CN104950154B - 一种高精度高可靠全光纤电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于全光纤电流互感器技术领域，具体涉及一种高精度高可靠全光纤电流互感器。通过采用有源光学器件的冗余设计方法，使光源单元的输出光功率更稳定，提高了光源平均波长的稳定性。通过在光路系统中增加了消偏头，提高了光路系统的稳定性和测量精度。通过数字信号处理单元利用第二单模耦合器的两个输出端输出光的相关性，将两束光转换为电信号送入信号处理单元，利用数字电路相减法实现光源强度噪声的抑制，提高了信噪比，提高了系统的测量精度。通过全光纤电流互感器变比温度误差自动补偿技术，使低双折射光纤Verdet常数和波片相位延迟随温度变化造成的变比误差相互补偿，从而提高系统的全温测量精度。

Description

一种高精度高可靠全光纤电流互感器

技术领域

本发明属于全光纤电流互感器技术领域，具体涉及一种高精度高可靠全光纤电流互感器。

背景技术

智能电网建设是我国“十二五”规划重点培育的七大战略性新兴产业之一。数字化变电站是构成智能电网的主要组成部分。在国家电网《建设坚强的智能电网》的规划中，将在2020年形成“五纵六横”特高压输电骨干网架，全面建成坚强的智能电网，使电网的资源配置能力、安全水平、运行效率、用户之间互动性显著提高。

在智能电网中，“先进的传感和测量技术”是关键技术之一，电流互感器已成为智能变电站建设的关键设备。随着电力系统中电网电压等级的不断提高、容量不断增大以及智能电网的信息化、数字化、自动化、互动化的要求，传统电磁式的电流传感器由于存在磁饱和，难以实现大电流在大范围内的精确测量，并且需要消耗大量的铜、铝等有色金属材料，运行过程中能耗量巨大。全光纤电流互感器具有测量精度高、动态范围大、无磁滞饱和、体积小、高压部分无需供电、全数字化等优点，在智能变电站、高压直流输电工程中得到广泛应用。

全光纤电流互感器是基于Ampere环路定律和磁光Faraday效应进行电流测量，通过检测布置在载流导体周围的光纤中传输的两束偏振光间形成的相位差大小，以间接地测量电流值。它主要由光路系统和信号处理单元构成，光路系统必不可少的器件包括：光源、耦合器（或环形器）、起偏器、集成光学相位调制器、保偏延迟光缆、传感环圈以及光电探测器等。

目前，全光纤电流互感器在实际应用过程中暴露了许多问题：其光源发光波长随温度变化、输出功率不稳定、光源强度噪声、系统随外界环境温度的测量精度变化、小电流测量精度差、运行的可靠性不高对保护和测量等二次应用带来的影响，可能导致保护的闭锁，动作值的误差，这成为影响全光纤电流互感器应用推广的关键因素。

因此，亟需研制一种高精度、高可靠的全光纤电流互感器，从而提高全光纤电流互感器全温测量精度和小电流测量精度，同时提高系统的全温测量精度和可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高精度、高可靠的全光纤电流互感器，通过设计来有效控制SLD光源功率衰减和中心波长的漂移现象，抑制光源强度噪声，以提高全光纤电流互感器全温测量精度和小电流测量精度；通过采用光源冗余设计和传感环圈制作精密控制技术，以提高系统的全温测量精度和可靠性。

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：

一种高精度高可靠全光纤电流互感器，包括光路系统单元和信号处理单元；光路系统单元包括光源单元、第二单模耦合器、起偏器、消偏头、直波导相位调制器、保偏延迟光纤、传感环圈；上述光路系统单元中各器件单元依次连接，其中起偏器的尾纤与消偏头入纤以45°对轴熔接，其余器件尾纤和相邻器件入纤以0°对轴熔接；第二单模耦合器连接有参数指标相同的第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器的输出端连接至信号处理单元的输入端，信号处理单元的输出端与直波导相位调制器连接构成数字闭环；

