i2在第二磁致伸缩装置GMM2处产生的磁场大小相同、方向相反，用-H0和H0，待测电流i3同时加在两个铁芯上，且在第一磁致伸缩装置GMM1和第二磁致伸缩装置GMM2产生的磁场相同，用H表示，H＝αi3，其中α为电场到磁场的转化效率。
应用本发明所述的电流互感器检测得到的电流不受温度影响的工作原理为：
由于本发明应用的磁致伸缩材料GMM的径向应变是外界磁场的偶函数，当只加偏置磁场时，第一磁致伸缩装置GMM1和第二磁致伸缩装置GMM2的径向应变相同，用ε0表示，第一磁致伸缩装置GMM1和第二磁致伸缩装置GMM2的径向应变与所处磁场的大小有关，而第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2的中心波长也相同，用λ0表示，传感探头中心波长随磁致伸缩装置的径向应变而变化。Q1(-H0，ε0，λ0)为第一磁致伸缩装置GMM1和第一传感探头FBG1的组合FBG1-GMM1的静态工作点，Q2(H0，ε0，λ0)为第二磁致伸缩装置GMM2和第二传感探头FBG2的组合FBG2-GMM2的静态工作点，如图2所示。
当铁芯中加待测电流时，第一磁致伸缩装置GMM1和第二磁致伸缩装置GMM2将应变ε0为中心伸长或收缩，相应的第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2的中心波长将以λ0为中心分别向长波和短波方向移动，如图5、6和7所示。
当铁芯中加待测电流时，在线性变化范围内第一磁致伸缩装置GMM1和第二磁致伸缩装置GMM2相对于静态工作点ε0的应变ε1和ε2分别可表示为
ε1＝-kH＝-kαi3              (1)
ε2＝kH＝kαi3                (2)
其中，k和-k分别表示应变ε1和ε2随待测电流变化的斜率(见图2、3和4)。公式(1)和(2)表明，当所测电流为正时，第一磁致伸缩装置GMM1的应变将收缩，而第二磁致伸缩装置GMM2将伸长。当待测电流为负时，恰好相反，第一磁致伸缩装置GMM1将伸长，第二磁致伸缩装置GMM2将收缩。
由于第一磁致伸缩装置GMM1和第二磁致伸缩装置GMM2的材料相同，温度对它们的影响是相同的。假设测量电流的过程中，环境温度产生了变化，温差变化为ΔT，则第一磁致伸缩装置GMM1和第二磁致伸缩装置GMM2的应变公式(1)和(2)应修改为
ε1＝βΔT-kαi3              (3)
ε2＝βΔT+kαi3              (4)
其中，β为磁致伸缩装置GMM的材料的热膨胀系数。
根据传感探头FBG波长变化随磁致伸缩装置GMM径向应变的变化关系，第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2的中心波长的偏移量Δλ1和Δλ2随第一磁致伸缩装置GMM1和第二磁致伸缩装置GMM2的应变ε1和ε2的变化可表示为
Δλ1＝(1-Pe)λ0ε1              (5)
Δλ2＝(1-Pe)λ0ε2              (6)
其中，Pe为弹光系数。将公式(3)和(4)分别代入公式(5)和(6)得
Δλ1＝(1-Pe)λ0βΔT-(1-Pe)λ0kαi3        (7)
Δλ2＝(1-Pe)λ0βΔT+(1-Pe)λ0kαi3        (8)
公式(7)和(8)表明温度变化对第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2中心波长的影响相同，而待测电流对第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2中心波长的影响恰好相反。因此，可以对第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2中心波长的变化做差来消除温度变化对电流测量结果的影响。第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2的中心波长之差可表示为
