CN104655900B - 一种全光纤电流互感器及测量发电机机端零序电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全光纤电流互感器，包括采集单元、传输光缆和一次传感器，一次传感器包括传感光纤、波片和反射镜，波片的一端连接传输光缆的另一端，而波片的另一端连接传感光纤的起端，反射镜设于传感光纤的尾端；传感光纤盘绕形成3个光纤传感环，所述3个光纤传感环的圈数一致、盘绕方向相同，且均完全闭合，且形成的任一对光纤传感环之间具有2条方向相反的光纤传感路径。此结构可实现一台互感器对发电机机端三相电流的同时测量，通过三相电流的叠加准确输出机端零序电流。本发明还公开一种测量发电机机端零序电流的方法，其可方便测量任意容量的发电机机组零序电流，对机端导体的形状和布置方式没有严格要求，同时不会受到磁场不平衡的影响。

Description

一种全光纤电流互感器及测量发电机机端零序电流的方法

技术领域

本发明涉及一种全光纤电流互感器的结构，还涉及一种基于该结构的测量发电机机端零序电流的方法，该方法可用于电厂中任意容量的发电机机端零序电流的测量。

背景技术

国内很多电厂中，中小机组采用多机一变扩大单元接线方式，任一台发电机发生定子接地故障时，所有并列运行的发电机定子接地保护均将动作跳闸，扩大了跳闸范围。为了实现多机一变发电机定子接地保护的选择性，需要准确测量发电机机端零序电流，对于发电机机端采用铜牌方式的场合，传统电磁式穿心CT受安装空间以及磁场不平衡的影响难以实现。

全光纤电流互感器体积小，重量轻，可以在很小的空间内安装；全光纤电流互感器有优秀的抗干扰能力，可以有效杜绝光纤传感环外的磁场的影响，因此全光纤电流互感器适宜安装在发动机机端测量零序电流。

目前采用全光纤电流互感器测量电厂中的零序电流，有两种配置方案：

（1）A、B、C三相每相分别配置一台全光纤电流互感器，同时采集三台互感器的数据进行同步并计算出零序电流。这样的配置方案不受一次导体布置方式的限制，安装方式较为灵活；但是因为每台互感器的精度、温漂、抗干扰、稳定性等特性都有一定的差异，导致了最终计算出的零序电流精度难以保证，长期运行易于出现较大误差。

（2）A、B、C三相一次导体同时放置在一台全光纤电流互感器的光纤传感环中，这样传感环测量到的就是三相电流的共同作用，其输出即为中性点电流。这样的配置方案，只需一台全光纤电流互感器即可实现对零序电流的测量，避免了三台电流互感器性能差异造成的影响；但是此方案的电流互感器传感环尺寸极大，制造工艺很难保证，而且三相导体的布置方式对电流互感器的测量结果有很大影响，经过测试，只有三相导体分布位置空间磁平衡时，电流互感器输出的零序电流才是准确的，而多数电厂中难以实现这样的条件。

基于以上分析，本发明人致力于研究一种基于全光纤电流传感器的，能够满足电厂中发电机端零序电流测量需求的使用方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种全光纤电流互感器，其可实现一台互感器对发电机机端三相电流的同时测量，通过三相电流的叠加准确输出机端零序电流。

本发明的另一目的，在于提供一种测量发电机机端零序电流的方法，其可方便测量任意容量的发电机机组零序电流，对机端导体的形状和布置方式没有严格要求，同时不会受到磁场不平衡的影响。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种全光纤电流互感器，包括采集单元、传输光缆和一次传感器，所述采集单元用于提供光源并计算出一次电流，传输光缆的一端连接采集单元；所述一次传感器包括传感光纤、波片和反射镜，所述波片的一端连接传输光缆的另一端，而波片的另一端连接传感光纤的起端，所述反射镜设于传感光纤的尾端；所述传感光纤盘绕形成3个光纤传感环，所述3个光纤传感环用于对应环套在三相导体的外部，3个光纤传感环的圈数一致、盘绕方向相同，3个光纤传感环均实现完全闭合，且形成的任一对光纤传感环之间具有2条方向相反的光纤传感路径。

