CN104515886B - 一种电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种电流互感器，包括上位电流检测单元(1)，绝缘壳体(2)，下位接收处理单元(3)，光信号发送单元(4)和光信号接收单元(5)；绝缘壳体(2)内部充有绝缘气体；上位电流检测单元(1)，用于从被测高压电缆中采集电流信息，并将其转换为含有该电流信息的光信号；光信号发送单元(4)，用于对转换得到的光信号进行整形、准直处理；光信号接收单元(5)，用于对光信号进行收集、会聚处理；下位接收处理单元(3)，用于处理光信号接收单元(5)接收到的光信号，并将该光信号转换为与电流对应的数据。采用本发明，实现了电流互感器适应高压和特高压工作环境的良好特性，减少了光信号在传输过程中受到的影响。

Description

一种电流互感器

技术领域

本发明涉及电力系统送变电领域，尤其涉及一种高压电流互感器。

背景技术

电流互感器是电力系统中电能计量与继电保护的重要设备。电力系统对其长期工作的安全性、可靠性有着严格的要求。目前常用的电流互感器主要为电磁类电流互感器和光纤类电流互感器。

传统的电磁式电流互感器运用了电磁感应的原理从高压电缆中采集电流信息。但其存在着一些固有的缺陷，如沉重的铁芯和铜绕组，易发生铁磁谐振，磁饱和现象，需充油，存在二次开路隐患等。尤其是高压侧与二次侧、铁芯之间的绝缘是个一直未能解决的难题，电压越高，绝缘难度就越突出。

光纤类电流互感器可以克服上述传统电磁式电流互感器存在的大部分缺陷，如重量大，易发生铁磁谐振、磁饱和现象，需充油，存在二次开路隐患等。

目前的光纤类电流互感器的结构示意图可以如图1所示，其可以包括：上位电流检测单元1’、光纤2’、陶瓷绝缘壳体3’、下位接收处理单元4’；其中：

上位电流检测单元1’用于采集被测电缆的电流信息，并将采集到的电流信息转换为光信号，并通过光纤2’将光信号传输到下位接收处理单元4’，由下位接收处理单元4’根据该光信号处理得到被测电缆的电流信息。

然而实践发现，由于光纤在30kV以上其表面就容易发生爬电现象；在发生爬电现象后，光纤外表面会留下被碳化的电痕化导电路径，多次放电将使电痕化现象加重，最终导致光纤外表面的绝缘材料的击穿，严重降低其绝缘性能，导致光纤类电流互感器故障，甚至发生事故。所以目前的光纤类光学电流互感器无法适应高压和特高压工作环境；同时，由于光纤类光学传感器通过光纤传输光信号，光纤本身也会使光信号产生畸变。

发明内容

本发明实施例公开了一种电流互感器，能够适应高压和特高压工作环境，并可同时减少光信号在传输过程中受到的影响。

为了达到目的，本发明实施例提供了一种电流互感器，包括上位电流检测单元1，绝缘壳体2，以及下位接收处理单元3，其特征在于，还包括：光信号发送单元4和光信号接收单元5；其中：