Δλ＝Δλ2-Δλ1＝2(1-Pe)λ0kαi3        (9)
公式(9)表明，第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2的中心波长之差与电流成正比，而与温度的变化无关。通过测量第一传感探头FBG1和第二传感探头FBG2的中心波长之差就可以准确获得待测电流，不需要考虑测量过程中温度的变化。
针对实际电线电流的测量，我们将图1所示的电路互感器结构的左右铁芯折叠，使被测电线垂直穿过两铁芯重叠区的中心P，保证被测电线在两铁芯中产生的磁场相同。

Claims (3)

1.基于光纤光栅和磁致伸缩材料的可温度补偿的电流互感器，其特征在于，它包括第一矩形的环形铁芯(1)、第二矩形的环形铁芯(2)、第一磁致伸缩装置(GMM1)、第二磁致伸缩装置(GMM2)、第一传感探头(FBG1)、第二传感探头(FBG2)、第一偏置电流螺线管(3)、第二偏置电流螺线管(4)和待测电流螺线管(5)，第一矩形的环形铁芯(1)和第二矩形的环形铁芯(2)的结构和形状均相同，所述第一矩形的环形铁芯(1)和第二矩形的环形铁芯(2)镜像对称设置，第一磁致伸缩装置(GMM1)和第二磁致伸缩装置(GMM2)的材料相同，第一传感探头(FBG1)和第二传感探头(FBG2)的材料和中心波长都相同，
第二矩形的环形铁芯(2)位于第一矩形的环形铁芯(1)的右侧，且二者的间隔在3mm～30mm之间，第一矩形的环形铁芯(1)的右侧壁设置有气隙，第二矩形的环形铁芯(2)的左侧壁设置有气隙，且所述两个气隙位于同一个位置；
第一磁致伸缩装置(GMM1)设置在第一矩形的环形铁芯(1)的气隙内，其上端与第一矩形的环形铁芯(1)的气隙的上端面固定，下端与该气隙的下端面留有间隙，间隙在0.1mm～2mm之间，第二磁致伸缩装置(GMM2)设置在第二矩形的环形铁芯(2)的气隙内，其上端与第二矩形的环形铁芯(2)的气隙的上端面固定，下端与该气隙的下端面留有间隙，间隙在0.1mm～2mm之间，且第一磁致伸缩装置(GMM1)和第二磁致伸缩装置(GMM2)平行放置，第一传感探头(FBG1)粘贴在第一磁致伸缩装置(GMM1)上，第二传感探头(FBG2)粘贴在第二磁致伸缩装置(GMM2)上，第一偏置电流螺线管(3)套在第一矩形的环形铁芯上，第二偏置电流螺线管(4)套在第二矩形的环形铁芯上，待测电流螺线管(5)同时套在第一矩形的环形铁芯(1)和第二矩形的环形铁芯(2)相邻的侧壁上。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅和磁致伸缩材料的可温度补偿的电流互感器，其特征在于，所述第一传感探头(FBG1)和第二传感探头(FBG2)均为光纤光栅。
3.权利要求1所述的基于光纤光栅和磁致伸缩材料的可温度补偿的电流互感器的电流检测方法，其特征在于，所述方法为：
步骤一：对第一偏置电流螺线管(3)加偏置电流i1，对第二偏置电流螺线管(4)加偏置电流i2，使第一矩形的环形铁芯处产生的磁场与第二矩形的环形铁芯处产生的磁场大小相同、且方向相反，使到第一磁致伸缩装置(GMM1)和第二磁致伸缩装置(GMM2)产生径向应变ε0，此时对应的第一传感探头(FBG1)和第二传感探头(FBG2)的中心波长为λ０；
步骤二：对待测电流螺线管(5)加待测电流i3，使得第一磁致伸缩装置(GMM1)和第二磁致伸缩装置(GMM2)的应变发生变化，从而使得第一传感探头(FBG1)和第二传感探头(FBG2)相对于静态工作点的中心波长λ0均发生变化，分别得到中心波长偏移量Δλ1和中心波长偏移量Δλ２；
步骤三：根据中心波长偏移量Δλ1、Δλ２、中心波长λ０、弹光系数Pe、应变ε1随待测电流变化的斜率k和电场到磁场的转化效率α得到待测电流。
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