CN104237597A - 一种三相一体式全光纤电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相一体式全光纤电流互感器，包括光源以及与光源连接的分光器，还包括与分光器同时连接的第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器，第一相位调制器依次连接有第一延迟线圈和第一敏感元件，第二相位调制器依次连接有第二延迟线圈和第二敏感元件，第三相位调制器依次连接有第三延迟线圈和第三敏感元件；分光器在返回光路上的输出端依次连接有光电探测器和数字信号采集处理电路，数字信号采集处理电路分别闭环反馈连接第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器。本发明通过一套设备即可同时完成三相电流的测量，并大大减少了光学器件及电路设备的每相使用数量，降低了成本，提高了整套设备的集成度。

Description

一种三相一体式全光纤电流互感器

技术领域

本发明涉及一种电力设备技术领域，特别是一种三相一体式全光纤电流互感器。

背景技术

电流互感器是电力系统中继电保护与电能计量的重要设备，用来测量传输中的电流大小，并将测量到的电流大小发送至测量仪器和继电保护装置。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。传统的电磁式电流互感器在常规输变电中长期应用，但存在绝缘复杂、磁饱和、抗电磁干扰性能差、有爆炸、二次开路危险等缺点，随着我国电网电压等级的升高，这些问题日益突出且其暂态性能和频率特性已不能满足快速继电保护的需求。全光纤电流互感器基于法拉第磁光效应及安培环路定律，采用数字控制技术，具有安全、准确、交直流兼容测量等特点，适应智能电网的新需求。

全光纤电流互感器的光源经入射光路、敏感元件和返回光路后，生成携带相位差信息的光被光电探测器转为电信号，再对该电信号进行采集和信号处理，由于敏感元件设置于导体磁场中发生法拉第磁光效应，相位差与导体中的磁场强度成正比，而磁场强度与电流强度成正比，从而得到被测电流的大小并输出。每套全光纤电流互感器生成的是携带单相的相位差信息，最终得到的也是单相电流的大小。在变电站中进行三相电流监测时，通常是把三套全光纤电流互感器编为一组，即将它们放在同一间隔，每套全光纤电流互感器进行单相电流的测量并输出。由于全光纤电流互感器作为一种新兴技术，目前全光纤电流互感器的成本相对较高，主要的材料成本体现在其光学器件上，采用三套全光纤电流互感器组合更是导致成本成三倍增涨，使得用户很难接受，从而限制了应用。而且通过三套全光纤电流互感器组合进行三相电流测量，还存在集成度低，占地面积大的缺点，无法满足智能变电站的要求。

发明内容

本发明针对现有的全光纤电流互感器进行三相电流测量时整体成本过高以及集成度低等问题，提供一种新型的三相一体式全光纤电流互感器，通过一套设备即可同时完成三相电流的测量，并大大减少了光学器件及电路设备的每相使用数量，降低了成本，减小了体积，提高了整套设备的集成度和可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种三相一体式全光纤电流互感器，包括光源以及与光源连接的分光器，其特征在于，还包括与分光器同时连接的第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器，所述第一相位调制器依次连接有第一延迟线圈和第一敏感元件，所述第一敏感元件包括依次连接的第一1/4波片、第一传感光纤环和第一反射镜，所述第一1/4波片连接第一延迟线圈；所述第二相位调制器依次连接有第二延迟线圈和第二敏感元件，所述第二敏感元件包括依次连接的第二1/4波片、第二传感光纤环和第二反射镜，所述第二1/4波片连接第二延迟线圈；所述第三相位调制器依次连接有第三延迟线圈和第三敏感元件，所述第三敏感元件包括依次连接的第三1/4波片、第三传感光纤环和第三反射镜，所述第三1/4波片连接第三延迟线圈；所述分光器在返回光路上的输出端依次连接有光电探测器和数字信号采集处理电路，所述数字信号采集处理电路分别闭环反馈连接第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器。

所述光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源分别连接至分光器；还包括恒光控制电路，所述恒光控制电路的输入端与数字信号采集处理电路相连，所述恒光控制电路的输出端同时与第一光源和第二光源相连。

所述数字信号采集处理电路包括相互连接的AD采样电路和数字信号处理电路，所述AD采样电路与光电探测器相连，所述数字信号处理电路同时连接第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器，所述数字信号处理电路还与恒光控制电路相连。

所述数字信号处理电路基于时分复用技术分别控制第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器进行±π/2方波调制从而分别得到三相电流信息。