上述一次传感器采用以下列步骤制成的结构：

步骤1：将波片在第一相导体外固定，将传感光纤从波片位置开始围绕该相导体顺时针方向盘绕成环状，将波片的位置确定为盘绕的终点，达到预定圈数后，将其固定；

步骤2：将步骤1余下的传感光纤拉到第二相导体位置，选择一个盘绕起点将传感光纤固定，采用与步骤1同样的方法进行顺时针盘绕预定圈数，确保盘绕完成后的传感光纤起点与终点空间位置重合，并进行固定；

步骤3：将步骤2余下的传感光纤拉到第三相导体位置，选择一个盘绕起点将传感光纤固定，采用与步骤1同样的方法进行顺时针盘绕预定圈数，确保盘绕完成后的传感光纤起点与终点空间位置重合，并进行固定；

步骤4：将步骤3余下的传感光纤按步骤3的方法继续围绕第三相导体顺时针盘绕一圈，确保盘绕完成后的传感光纤起点与终点空间位置重合，并进行固定；

步骤5：将步骤4余下的传感光纤沿步骤3时第二相→第三相的路径反向布线至第二相，这一段传感光纤与第二相→第三相的传感光纤长度一致，捆扎在一起；传感光纤至第二相后按步骤2的方法继续围绕第二相导体顺时针盘绕一圈，确保盘绕完成后的传感光纤起点与终点空间位置重合，并进行固定；

步骤6：将步骤5余下的传感光纤沿步骤2时第一相→第二相的路径反向布线至第一相，这一段传感光纤与第一相→第二相的传感光纤长度一致，捆扎在一起；传感光纤至第一相后按步骤1的方法继续围绕第一相导体顺时针盘绕一圈；

步骤7：将反射镜固定在传感光纤的尾端，确保反射镜与波片的空间位置重合，并进行固定。

上述采集单元包括光源、耦合器、相位调制器、光探测器和调制解调电子电路，所述光源用于产生符合要求的光信号；所述耦合器将前述光源产生的光信号传输至相位调制器，并将从一次传感器经由传输光缆返回的光信号传到光探测器中；所述相位调制器对光信号进行调制；所述光探测器接收耦合器传过来的光信号，并转换为电信号送入调制解调电子电路进行运算；所述调制解调电子电路对相位调制器施加调制信号并进行解调运算，计算出零序电流值。

一种基于前述全光纤电流互感器测量发电机机端零序电流的方法，包括如下步骤：

（1）将待测发电机机端的三相导体分别放置在一次传感器的三个光纤传感环中；

（2）采集单元产生偏振光信号，进行调制后通过传输光缆传输至一次传感器中并先后通过三个光纤传感环，所述偏振光在光纤传感环中传输时，分别受到各相导体电流磁场的影响而产生与磁场成正比例的相位角偏移，所述光信号再经反射镜反射后，沿原光路返回，相位角偏移量加倍；

（3）前述被反射的光信号通过传输光缆进入采集单元，进行调制后分成两束光，其中一束被转换为电信号后进行解调运算，通过解析其中携带的相位角偏移量计算出零序电流值。

采用上述方案后，本发明具有以下特点：

（1）每相电流导体外均有数圈光纤传感环，所有的光纤环均是围绕导体顺时针盘绕而成，从而保证了三相电流间的相位关系正确；各相导体外盘绕的光纤传感环圈数是一致的，保证了对于三相电流的感应系数不会出现差异。

（2）每相导体外盘绕的传感光纤的起端和尾端均应在空间位置上基本重合，实现光纤传感环的完全闭合，以确保只感应光纤环内该相电流产生的磁场，而不受外界电磁干扰或其它两相电流产生的磁场的干扰，因此不会受到磁场不平衡的影响；

（3）三相光纤传感环以外的传感光纤所布置的每条路径上均有两条光纤，一条沿A相→B相→C相方向布线，另一条沿C相→B相→A相布线，两条光纤长度一致，布线方向相反，又被捆扎在一起，可以认为空间位置完全一致，因此两段光纤上受三相电流及外界磁场的影响会相互抵消；