光源单元发出的光经过第二单模耦合器、起偏器、消偏头后，分成两束正交的线偏振光，两束正交的线偏振光经直波导相位调制器后进入保偏延迟光纤，线偏振光以45°光纤熔接点注入到保偏延迟光纤的快轴和慢轴传播，之后两束正交的线偏振光进入传感环圈；传感环圈包括依次连接的λ/4光纤波片、传感光纤、反射镜；其中传感光纤是低双折射单模光纤，螺旋缠绕在刻有凹槽的环形石英玻璃骨架上；传感环圈中传播的两束正交的线偏振光由λ/4光纤波片转换为两束正交的圆偏振光并进入传感光纤，在导线内电流产生磁场的Faraday磁光效应作用下，两束圆偏振光的传播速度不同，产生Faraday相差，经反射镜发生镜面反射后两束圆偏振光沿原光路返回，同时Faraday相移加倍，并再次由λ/4光纤波片转换为两束模式互换的正交线偏振光，沿保偏光纤快轴传输的线偏光此时沿慢轴传输，原来沿保偏光纤慢轴传输的线偏光此时沿快轴传输；最终，携带Faraday效应相位信息的两束光在起偏器处发生干涉，然后由第二单模耦合器耦合进第一光电探测器和第一光电探测器；

信号处理单元包括光源噪声抑制单元、相位解调电路和相位调制驱动电路；光源噪声抑制单元采用数字电路相减法在FPGA中实现，抑制光源强度噪声；第一光电探测器中的光电流依次经过第一前置放大器放大，再通过第一滤波器滤波后进入第一A/D转换器进行模数转换，将包含了电流信息和光源强度噪声的信息输入至数字相减电路；第二光电探测器中的光电流经过第二前置放大器、第二滤波器、第二A/D转换器后，将只包含光源强度噪声的信息输入至数字相减电路；两路信号在数字相减电路中进行相减，去除光源强度噪声的影响，只包含电流信息，然后通过相位解调电路和相位调制驱动电路分别进行相位调制解调，实现全光纤电流互感器的闭环控制和数据输出，得到实测的电流值大小和相位值。

进一步的，如上所述的一种高精度高可靠全光纤电流互感器，所述光源单元采用有源光学器件冗余设计方法，包括主光源SLD、备用光源SLD、主光源驱动电路、备用光源驱动电路、第一单模耦合器、偏振光合束器；两个波长和功率一致的主光源SLD、备用光源SLD提供驱动电流，分别连接至第一单模耦合器的两个输入端，第一单模耦合器的输出端分别连接偏振光合束器的两个输入端，偏振光合束器的输出端连接第二单模耦合器，提供输出光；通过主光源驱动电路和备用光源驱动电路的驱动电流实时调节光源的功率。

进一步的，如上所述的一种高精度高可靠全光纤电流互感器，主光源SLD提供80～100mA的驱动电流，备用光源SLD提供5～10mA的驱动电流。

进一步的，如上所述的一种高精度高可靠全光纤电流互感器，λ/4光纤波片采用温度系数为-0.022°/℃的椭芯保偏光纤制作，λ/4光纤波片的相位延迟与温度之间为线性关系，随温度升高而减小，变温过程中λ/4光纤波片相位延迟始终大于90°。

进一步的，如上所述的一种高精度高可靠全光纤电流互感器，传感光纤的Verdet常数具有正温度系数，λ/4光纤波片在常温下的相位延迟为95.0°～104.8°，λ/4光纤波片的相位延迟对互感器变比的影响和传感光纤15的Verdet常数随温度变化造成的影响相反，二者相互补偿。

进一步的，如上所述的一种高精度高可靠全光纤电流互感器，所述传感光纤圈数大于25匝。

进一步的，如上所述的一种高精度高可靠全光纤电流互感器，环形石英玻璃骨架均分为6段，每段刻上25个斜凹槽，各段中的斜凹槽依次排序，首尾相连，凹槽深度为0.25mm，宽度为0.25mm，每段中两凹槽距离0.1mm；传感光纤15沿着凹槽32依次螺旋绕在环形玻璃骨架31上，控制张力为30g。

本发明技术方案的设计特征及其带来的有益效果如下：

（1）本发明采用了有源光学器件的冗余设计方法，利用主光源SLD和备用光源SLD同时工作，通过调节主光源驱动电路和备用光源驱动电路的驱动电流，可以使光源单元的输出光功率更稳定，提高了光源平均波长的稳定性。通过备用光源SLD提高了光源的可靠性，预防因主光源SLD老化或损坏造成系统无法工作，提高了光路系统的测量精度和稳定可靠性。

（2）本发明在光路系统中增加了消偏头，提高了光的偏振态特性，消除了光路偏振态易受外界温度、振动等因素引起的偏振光交叉耦合，提高了光路系统的稳定性和测量精度。

（3）本发明数字信号处理单元利用第二单模耦合器的两个输出端输出光的相关性，将两束光转换为电信号送入信号处理单元，利用数字电路相减法实现光源强度噪声的抑制，提高了信噪比，提高了系统的测量精度。