所述第一延迟线圈、第二延迟线圈和第三延迟线圈的长度各不相同，所述数字信号处理电路分别控制第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器进行±π/2方波调制从而分别得到三相电流信息。

所述分光器采用3×3光纤耦合器。

所述分光器采用1×2分束器的合束臂与1×3分束器的合束臂熔接形成的2×3光纤耦合器。

本发明的技术效果如下：

本发明提供的三相一体式全光纤电流互感器，通过设置与分光器同时连接的三条支路，使得光源发出的光经过分光器后分成均等的三份进入三个相位调制器，每条支路都是通过各自的相位调制器变成相互垂直的两个线偏振光，经过各自的延迟线圈进入各自敏感元件变成圆偏振光，根据法拉第磁光效应，穿过各敏感元件的待测导体电流的磁场会引起各敏感元件中的两束旋转方向相反的圆偏振光的相位变化，即产生相位差，三相电流信息分别加载在三个敏感元件的偏振光上，经敏感元件的反射镜反射返回，从敏感元件出来的光转换为携带相位差信息的线偏振光，三条支路返回光路上均携带了单相的相位差信息并经各自的相位调制器汇合至分光器，再由光电探测器将各路的携带相位差信息的光分别转化为携带相位差信息的电信号，通过数字信号采集处理电路对三路电信号进行采样和数据处理，三路单相的携带相位差信息的电信号均与单相电流有关，故数字信号采集处理电路能够分别得到A、B、C三相电流信息。通过一套三相一体式的全光纤电流互感器设备即可同时完成三相电流的测量，避免了变电站中进行三相电流监测时将三套全光纤电流互感器编为一组而导致整体成本暴涨以及集成度低和占地面积大的问题；本发明可以理解为是将三套传统的单相的全光纤电流互感器的各组成器件进行整合及复用形成一套三相一体式的全光纤电流互感器设备，较大程度减少了光学器件及电路设备的每相使用数量，降低了成本，提高了设备集成度。相对于三套传统的单相电流测量的全光纤电流互感器的组合，本发明减少了两个光电探测器、两个分束器，并减少了两个数字信号采集处理电路以及光源等器件，成本优势明显，设备集成度较高，集成后的三相一体式的全光纤电流互感器占地面积缩小，结构也比较简单，并且提高了全光纤电流互感器的工作效率，能够满足智能变电站的要求，有利于被推广应用。

本发明三相一体式的全光纤电流互感器中的光源可以配置为双光源，各光源均通过恒光控制电路与数字信号采集处理电路中的数字信号处理电路相连，通过数字信号处理电路控制恒光控制电路来实现对双光源的控制，可以同时实现高可靠和高稳定的光功率输出，故能够提高系统可靠性。而且，采用双光源的配置，整套三相一体式的全光纤电流互感器设备中的平均使用数量仍然远小于传统的单相电流测量的全光纤电流互感器，而可靠性却高于传统的单相电流测量的全光纤电流互感器。故本发明的三相一体式的全光纤电流互感器具有降低成本，减小体积，提高集成度和可靠性的优点。

附图说明

图1为本发明三相一体式全光纤电流互感器的结构示意图。

图2为本发明三相一体式全光纤电流互感器的优选结构示意图。

图3为本发明三相一体式全光纤电流互感器的另一种优选结构示意图。

图4为各相位调制器的工作原理图。

图5为数字信号处理电路的工作示意图。

图中各标号列示如下：

1－光源；11－第一光源；12－第二光源；2－分光器；31－第一相位调制器；41－第一延迟线圈；51－第一敏感元件；511－第一1/4波片；512－第一传感光纤环；513－第一反射镜；32－第二相位调制器；42－第二延迟线圈；52－第二敏感元件；521－第二1/4波片；522－第二传感光纤环；523－第二反射镜；33－第三相位调制器；43－第三延迟线圈；53－第三敏感元件；531－第三1/4波片；532－第三传感光纤环；533－第三反射镜；6－光电探测器；7－数字信号采集处理电路；71－AD采样电路；72－数字信号处理电路；8－恒光控制电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种三相一体式全光纤电流互感器，用于电力系统中的三相电流测量，该三相一体式全光纤电流互感器的结构如图1所示，包括光源1以及与光源1连接的分光器2，还包括与分光器2同时连接三条支路，第一条支路依次为：第一相位调制器31、第一延迟线圈41和第一敏感元件51，其中，第一敏感元件51包括依次连接的第一1/4波片511、第一传感光纤环512和第一反射镜513，第一1/4波片511连接第一延迟线圈41；第二条支路依次为：第二相位调制器32、第二延迟线圈42和第二敏感元件52，其中，第二敏感元件52包括依次连接的第二1/4波片521、第二传感光纤环522和第二反射镜523，第二1/4波片521连接第二延迟线圈42；第三条支路依次为：第三相位调制器33、第三延迟线圈43和第三敏感元件53，其中，第三敏感元件53包括依次连接的第三1/4波片531、第三传感光纤环532和第三反射镜533，第三1/4波片531连接第三延迟线圈43；还包括在返回光路上的分光器2的输出端依次连接的光电探测器6和数字信号采集处理电路7，数字信号采集处理电路7分别闭环反馈连接第一相位调制器31、第二相位调制器32和第三相位调制器33。