（4）传感光纤可以根据实际需求选择长度，盘绕过程中对各相导体的形状、尺寸及布置位置没有严格的要求，因此可以方便地安装在任意容量和设计方式的发电机机组上。

附图说明

图1是本发明全光纤电流互感器的整体架构图；

图2至图7是本发明中传感光纤盘绕和布线过程的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种全光纤电流互感器，采用传感光纤为具有Faraday效应的保偏光纤，将传感光纤盘绕在一次导体外通过farady磁光效应感应一次电流产生的磁场。

如图1所示，是本发明全光纤电流互感器的结构示意图，包括依次连接的采集单元1、传输光缆2和一次传感器3，其中，采集单元1为系统提供光信号并计算得到一次电流，所述采集单元1包括光源、耦合器、相位调制器、光探测器和调制解调电子电路，所述光源用于产生符合要求的光信号；所述耦合器将前述光源产生的光信号传输至相位调制器，并将从一次传感器3经由传输光缆2返回的光信号传到光探测器中；所述相位调制器对系统中的光信号进行调制，使系统工作在敏感区段并避免低频噪声干扰；所述光探测器接收耦合器传过来的光信号，并转换为电信号送入调制解调电子电路进行运算；所述调制解调电子电路对相位调制器施加调制信号并进行解调运算，计算出零序电流值。

传输光缆2用于连接采集单元1和一次传感器3，并保持光信号偏振状态的不变，由高保偏光纤制成。

一次传感器3主要包括三个光纤传感环5、波片4和反射镜10，用于实现对一次电流信号的感应，从传输光缆2中传来的线偏振光信号通过波片4转化为圆偏振光，在传感光纤中受各相导体6、8、9上的一次电流作用产生相位偏移，在传感光纤尾端布置反射镜10，偏振光被反射镜10反射后循原光路返回采集单元1，除了一次电流产生的相位偏移被加倍外，其它的环境因素影响（如振动、应力等）基本被其自身抵消。

所述三个光纤传感环5分别用于感应三相电流，由传感光纤盘绕而成，在传感光纤盘绕和布线时，需遵循以下三个原则：

（1）各相导体外的光纤传感环5圈数一致，且均是围绕导体6、8、9顺时针方向盘绕而成（可参照图1中的箭头所示）；

（2）每相导体外的光纤传感环5均应实现完全闭合；

（3）三相光纤传感环5以外的传感光纤7经过的每条路径（即光纤传感路径）上均需有方向相反的两根传感光纤。

遵循以上三个原则，可以采取以下的步骤进行传感光纤的盘绕和布线（如图2-7,图中箭头所示为光纤盘绕及布线方向）：

（1）先将波片4在A相导体6外固定，将传感光纤从波片4位置开始围绕A相导体6顺时针方向盘绕成环状，为了确保传感精度，可以盘绕数圈，将波片4的位置确定为光纤环盘绕的终点，达到预定圈数后，将光纤环固定，完成A相光纤传感环5的盘绕。盘绕后余下长度的传感光纤自由放置（如图2）。

（2）步骤（1）余下的传感光纤拉到B相导体8位置，选择一个盘绕起点将传感光纤固定，采用与步骤（1）同样的方法进行顺时针盘绕预定圈数，确保盘绕完成后的传感光纤起点与终点空间位置重合，将光纤环固定，完成B相光纤传感环6的盘绕。盘绕后余下长度的传感光纤自由放置（如图3）。

（3）步骤（2）余下的传感光纤拉到C相导体9位置，选择一个盘绕起点将传感光纤固定，采用与步骤（1）同样的方法进行顺时针盘绕预定圈数，确保盘绕完成后的传感光纤起点与终点空间位置重合，将光纤环固定。盘绕后余下长度的传感光纤自由放置（如图4）。

（4）步骤（3）余下的传感光纤按步骤（3）的方法继续围绕C相导体9顺时针盘绕一圈，确保盘绕完成后的传感光纤起点与终点空间位置重合，将光纤环固定，完成C相光纤传感环5的盘绕。盘绕后余下长度的传感光纤自由放置（如图5）。