（4）本发明中传感环圈的传感光纤采用低双折射光纤，并将其螺旋缠绕在刻有凹槽的环形玻璃骨架上，引入圆双折射，有效抑制了传感光纤的线性双折射随温度变化造成的影响；玻璃骨架上的凹槽可防止传感光纤在环形玻璃骨架上错位移动，提高了传感环圈的稳定可靠性。

（5）本发明中传感环圈的λ/4光纤波片采用温度系数为-0.022°/℃的椭圆芯保偏光纤制作，利用全光纤电流互感器变比温度误差自动补偿技术，使用含有微位移控制机构的光纤切割刀精密控制光纤波片的长度，即控制波片相位延迟，使低双折射光纤Verdet常数和波片相位延迟随温度变化造成的变比误差相互补偿，从而提高系统的全温测量精度。

附图说明

图1是全光纤电流互感器的结构原理图；

图2是全光纤电流互感器信号处理单元的原理框图；

图3是全光纤电流互感器传感环圈结构图。

图中：1－光源单元，2－光路系统单元，3－主光源SLD，4－备用光源SLD，5－主光源驱动电路，6－备用光源驱动电路，7－第一单模耦合器，8－偏振光合束器，9－第二单模耦合器，10－起偏器，11－消偏头，12－直波导相位调制器，13－保偏延迟光纤，14－λ/4光纤波片，15－传感光纤，16－反射镜，17－传感环圈，18－第一光电探测器，19－第二光电探测器，20－信号处理单元，21－光源噪声抑制单元，22－第一前置放大器，23－第二前置放大器，24－第一滤波器，25－第二滤波器，26－第一A/D转换器，27－第二A/D转换器，28－数字相减电路，29－相位解调电路，30－相位调制驱动电路，31－环形石英玻璃骨架，32－凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行进一步详细说明。

本发明中所述的高精度高可靠全光纤电流互感器是基于Ampere环路定律和磁光Faraday效应进行电流测量，通过检测布置在载流导体周围的光纤中传输的两束偏振光间形成的相位差大小，以间接地测量电流值。

如图1所示，本发明由光路系统单元2和数字信号处理单元20组成。光路系统单元2中的光源单元1发出的光经过第一单模耦合器7，其分光比为50：50，其中一束光经过起偏器10后，随即分成两束正交的线偏振光，两束正交的线偏振光经45°光纤熔接点注入到保偏光纤的快、慢轴，依次经过消偏头11、直波导相位调制器12后沿保偏延迟光纤13的两个正交模式传输至传感环圈17。在λ/4光纤波片14处，两束线偏振光分别转换为左旋和右旋圆偏光，进入传感光纤15。在传感光纤15中，由于导线内电流产生磁场的Faraday磁光效应作用，两束圆偏振光的传播速度不同，从而产生Faraday相差，经反射镜16发生镜面反射后两束圆偏振光沿原光路返回，同时Faraday相移加倍，并再次由λ/4光纤波片14转换为两束模式互换的正交线偏振光，即原来沿保偏光纤快轴传输的线偏光此时沿慢轴传输，原来沿保偏光纤慢轴传输的线偏光此时沿快轴传输。最终，携带Faraday效应相位信息的两束光在起偏器10处发生干涉，发生干涉的两束光始终在同一根光纤的两个正交模式上传输，具有较好的互易性，然后由第二单模耦合器9耦合进第一光电探测器18和第二光电探测器19，进行后续信号处理。

如图1所示，光源单元1采用了有源光学器件的冗余设计方法，具有很高的稳定性和可靠性。正常情况下，通过控制主光源驱动电路5和备用光源驱动电路6的驱动电流，给主光源SLD3施加80～100mA的驱动电流，供后端光路使用，同时给备用光源SLD4施加5～10mA微弱的驱动电流，以增强其寿命，预防因主光源SLD3老化导致光功率衰减甚至不能工作等问题，提高了光源的可靠性。两路光由第一单模耦合器7和偏振光合束器8合成在一起，使光源单元1输出的光功率和平均波长更加稳定，提高了系统的测量精度和稳定性。