光源1发出的光经过分光器2，分成均等的三份进入三条支路，首先分别进入三个相位调制器，以第一条支路为例，第一相位调制器31通过内部的偏振器将光源的自然光变成线偏振光，再根据数字信号采集处理电路7输出的信号控制第一相位调制器31调制偏振光的工作点，经过第一相位调制器31对线偏振光进行相位调制后变成两束偏振方向相互垂直的线偏振光，再经过第一延迟线圈41进入敏感元件51。第一延迟线圈41的尾纤与敏感元件51中的第一1/4波片511的尾纤之间按照45°熔接。线偏振光经过第一1/4波片511后变成圆偏振光，从而第一传感光纤环512中有两束方向相反的圆偏振光传播。当导体中无电流时，两束圆偏振光的传播速度相等，相位差为零。当导体中有电流时，在待测A相电流的磁场作用下，一束圆偏振光变快，另一束方向相反的圆偏振光变慢。在第一传感光纤环512中传播一段时间后，会出现相位差，根据安培环路定律，该相位差与待测A相电流成正比。这种法拉第磁光效应是非互易的，因而光传播到第一传感光纤环512末端的第一反射镜513反射返回时，此种效应加倍，相位差是单程的二倍。圆偏振光返回时经过第一1/4波片511又转换为线偏振光，但是其偏振角与入射的线偏振光已经出现偏差，即此时的线偏振光已经携带了待测A相电流信息。经过第一调制解调器31中的偏振器时，光强随着偏振角会出现变化，经过分光器2送入光电探测器6时，转换出的电流也会出现变化。数字信号采集处理电路7对光电探测器接收光强转换出的电流进行采集检测，换算出待测导体中的A相电流信息。另外两条支路的工作原理和第一条支路相同，根据法拉第磁光效应，穿过各敏感元件的待测导体电流的磁场会引起敏感元件中的两束旋转方向相反的圆偏振光的相位变化，A、B、C三相电流信息分别加载在三个敏感元件的偏振光上，通过各支路上所对应的相位调制器进行相位调制，可调制在不同的工作点上，并经过分光器2汇聚，传递到光电探测器6后转换成电信号输入到数字信号采集处理电路7进行解调处理，分别得到待测导体的A、B、C三相电流信息。

图2为本发明三相一体式全光纤电流互感器的优选结构示意图，该实施例采用了双光源，即光源包括第一光源11和第二光源12，第一光源11和第二光源12分别连接至分光器2；还包括恒光控制电路8，恒光控制电路8的输入端与数字信号采集处理电路7相连，恒光控制电路8的输出端同时与第一光源11和第二光源12相连。双光源发出的光汇合至分光器2后再分成均等的三份进入三条支路，双光源的配置提高了光路中的光强，更有利于被测电流的测量。数字信号采集处理电路7包括相互连接的AD采样电路71和数字信号处理电路72，AD采样电路71与光电探测器6相连，数字信号处理电路72同时连接第一相位调制器31、第二相位调制器32和第三相位调制器33，通过AD采样电路71采集光电探测器所转化的携带电流信息的电信号并传输至数字信号处理电路72进行数据信息处理和闭环反馈至各相位调制器，由数字信号处理电路72进行电流补偿相位以及被测电流信息的计算。数字信号处理电路72还与恒光控制电路8相连，通过数字信号处理电路72来控制恒光控制电路8实现双光源的高可靠和高稳定的光功率输出，从而提高系统可靠性。需要说明的是，对于图1所示的采用一个光源的全光纤电流互感器的结构也可以采用恒光控制电路，设置恒光控制电路分别与数字信号采集处理电路和光源相连。