绝缘壳体2内部充有绝缘气体；

上位电流检测单元1，用于从被测高压电缆中采集电流信息，将该电流信息转换为光信号，并传输给光信号发送单元4；

光信号发送单元4，用于对上位电流检测单元1转换得到的光信号进行整形、准直处理，发送到光信号接收单元5；

光信号接收单元5，用于对通过光信号发送单元4处理并发送的光信号进行收集、会聚处理；

下位接收处理单元3，用于处理光信号接收单元5接收到的光信号，并将该光信号转换为与电流对应的数据。

其中，上位电流检测单元1包括：电量测量传感单元11、信号调制单元12、光驱动单元13；其中：

电量测量传感单元11，用于从被测高压电缆中采集电流信息，并以电信号方式发送给信号调制单元12；

信号调制单元12，用于对接收到的电信号进行调制，产生调制后信号；

光驱动单元13，用于将所述调制后信号转换为有效光功率超过检测阈值的光信号。

其中，信号调制单元12具体用于，通过指定的调制方式对接收到的电信号进行调制，产生调制后信号；

光驱动单元13具体用于，根据该调制后信号驱动发光元件，产生有效光功率超过检测阈值的光信号。

其中，下位接收处理单元3包括：光电转换单元31、信号处理单元32、输出接口单元33；其中：

光电转换单元31，用于接收光信号接收单元5处理后的光信号，并转换为对应的电信号；

信号处理单元32，用于对光电转换单元31转换后的电信号进行解调，并将该电信号转换为与电流对应的数据；

输出接口单元33，用于将该与电流对应的数据输出。

其中，所述光信号发送单元4为透镜组；或/和，所述光信号接收单元5为透镜组。

其中，所述光信号发射单元4为非球面光学镜片组；或/和，所述光信号接收单元5为非球面光学镜片组。

其中，所述绝缘壳体2中所充绝缘气体包括干燥空气或N₂或SF₆。

其中，所述上位电流检测单元1，用于通过物理效应从被测高压电缆中采集电流信息，并将该电流信息转换为与该电流信息对应的调制后信号，对发光元件进行功率驱动，产生与电流信息相对应的光信号。

其中，所述物理效应包括光学法拉第效应、布拉格效应、或电磁效应。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：由于本发明中，携带电流信息的光束在自由空间中传输，连接本电流互感器高、低压两端的，除了绝缘壳体，仅是穿过绝缘气体的一束光线，不再依赖任何其它介质，所以本电流互感器具有超高耐压的特性。

另外，通过无光纤设计，使光信号通过自由空间传输，有效避免了通过光纤传输光信号时，光纤使光信号产生的畸变，同时，通过增加光信号发送单元，以及光信号接收单元，对电流互感器内部传输的光信号进行整形、准直处理，以及收集、会聚处理，保证了光信号的传输效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种光纤类电流互感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电流互感器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种上位电流检测单元的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种下位接收处理单元的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，为本发明实施例提供的一种电流互感器的结构示意图，可以包括：上位电流检测单元1，绝缘壳体2，下位接收处理单元3，光信号发送单元4，以及光信号接收单元5；其中：

绝缘壳体2内部充有绝缘气体；

具体的，上位电流检测单元1安装于绝缘壳体2的上部，结合部为密封连接。下位接收处理单元3安装于绝缘壳体2下部，结合部亦为密封连接。绝缘壳体2为中空的绝缘柱体，其作用主要为隔开上下两端的高、低电压，其内部充有绝缘气体，作为光信号的传输通道。其中，绝缘壳体2的高度可以由其所适用的工作电压条件来决定，绝缘壳体2的高度越高，其所适用的电压越高。

可选的，该绝缘壳体2可以为绝缘陶瓷壳体。

可选的，该绝缘气体可以为干燥空气，或者，氮气(N2)、六氟化硫气体(SF6)等绝缘性能相对干燥空气更好地其它绝缘气体。

上位电流检测单元1，用于从被测高压电缆中采集电流信息，并将该电流信息转换为光信号，再传输给光信号发送单元4；

光信号发送单元4，可以用于对上位电流检测单元1转换得到的光信号进行整形、准直处理，发送到光信号接收单元5；

光信号接收单元5，用于对通过光信号发送单元4处理并发送的光信号进行收集、会聚处理；

下位接收处理单元3，用于处理光信号接收单元5接收到的光信号，并将该光信号转换为与电流对应的数据，如电流大小等。

本发明实施例中，光信号发送单元4固定安装于绝缘壳体2内部靠近上位电流检测单元1的一侧，且光信号发送单元4紧贴上位电流检测单元1的下方；光信号接收单元5固定安装于绝缘壳体2内部靠近下位接收处理单元3的一侧，且光信号接收单元5紧贴下位接收处理单元的上方。上位电流检测单元产生的光信号依次通过光信号发送单元4和光信号接收单元5后，到达下位接收处理单元3。

本发明实施例中，电流互感器的上位电流检测单元1与下位接收处理单元3之间不再通过光纤连接，相应地，光信号不再通过光纤来传输，而是在自由空间中(该自由空间中充满绝缘气体)直接传输，有效地避免了电流互感器中通过光纤传输光信号时，光纤本身使光信号产生的畸变，以及由于光纤在超过30kV以上的高压环境下容易发生爬电现象，而导致的电流互感器无法适用于高压和特高压环境的情况。

本发明实施例中，上位电流检测单元1和下位接收处理单元3之间设置有光信号发送单元4，以及光信号接收单元5，分别用于对由上位电流检测单元1采集到的电流信息转换得到的光信号进行整形、准直处理，以及收集、会聚处理，以保证光信号在自由空间中传输(通过绝缘气体传输)时光信号的传输效率。