如图2所示，数字信号处理单元20包括光源噪声抑制单元21、相位解调电路29和相位调制驱动电路30。光源噪声抑制单元21利用第二单模耦合器9的两个输出端输出光的相关性，利用数字电路相减法在数字相减电路28中实现，以达到抑制光源强度噪声的目的。具体方法是第二单模耦合器9的两个输出端输出光分别经过参数指标相同的第一光电探测器18和第二光电探测器19转换为电信号。干涉光强信号经过第一前置放大器22放大，再通过第一滤波器24滤波后进入第一A/D转换器26进行模数转换，输入至数字相减电路28，该信号既包含了电流信息又包含光源强度噪声。第二光电探测器19中的光电流经过第二前置放大器23、第二滤波器25、第二A/D转换器27后，输入至数字相减电路28，该信号仅包含了光源强度噪声。由于进入第一光电探测器18中的光比第二光电探测器19中的光延迟了一个渡越时间τ，将它们转换为数字信号送入数字相减电路28，在数字相减电路28中完成延迟时间τ和增益系数的调整后实现数字相减，相减后得到的数据仅包含电流信息，光源的噪声得到抑制，从而改善了信噪比，提高了系统的测量精度。电流信息通过相位解调电路29和相位调制驱动电路30分别进行相位调制解调，实现全光纤电流互感器的闭环控制和数据输出，得到实测的电流值大小和相位值。

如图3所示，传感环圈17是基于光纤磁光Faraday效应进行电流测量的，通过检测布置在载流导体周围的光纤中传输的两束偏振光间形成的相位差大小，以间接地测量电流值，包括玻璃骨架31、凹槽32、λ/4光纤波片14、传感光纤15、反射镜16五部分。首先将环形玻璃骨架31均分为6段，每段刻上25个斜凹槽，各段中的斜凹槽依次排序，首尾相连，凹槽深度0.25mm，宽度0.25mm，每段中两凹槽距离0.1mm，并保证凹槽表面光滑，将传感光纤15沿着凹槽32依次螺旋绕在环形玻璃骨架31上，并控制张力在30g左右，这样可以引入足够的圆双折射，从而抑制传感光纤15的线性双折射随温度变化引起的测量误差。通过控制传感光纤15的匝数在25匝，使得Faraday相移较大，具有适中的信噪比，便于微弱信号检测，以保证小电流的测量精度及稳定性。通过凹槽32可以防止传感光纤15在环形玻璃骨架31上错位移动，从而提高了传感环圈的稳定性和可靠性。其次通过采用温度系数为-0.022°/℃的椭圆芯保偏光纤制作λ/4光纤波片14，利用带有微位移控制机构的光纤切割刀控制光纤波片的长度，即控制相位延迟，并进行防水气、防尘封装。由于λ/4光纤波片14相位延迟的温度系数为负数，与温度之间为线性关系，随温度升高而减小，而传感光纤15的Verdet常数具有正温度系数，随着温度升高而增大，二者随温度变化对互感器变比的影响相反，因此可以通过光纤切割刀精密控制λ/4光纤波片14的相位延迟的工作区间，保证其在常温下的相位延迟控制在95.0°～104.8°，使其对全光纤电流互感器精度的影响与传感光纤15的Verdet常数随温度变化造成的影响相反，二者相互补偿，可以减小系统的测量误差，提高系统的全温测量精度。

Claims (7)

1.一种高精度高可靠全光纤电流互感器，其特征在于：包括光路系统单元（2）和信号处理单元（20）；

光路系统单元（2）包括光源单元（1）、第二单模耦合器（9）、起偏器（10）、消偏头（11）、直波导相位调制器（12）、保偏延迟光纤（13）、传感环圈（17）；上述光路系统单元（2）中各器件单元依次连接，其中起偏器（10）的尾纤与消偏头（11）入纤以45°对轴熔接，其余器件尾纤和相邻器件入纤以0°对轴熔接；

第二单模耦合器（9）连接有参数指标相同的第一光电探测器（18）和第二光电探测器（19），第一光电探测器（18）和第二光电探测器（19）的输出端连接至信号处理单元（20）的输入端，信号处理单元（20）的输出端与直波导相位调制器（12）连接构成数字闭环；

光源单元（1）发出的光经过第二单模耦合器（9）、起偏器（10）、消偏头（11）后，分成两束正交的线偏振光，两束正交的线偏振光经直波导相位调制器（12）后进入保偏延迟光纤（13），线偏振光以45°光纤熔接点注入到保偏延迟光纤（13）的快轴和慢轴传播，之后两束正交的线偏振光进入传感环圈（17）；