全光纤电流互感器的光电探测器接收光功率的传递函数为其中K是包含光路所有损耗的比例因子，P₀是光源的光强，φ_f是与待测电流成正比的法拉第相移，是给相位调制器施加的相移。从上述公式可知光电探测器接收的光功率是一个余弦函数，如图4所示，如果不给相位调制器施加调制，即则P＝KP₀[1+cos(φ_f)]，因为φ_f趋近0，当φ_f有变化时，光强P不会出现明显变化，如图4中幅度最高点所示，待测电流变化的信息在光功率上基本无法体现。如果要完全抑制此种信息传递，可设定该相调制器的调制幅度 则P＝KP₀[1+cos(0)]＝2KP₀，光功率完全不体现待测电流信息。如果设定则P＝KP₀[1-sin(φ_f)]；如果则P＝KP₀[1+sin(φ_f)]，此时，当φ_f有变化时，光功率均会出现明显变化，即一次电流变化的信息可传递到光电探测器。当导体中电流I＝0时，法拉第相移φ_f＝0，则时，P＝KP₀[1+cos(±π/2)]＝KP₀，为一个相同的常数，且在±π/2方波转换时有瞬间的脉冲信号；当导体中电流I≠0时，法拉第相移φ_f≠0，则时，P＝KP₀[1+cos(φ_f±π/2)]，为两个不同的数值，±π/2方波转换的过渡时间极短，两个数值转换之间有瞬间的脉冲信号。

数字信号采集处理电路7同时输出三路调制信号分别对应到三个相位调制器，根据数字信号采集处理电路7输出的信号控制各相位调制器调制偏振光的工作点，具体地，数字信号处理电路72可以基于时分复用技术分别控制第一相位调制器31、第二相位调制器32和第三相位调制器33进行±π/2方波调制从而分别得到A、B、C三相电流信息。图5为数字信号处理电路72的工作示意图。当某一相的调制工作点在最高灵敏度时，数字信号处理电路72将其它两相调制工作点设置在最低灵敏度，理论上最低灵敏度为零.所以光电探测器中汇聚了三路光信号，但是任一时刻只有相位调制器的调制工作点最高的那一路电流信息被解析出来。给三相一体式全光纤电流互感器分配不同的工作时间段，利用时分复用技术设计三相一体式全光纤电流互感器，达到器件复用的效果，降低成本，提高设备集成度。

以接收A相电流信息为例，当处于A相的工作时间段t1时，根据数字信号处理电路72对调制信号的控制，此时A点工作在余弦曲线的最大灵敏度工作点处，即斜率的绝对值最大点，B相和C相工作在余弦曲线的最小灵敏度工作点处，即斜率的绝对值最小点处，理论上为0。也就是说，第一相位调制器31进行A相调制(可称为A相调制器)，设定A相调制器施加调制幅度第二相位调制器32进行B相调制(可称为B相调制器)，对B相调制器施加调制幅度第三相位调制器33进行C相调制(可称为C相调制器)，对C相调制器施加调制幅度其中φ_f-B为B相的法拉第相移，φ_f-C为C相的法拉第相移。经过上述的调制后，光电探测器6接收到的三相光强的叠加，A相的电流信息被放大，B相和C相的电流信息被抑制。则光电探测器接收到的光功率为：

P＝1/3*KP₀[1±sin(φ_f-A)]+2/3*KP₀+2/3*KP₀＝1/3*KP₀[5±sin(φ_f-A)]

其中，φ_f–A是A相法拉第相移，公式中“1/3”是指光源功率分到3条支路各有1/3的光功率。此时光电探测器接收到的光功率只体现A相电流信息。经过数字信号处理电路进行简单的信号计算处理后可以得出A相的电流信息。

依次类推，当处于B相的工作时间段t2时，数字信号处理电路输出信号控制A相的调制工作点为-φ_f-A,B相的调制工作点为±π/2，C相的调制工作点为-φ_f-C。与上述同理，在t2时间段可得到B相电流信息。当处于C相的工作时间段t3时，数字信号处理电路输出信号控制A相的调制工作点为-φ_f-A,B相的调制工作点为-φ_f-B，C相的调制工作点为±π/2。与上述同理，在t3时间段可得到C相电流信息。得到三相电流信息后可以先锁存，在t4时间段输出。