作为一种可选的实施方式，光信号发送单元4，或/和，光信号接收单元5可以为透镜组。

作为另一种可选的实施方式，光信号发送单元4，或/和，光信号接收单元5可以为非球面光学镜片组。

具体的，本发明实施例中，可以通过选择合适的透镜或非球面光学镜片，并按照一定的组合方式进行组合成透镜组或非球面光学镜片组，使其能够分别对光信号进行整形、准直处理，以及收集、会聚处理，从而能够有效地降低光信号在自由空间中传输时，由于光信号的发散而导致下位接收处理单元只能接收到部分光信号，而导致光信号的功率过低的情况，有效地保证了光信号在自由空间的传输效率，进而可以降低对发光元件的功率要求。

作为一种可选的实施方式，本发明实施例中，上位电流检测单元1可以包括：电量测量传感单元11、信号调制单元12、光驱动单元13，该上位电流检测单元的结构示意图可以如图3所示，其中：

电量测量传感单元11，可以用于从被测高压电缆中采集电流信息，并以电信号方式发送给信号调制单元12；

其中，该电量测量传感单元11可以是基于纯光学原理实现的传感器，也可以是基于电磁原理或其它物理效应实现的传感器。

信号调制单元12，可以用于对接收到的电信号进行调制，产生调制后信号；

光驱动单元13，可以用于，将该调制后信号转换为有效光功率超过检测阈值的光信号。

本发明实施例中，电量测量传感单元11从被测高压电缆采集到的电流信息，并以电信号方式发送给信号调制单元12(即将采集到的电流信息携带在电信号中发送给信号调制单元12)后，信号调制单元12可以通过指定的调制方式，如脉宽调制方式，对该电信号进行调制，产生调制后信号，从而保证光驱动单元13根据该调制后信号驱动发光元件时，能够产生有效光功率超过检测阈值的光信号(光信号的有效光功率低于该检测阈值时，下位接收处理单元3无法根据该光信号处理得到电流信息)，从而能够保证使用低功耗的发光元件(如LED)产生光信号的情况下，也能得到足够光功率的光信号，从而可以进一步降低电流互感器电路的功耗。

可选的，该发光元件可以为激光器、LD(Laser Diode，半导体激光二极管)、LED(Light Emitting Diode，半导体发光二极管)等。在激光器、LD、LED中，激光器的发光功率最高(即产生的光信号的功率最高)，LD次之，LED最低；激光器的使用成本也最高，LD次之，LED最低。若使用激光器作为发光元件，产生的光束的发散较低，传输效率比较容易保证，但是功耗较大；若使用LD或LED作为发光元件，虽然功耗和使用成本相对降低，但由于产生的光束的发散较高，传输效率难以得到保证。

在本发明实施例中，通过设置光信号发送单元4和光信号接收单元5，分别对光信号进行整形、准直处理，以及收集、会聚处理，使得在可以使用大发散角的发光元件(如LED)产生光信号的情况下，也能很大程度上保证光信号的传输效率，从而能够降低电流互感器的功耗。

可选的，图3所示的上位电流检测单元中，还可以包括供电单元14，用于给电量测量传感单元11、信号调制单元12、光驱动单元13供电。其中，该供电单元可以包括锂电池和太阳能电池的组合单元。

需要注意的是，在本发明实施例中，上位电流检测单元中也可以不包括以上供电单元，而直接通过从被测电缆中取电的方式实现供电，其具体实现在此不再赘述。

作为另一种可选的实施方式，在本发明实施例中，上位电流检测单元1可以为基于多种物理效应的电流检测单元，即该上位电流检测单元1从被测高压电缆中采集到电流信息之后，可以将该电流信息转换为与该电流信息对应的调制后信号，对发光元件进行功率驱动，产生与电流信息对应的光信号。其中，文中所指物理效应可以包括光学效应，以及其它物理效应；该光学效应可以包括但不限于光学法拉第效应、布拉格效应等；该其它物理效应可以包括但不限于电磁效应等。

举例来说，假设上位电流检测单元1为基于光学法拉第效应的电流检测单元，上位电流检测单元1可以根据光信号偏振方向随电流大小变化的原理，将采集到的被测高压电缆的电流信息转换为光信号，由于光信号通过自由空间传输时，光信号偏振方向不会发生变化，因此，下位接收处理单元3接收到光信号后，直接可以根据该光信号的偏振方向确定被测电流大小的变化，进而根据基准电流，确定被测电缆的电流大小。