（5）步骤（4）余下的传感光纤沿步骤（3）时B相→C相的路径反向布线至B相，这一段传感光纤7与B相→C相的传感光纤长度一致，捆扎在一起。传感光纤至B相后按步骤（2）的方法继续围绕B相导体8顺时针盘绕一圈，确保盘绕完成后的传感光纤起点与终点空间位置重合，将光纤环固定。盘绕后余下长度的传感光纤自由放置（如图6）。

（6）步骤（5）余下的传感光纤沿步骤（2）时A相→B相的路径反向布线至A相，这一段传感光纤7与A相→B相的传感光纤长度一致，捆扎在一起。传感光纤至A相后按步骤（1）的方法继续围绕A相导体6顺时针盘绕一圈，确保传感光纤尾端的反射镜与波片4的空间位置重合，固定光纤环和反射镜10（如图7）。

完成以上步骤后此电流互感器的一次传感器3布置完毕。将一次传感器3与采集单元1、传输光缆2连接后形成的全光纤电流互感器，可以准确地测量发电机端零序电流。

需要说明的是，在进行盘绕时，三相导体的先后顺序并不作限定；在实际的产品制作过程中，也无需实际的三相导体才能盘绕，而是将传感光纤沿虚拟的三相导体盘绕和布线，然后将形成的一次传感器定型，这样即可实现本发明全光纤电流互感器的批量生产。

基于前述全光纤电流互感器，本发明还提供一种测量发电机机端零序电流的方法，包括如下步骤：

（1）将待测发电机机端的三相导体分别放置在一次传感器3的三个光纤传感环5中；

（2）在采集单元中由光源产生偏振光信号，被相位调制器调制后发送到传输光缆2中，并被传输至一次传感器3中并先后通过三个光纤传感环5，当光信号通过A相导体6所在的光纤传感环5时受到A相电流磁场的影响产生与磁场成正比例的相位角偏移，通过B、C相光纤传感环时受到B、C相电流磁场的影响相继产生相位角偏移，这三相的相位角偏移量叠加在光信号上，从总效果分析相当于零序电流产生的相位角偏移；光信号通过C相光纤传感环5后被反射镜10反射，从原光路返回，再次受到C、B、A各相电流磁场的影响，总的零序相位角偏移量加倍；

（3）被反射回的光信号先后通过传输光缆2和相位调制器后，经耦合器被均分成两束光，其中一束被光探测器转换为电信号由调制解调电子电路进行运算；调制解调电子电路用于对相位调制器施加调制信号，同时接收光探测器探测到的光信号并进行解调运算，通过解析其中携带的相位角偏移量计算出零序电流值。

本发明所述的全光纤电流互感器利用光纤的Farady磁光效应感应一次电流：偏振光在传感光纤中传输时，若受到磁场影响，则偏振光的相位角会产生与磁场强度成正比例的偏移。

传感光纤自由放置时可能会受到空间磁场的干扰，若将传感光纤盘绕成完全闭合的环形，则光纤环外的磁场对光纤内偏振光的影响总和为零，只有光纤环中的磁场会对偏振光产生影响，即完全闭合的光纤传感环可以有效屏蔽光纤环外的磁场。利用此原理，可以将传感光纤围绕一次导体盘绕成闭合光纤环，只感应一次导体中的电流产生的磁场，从而确保计算出的一次电流值的准确性。

以前的全光纤电流互感器都是只有一个光纤传感环，只能感应这个光纤传感环内的单相电流信息，三台互感器分别测量三相电流后将数据汇总并计算出零序电流，过程繁琐且不可靠；为了解决同时测量三相电流的难题，本发明中的光纤传感环采用新的盘绕方式，将传感光纤以A相→B相→C相→B相→A相的顺序依次在三相导体外以顺时针方向盘绕成闭合光纤环，三相导体外盘绕的光纤环圈数一致。