数字信号处理电路72也可以不采用时分复用的方式处理，如图3所示的本发明三相一体式全光纤电流互感器的另一种优选结构示意图。该实施例中的A、B、C三相的支路所对应的延迟线圈长度不等长。设L_A，L_B，L_C为三条支路延迟线圈的光纤长度，为便于解调计算，优选各延迟线圈的光纤长度之间呈大于1的整数倍关系，例如，令L_B＝NL_A,L_c＝NL_B，N为大于1的正整数，则三支路各自的相位调制器的调制频率不同，调制频率与延迟线圈的光纤长度成反比。由于三个支路为对称结构，其它类似的比例关系如“L_A＝NL_B,L_c＝NL_A”或“L_C＝NL_A,L_B＝NL_C”等等也包含在此种描述范围内。图3所示该实施例是设置通过设置互不相同的三条支路延迟线圈的光纤长度，从而使得数字信号处理电路72对三个相位调制器分别施加不同的调制频率f_A，f_B，f_C，也可以达到图2所示器件时分复用的效果。数字信号处理电路72对三个相位调制器分别施加不同的调制频率f_A，f_B，f_C并且调制幅度不变，即控制各相位调制器进行±π/2方波调制从而分别得到A、B、C三相电流信息。

本发明的三相一体式全光纤电流互感器的光源的数量可以为一个或两个，光电探测器的使用数量为一个，数字信号采集处理电路的使用数量为一个，一套三相一体式全光纤电流互感器的器件使用数量远小于三套传统的单相全光纤电流互感器的器件使用数量之和。其中，如图2和图3所示实施例，分光器2可以采用3×3光纤耦合器，该3×3光纤耦合器与两个光源和一个光电探测器以及三条支路配合工作，该配置的系统可靠性较高。当只采用一个光源和一个光电探测器时，此时分光器2既可以采用3×3光纤耦合器，也可以采用一个1×2分束器(或耦合器)与一个1×3分束器(或耦合器)通过反向熔接形成的2×3光纤耦合器，其实质为是将1×2分束器的合束臂与1×3分束器的合束臂熔接形成的2×3光纤耦合器，使用2×3光纤耦合器可以提高光源功率的使用效率。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (7)

1.一种三相一体式全光纤电流互感器，包括光源以及与光源连接的分光器，其特征在于，还包括与分光器同时连接的第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器，所述第一相位调制器依次连接有第一延迟线圈和第一敏感元件，所述第一敏感元件包括依次连接的第一1/4波片、第一传感光纤环和第一反射镜，所述第一1/4波片连接第一延迟线圈；所述第二相位调制器依次连接有第二延迟线圈和第二敏感元件，所述第二敏感元件包括依次连接的第二1/4波片、第二传感光纤环和第二反射镜，所述第二1/4波片连接第二延迟线圈；所述第三相位调制器依次连接有第三延迟线圈和第三敏感元件，所述第三敏感元件包括依次连接的第三1/4波片、第三传感光纤环和第三反射镜，所述第三1/4波片连接第三延迟线圈；所述分光器在返回光路上的输出端依次连接有光电探测器和数字信号采集处理电路，所述数字信号采集处理电路分别闭环反馈连接第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器。

2.根据权利要求1所述的三相一体式全光纤电流互感器，其特征在于，所述光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源分别连接至分光器；还包括恒光控制电路，所述恒光控制电路的输入端与数字信号采集处理电路相连，所述恒光控制电路的输出端同时与第一光源和第二光源相连。

3.根据权利要求2所述的三相一体式全光纤电流互感器，其特征在于，所述数字信号采集处理电路包括相互连接的AD采样电路和数字信号处理电路，所述AD采样电路与光电探测器相连，所述数字信号处理电路同时连接第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器，所述数字信号处理电路还与恒光控制电路相连。

4.根据权利要求3所述的三相一体式全光纤电流互感器，其特征在于，所述数字信号处理电路基于时分复用技术分别控制第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器进行±π/2方波调制从而分别得到三相电流信息。

5.根据权利要求3所述的三相一体式全光纤电流互感器，其特征在于，所述第一延迟线圈、第二延迟线圈和第三延迟线圈的长度各不相同，所述数字信号处理电路分别控制第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器进行±π/2方波调制从而分别得到三相电流信息。

6.根据权利要求1或2所述的三相一体式全光纤电流互感器，其特征在于，所述分光器采用3×3光纤耦合器。

7.根据权利要求1所述的三相一体式全光纤电流互感器，其特征在于，所述分光器采用1×2分束器的合束臂与1×3分束器的合束臂熔接形成的2×3光纤耦合器。