又举例来说，假设上位电流检测单元1为基于布拉格效应的电流检测单元，上位电流检测单元1可以根据由电流变化引起的磁场变化会使磁致伸缩材料发生形变，进而带动光纤光栅形变进而引起波长变化的原理实现电流信息的检测。具体的，在该实例中，上位电流检测单元1中可以包括相互紧贴的磁致伸缩材料和光纤光栅，光纤光栅的一端连接有光源，该光源向光纤光栅发射一定波长的光信号，该光信号通过光纤光栅的另一端传输出去，进而通过光信号发送单元4、光信号接收单元5传输到下位接收处理单元3。当上位电流检测单元1采集到的被测高压电缆的电流大小发生变化时，会引起磁场变化，进而会导致电流检测单元中的磁致伸缩材料发生形变，从而带动光纤光栅形变，而引起光纤光栅中传输的光信号的波长发生变化，当下位接收处理单元3接收到光信号时，可以根据接收到的光信号的波长变化确定被测电缆电流大小的变化，进而根据基准电流，确定被测电缆的电流大小。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，下位接收处理单元3可以包括：光电转换单元31、信号处理单元32，以及输出接口单元33，该下位接收处理单元的结构示意图可以如图4所示，其中：

光电转换单元31，可以用于接收光信号接收单元5处理后的光信号，并转换为对应的电信号；

其中，该电信号即为上位电流检测单元1采集到的被测高压电缆的电流信息转换得到的调制后信号。

信号处理单元32，可以用于对光电转换单元31转换后的电信号进行解调，并将该电信号转换为与电流对应的数据；

具体的，信号处理单元32可以根据上位电流检测单元1对调制后信号的调制方式，对该电信号进行解调，从而提取得到与电流对应的数据，如电流大小。

输出接口单元33，可以用于将该与电流对应的数据输出。

具体的，下位接收检测单元3根据接收到的光信号处理得到与电流对应的数据后，可以将该与电流对应的数据通过输出接口单元33输出给变电系统的计算机网络。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明实施例提供的技术方案，下面结合附图2～4对本发明实施例提供的电流互感器的工作原理进行说明。

参见图2～4，在实际应用中，电流互感器的上位电流检测单元1中的电流测量传感器11可以采集被测高压电缆的电流信息，并以电信号的方式将该电流信息输出给信号调制单元12；信号调制单元12接收到电流测量传感器11输出的电信号后，可以通过指定的调制方式(如脉宽调制方式)对该电信号进行调制，以得到调制后信号，并将该调制后信号输出给光驱动单元13；光驱动单元13接收到信号调制单元12输出的调制后信号后，根据该调制后信号驱动发光元件(如LD、LED等)，产生有效光功率超过光电转换单元31的检测阈值的光信号，并将该光信号输出给光信号发送单元4。

光信号发送单元4接收到光驱动单元输出的光信号后，对该光信号进行整形、准直处理，并将处理后的光信号发送给光信号接收单元5。

光信号接收单元5接收到光信号发送单元4发送过来的光信号后，对该光信号进行收集、会聚处理，并输出给下位接收处理单元3。

下位接收处理单元3可以通过光电转换单元31将接收到的光信号(即光信号接收单元5处理后的光信号)转换为对应的电信号(该电信号为调制后信号)，并输出给信号处理单元32；信号处理单元32接收到光电转换单元31输出的电信号后，对该电信号进行解调，将该电信号转换为与电流对应的数据，并将该与电流对应的数据通过输出接口单元33输出给变电系统的计算机网络。

在具体实现中，由于在自由空间传输光信号对光信号的发射、传输和接收都有较高的要求，才能保证光信号的高传输效率，同时，为了保证在能耗要求比较严格的条件下光信号的传输效率，本发明实施例提供的电流互感器可以采用以下设计原理：

(1)、光信号发送单元4和光信号接收单元5采用非球面光学镜片设计，实现对大发散角光源发射出的光束的整形、准直，以及大接收角光束收集、会聚，实现光束的高效传输。

(2)、通过指定的调制方式对采集到的电流信息进行调制，进而通过该调制后信号驱动发光元件产生有效光功率超过光电转换单元31的检测阈值的光信号，并增强光信号的抗干扰能力和传输能力。

通过上述设计，可以降低对光信号的要求，相应地，也就可以降低对发光元件的要求，即使采用常用的低功耗发光元件(此类发射器件多为大发射角度，有效信号接收距离也较小)，如LED，也能保证光信号的高效传输，保证接收到的光信号的强度。