传感环圈（17）包括依次连接的λ/4光纤波片（14）、传感光纤（15）、反射镜（16）；其中传感光纤（15）是低双折射单模光纤，螺旋缠绕在刻有凹槽（32）的环形石英玻璃骨架（31）上；传感环圈（17）中传播的两束正交的线偏振光由λ/4光纤波片（14）转换为两束正交的圆偏振光并进入传感光纤（15），在导线内电流产生磁场的Faraday磁光效应作用下，两束圆偏振光的传播速度不同，产生Faraday相差，经反射镜（16）发生镜面反射后两束圆偏振光沿原光路返回，同时Faraday相移加倍，并再次由λ/4光纤波片（14）转换为两束模式互换的正交线偏振光，沿保偏光纤快轴传输的线偏光此时沿慢轴传输，原来沿保偏光纤慢轴传输的线偏光此时沿快轴传输；最终，携带Faraday效应相位信息的两束光在起偏器（10）处发生干涉，然后由第二单模耦合器（9）耦合进第一光电探测器（18）和第一光电探测器（19）；

信号处理单元（20）包括光源噪声抑制单元（21）、相位解调电路（29）和相位调制驱动电路（30）；光源噪声抑制单元（21）采用数字电路相减法在FPGA中实现，抑制光源强度噪声；第一光电探测器（18）中的光电流依次经过第一前置放大器（22）放大，再通过第一滤波器（24）滤波后进入第一A/D转换器（26）进行模数转换，将包含了电流信息和光源强度噪声的信息输入至数字相减电路（28）；第二光电探测器（19）中的光电流经过第二前置放大器（23）、第二滤波器（25）、第二A/D转换器（27）后，将只包含光源强度噪声的信息输入至数字相减电路（28）；两路信号在数字相减电路（28）中进行相减，去除光源强度噪声的影响，只包含电流信息，然后通过相位解调电路（29）和相位调制驱动电路（30）分别进行相位调制解调，实现全光纤电流互感器的闭环控制和数据输出，得到实测的电流值大小和相位值。

2.如权利要求1所述的一种高精度高可靠全光纤电流互感器，其特征在于：所述光源单元（1）采用有源光学器件冗余设计方法，包括主光源SLD（3）、备用光源SLD（4）、主光源驱动电路（5）、备用光源驱动电路（6）、第一单模耦合器（7）、偏振光合束器（8）；

两个波长和功率一致的主光源SLD（3）、备用光源SLD（4）提供驱动电流，分别连接至第一单模耦合器（7）的两个输入端，第一单模耦合器（7）的输出端分别连接偏振光合束器（8）的两个输入端，偏振光合束器（8）的输出端连接第二单模耦合器（9），提供输出光；通过主光源驱动电路（5）和备用光源驱动电路（6）的驱动电流实时调节光源的功率。

3.如权利要求2所述的一种高精度高可靠全光纤电流互感器，其特征在于：主光源SLD（3）提供80～100mA的驱动电流，备用光源SLD（4）提供5～10mA的驱动电流。

4.如权利要求1所述的一种高精度高可靠全光纤电流互感器，其特征在于：λ/4光纤波片（14）采用温度系数为-0.022°/℃的椭芯保偏光纤制作，λ/4光纤波片（14）的相位延迟与温度之间为线性关系，随温度升高而减小，变温过程中λ/4光纤波片（14）相位延迟始终大于90°。

5.如权利要求4所述的一种高精度高可靠全光纤电流互感器，其特征在于：传感光纤（15）的Verdet常数具有正温度系数，λ/4光纤波片（14）在常温下的相位延迟为95.0°～104.8°，λ/4光纤波片（14）的相位延迟对互感器变比的影响和传感光纤（15）的Verdet常数随温度变化造成的影响相反，二者相互补偿。

6.如权利要求1所述的一种高精度高可靠全光纤电流互感器，其特征在于：所述传感光纤（15）圈数大于25匝。

7.如权利要求1所述的一种高精度高可靠全光纤电流互感器，其特征在于：环形石英玻璃骨架（31）均分为6段，每段刻上25个斜凹槽，各段中的斜凹槽依次排序，首尾相连，凹槽深度为0.25mm，宽度为0.25mm，每段中两凹槽距离0.1mm；传感光纤（15）沿着凹槽（32）依次螺旋绕在环形玻璃骨架（31）上，控制张力为30g。