采用此方式盘绕光纤环后，每个光纤环只受环中一次电流产生的磁场的影响，外界磁场对其影响可以忽略；而三相光纤传感环外用于连接三相的传感光纤，因在布线过程中会往返经过同一路径，因此三相电流及空间磁场对其影响可以忽略；因此整段传感光纤中，只有三相的光纤传感环会受到环内电流产生的磁场的影响，光纤内偏振光相位角分别受三相电流影响产生偏移，偏移量在光纤内相互叠加后的效果相当于零序电流造成的相位角偏移，因此可以测得零序电流。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种全光纤电流互感器，包括采集单元、传输光缆和一次传感器，所述采集单元用于提供光源并计算出一次电流，传输光缆的一端连接采集单元；其特征在于：所述一次传感器包括传感光纤、波片和反射镜，所述波片的一端连接传输光缆的另一端，而波片的另一端连接传感光纤的起端，所述反射镜设于传感光纤的尾端；所述传感光纤盘绕形成3个光纤传感环，所述3个光纤传感环用于对应环套在三相导体的外部，3个光纤传感环的圈数一致、盘绕方向相同，3个光纤传感环均完全闭合，且形成的任一对光纤传感环之间具有2条方向相反的光纤传感路径；

所述一次传感器采用以下列步骤制成的结构：

步骤1：将波片在第一相导体外固定，将传感光纤从波片位置开始围绕该相导体顺时针方向盘绕成环状，将波片的位置确定为盘绕的终点，达到预定圈数后，将其固定；

步骤2：将步骤1余下的传感光纤拉到第二相导体位置，选择一个盘绕起点将传感光纤固定，采用与步骤1同样的方法进行顺时针盘绕预定圈数，确保盘绕完成后的传感光纤起点与终点空间位置重合，并进行固定；

步骤3：将步骤2余下的传感光纤拉到第三相导体位置，选择一个盘绕起点将传感光纤固定，采用与步骤1同样的方法进行顺时针盘绕预定圈数，确保盘绕完成后的传感光纤起点与终点空间位置重合，并进行固定；

步骤4：将步骤3余下的传感光纤按步骤3的方法继续围绕第三相导体顺时针盘绕一圈，确保盘绕完成后的传感光纤起点与终点空间位置重合，并进行固定；

步骤5：将步骤4余下的传感光纤沿步骤3时第二相→第三相的路径反向布线至第二相，这一段传感光纤与第二相→第三相的传感光纤长度一致，捆扎在一起；传感光纤至第二相后按步骤2的方法继续围绕第二相导体顺时针盘绕一圈，确保盘绕完成后的传感光纤起点与终点空间位置重合，并进行固定；

步骤6：将步骤5余下的传感光纤沿步骤2时第一相→第二相的路径反向布线至第一相，这一段传感光纤与第一相→第二相的传感光纤长度一致，捆扎在一起；传感光纤至第一相后按步骤1的方法继续围绕第一相导体顺时针盘绕一圈；

步骤7：将反射镜固定在传感光纤的尾端，确保反射镜与波片的空间位置重合，并进行固定。

2.如权利要求1所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于：所述采集单元包括光源、耦合器、相位调制器、光探测器和调制解调电子电路，所述光源用于产生符合要求的光信号；所述耦合器将前述光源产生的光信号传输至相位调制器，并将从一次传感器经由传输光缆返回的光信号传到光探测器中；所述相位调制器对光信号进行调制；所述光探测器接收耦合器传过来的光信号，并转换为电信号送入调制解调电子电路进行运算；所述调制解调电子电路对相位调制器施加调制信号并进行解调运算，计算出零序电流值。

3.一种基于如权利要求1所述的全光纤电流互感器测量发电机机端零序电流的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将待测发电机机端的三相导体分别放置在一次传感器的三个光纤传感环中；

(2)采集单元产生偏振光信号，进行调制后通过传输光缆传输至一次传感器中并先后通过三个光纤传感环，所述偏振光在光纤传感环中传输时，分别受到各相导体电流磁场的影响而产生与磁场成正比例的相位角偏移，所述光信号再经反射镜反射后，沿原光路返回，相位角偏移量加倍；

(3)前述被反射的光信号通过传输光缆进入采集单元，进行调制后分成两束光，其中一束被转换为电信号后进行解调运算，通过解析其中携带的相位角偏移量计算出零序电流值。