可见，在本发明实施例提供的电流互感器内部，先从高压电缆上采集电流信息，并将该电流信息转换为调制后信号驱动发光元件，再将产生的光信号直接从位于高压端的上位电流检测单元1投射至处于低压端的下位接收处理单元3，继而经数据处理后输送至送变电计算机网络系统。这样，在本电流互感器内部高电位差的两端间，携带电流信息的光束在自由空间中传输，不依赖任何其它介质，如光纤、光学玻璃等。除了绝缘壳体内的绝缘气体柱及一束传输电流信息的光束外，没有任何其它连接物质，保证了本电流互感器具有耐高压乃至耐特高压的基本属性。本发明实现极高的耐压特性，付出的成本却很低，因为连接高、低压两端间的只有干燥空气或N₂、SF₆等其它绝缘性能更好的绝缘气体，由于干燥空气的电离场强和击穿场强都很高，且不燃、不爆，因而干燥空气是很好的绝缘气体，而管腔内若注入N₂、SF₆一类绝缘气体，其绝缘性能将会进一步提高，只要随着电压的升高而相应增加绝缘壳体的高度，亦为增加绝缘壳体内部绝缘气体柱的高度，本发明实施例提供的电流互感器就可以轻松适应500kV乃至1000kV的高压变电系统。

通过以上描述可以看出，在本发明实施例提供的技术方案中，由于本发明中，携带电流信息的光束在自由空间中传输，连接本电流互感器高、低压两端的，除了绝缘壳体，仅是穿过绝缘气体的一束光线，不再依赖任何其它介质，所以本电流互感器具有超高耐压的特性。另外，通过无光纤设计，使光信号通过自由空间传输，有效避免了通过光纤传输光信号时，光纤使光信号产生的畸变，且保证了电流互感器在高压和特高压工作环境下的适应性；同时，通过增加光信号发送单元，以及光信号接收单元，对电流互感器内部传输的光信号进行整形、准直处理，以及收集、会聚处理，保证了光信号的传输效率。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种电流互感器，包括上位电流检测单元(1)，绝缘壳体(2)，以及下位接收处理单元(3)，其特征在于，还包括：光信号发送单元(4)和光信号接收单元(5)；其中：

绝缘壳体(2)内部充有绝缘气体；

上位电流检测单元(1)，用于从被测高压电缆中采集电流信息，将该电流信息转换为有效光功率超过检测阈值的光信号，并传输给光信号发送单元(4)；

光信号发送单元(4)，所述光信号发送单元(4)为透镜组或非球面光学镜片组，用于对上位电流检测单元(1)转换得到的光信号进行整形、准直处理，发送到光信号接收单元(5)；

光信号接收单元(5)，所述光信号接收单元(5)为透镜组或非球面光学镜片组，用于对通过光信号发送单元(4)处理并发送的光信号进行收集、会聚处理；

下位接收处理单元(3)，用于处理光信号接收单元(5)接收到的光信号，并将该光信号转换为与电流对应的数据。

2.如权利要求1所述的电流互感器，其特征在于，上位电流检测单元(1)包括：电量测量传感单元(11)、信号调制单元(12)、光驱动单元(13)；其中：

电量测量传感单元(11)，用于从被测高压电缆中采集电流信息，并以电信号方式发送给信号调制单元(12)；

信号调制单元(12)，用于对接收到的电信号进行调制，产生调制后信号；

光驱动单元(13)，用于将所述调制后信号转换为有效光功率超过检测阈值的光信号。

3.如权利要求2所述的电流互感器，其特征在于，

信号调制单元(12)具体用于，通过指定的调制方式对接收到的电信号进行调制，产生调制后信号；

光驱动单元(13)具体用于，根据该调制后信号驱动发光元件，产生有效光功率超过检测阈值的光信号。

4.如权利要求1所述的电流互感器，其特征在于，下位接收处理单元(3)包括：光电转换单元(31)、信号处理单元(32)、输出接口单元(33)；其中：

光电转换单元(31)，用于接收光信号接收单元(5)处理后的光信号，并转换为对应的电信号；

信号处理单元(32)，用于对光电转换单元(31)转换后的电信号进行解调，将该电信号转换为与电流对应的数据；

输出接口单元(33)，用于将该与电流对应的数据输出。

5.如权利要求1所述的电流互感器，其特征在于，所述绝缘壳体(2)中所充绝缘气体包括干燥空气或氮气或六氟化硫气体。

6.如权利要求1所述的电流互感器，其特征在于，所述上位电流检测单元(1)，通过物理效应从被测高压电缆中采集电流信息，并将该电流信息转换为与该电流信息对应的调制后信号，并对发光元件进行功率驱动，产生与电流信息相对应的光信号。

7.如权利要求6所述的电流互感器，其特征在于，所述物理效应包括光学法拉第效应、布拉格效应或电磁效应。