CN106706991A - 一种光学电流互感器 - Google Patents

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孙海洋
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Abstract

本发明涉及一种光学电流互感器，包括公共光源、基于线偏振光测量原理的第一测量单元和基于圆偏振光测量原理的第二测量单元，第一测量单元包括第一传输光纤和检测模块，第二测量单元包括第二传输光纤和采集模块，公共光源通过第一传输光纤连接检测模块，通过第二传输光纤连接采集模块。该光学电流互感器中包含有两种测量原理的测量单元，相对于基于单一测量原理的光电电流互感器，该光学电流互感器的抗干扰性得到了很大地提升，实现了两种测量原理的互补，因此，该互感器的可靠性较强。

Description

一种光学电流互感器
技术领域
本发明涉及一种光学电流互感器。
背景技术
随着我国智能电网的发展，电磁式互感器存在的电磁饱和及绝缘成本等问题，已经不能适应高压电网的发展要求。近年来发展了多种形式的新型电子式电流互感器，尤其是基于法拉第磁光效应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、易与数字设备接口等优点。
光学电流传感器相较于传统电流传感器具有安全性高、精度高、测量范围广等众多的优点，目前，现有的光学电流传感器主要由两种，一种基于线偏振光的传感原理，另一种基于圆偏振光的传感原理，这两种光学电流传感器虽然均能够实现电流的有效检测，但是至今在实际应用中并未得到充分的推广，原因在于目前的光学电流传感器，受温度、压力、形变、外磁场等诸多因素的影响，导致传感器精度难以满足要求，而大电流、超大电流的测量往往在十分恶劣的环境下进行，这就导致基于单一传感原理的单一光学电流传感器的可靠性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学电流互感器，用以解决基于单一传感原理的光学电流传感器的可靠性较差的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：一种光学电流互感器，包括公共光源、基于线偏振光测量原理的第一测量单元和基于圆偏振光测量原理的第二测量单元，所述第一测量单元包括第一传输光纤和检测模块，所述第二测量单元包括第二传输光纤和采集模块，所述公共光源通过所述第一传输光纤连接所述检测模块，通过所述第二传输光纤连接所述采集模块。
所述公共光源输出连接第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器具有两路出射光纤，分别是所述第一传输光纤和第二传输光纤。
所述检测模块包括依次设置的第一自聚焦透镜、起偏器、晶体、检偏器和第二自聚焦透镜，所述第二自聚焦透镜通过光纤输出连接线偏振光调制解调组件。
所述采集单元包括依次连接的第二光纤耦合器、起偏器、相位调制器、解调电路和光探测器，所述光探测器与所述第二光纤耦合器连接，所述相位调制器通过光纤连接光纤电流传感环。
所述光纤电流传感环的输出端口设有波片和反射镜。
所述波片是1/4波片。
所述第一测量单元输出连接线偏振光学测量信号处理单元，所述第二测量单元输出连接圆偏振光学测量信号处理单元，所述线偏振光学测量信号处理单元和圆偏振光学测量信号处理单元输出连接信号输出单元。
本发明提供的光学电流互感器中包括两个测量单元，分别基于线偏振光测量原理和基于圆偏振光测量原理，所以，该光学电流互感器基于两个传感原理，并且根据对应的测量单元对电流进行检测，相对于只基于单一传感原理的光学电流互感器，该光学电流互感器能够有效避免只有一种传感原理的光学电流互感器在测量时带来的测量准确度低的情况，所以，本发明提供的光学电流互感器的抗干扰性和测量准确性得到了很大地提升，能够实现两种测量原理的互补，其可靠性较强。
而且，本发明提供的光学电流互感器是基于双重感应的线偏振光电流测量与圆偏振光的测量方法及光束的相关性构成的光学电流互感器。利用同一光源光路，再通过不同的调制解调方法，从中解调出各自检测到的被测电流，实现双重化数据的纠错检错，精确测量被测电流，提高了光学互感器测量的可靠性。
附图说明
图1是光学电流互感器结构示意图。
具体实施方式
首先，简单介绍一下线偏振光的传感原理和圆偏振光传感原理。其中：
线偏振光的传感原理为：光束通过晶体(一般为玻璃)时，在磁场的影响下由于法拉第效应，光场的偏振态会发生旋转。光束通过起偏器得到线偏振光；再通过晶体，在磁场的影响下，光束偏振方向发生旋转；用检偏器检测偏振方向旋转角，即可测量出磁场的大小。由于电流的磁效应会产生磁场，通过测量磁场的大小可计算出相应的电流大小。也就是说，线偏振光的测量原理为直接测量线偏振光的偏振角的相对变化，根据Faraday磁光效应可知，载流导线中传输的电流大小与线偏振光的偏振角成正比，因此通过检测光相位差信号可计算出待测电流值。
圆偏振光的传感原理为：光束通过光纤时，在磁场的影响下由于法拉第效应，圆偏振光的相位角会发生变化。在磁场的影响下，两束(左右旋)圆偏振光发生干涉。根据Faraday磁光效应与安培环路定律可知，载流导线中传输的电流大小与相位差成正比，因此通过检测光相位差信号可计算出待测电流值。也就是说，圆偏振光的测量原理为测量圆偏振光的干涉后光程差的相对变化，根据Faraday磁光效应与安培环路定律可知，载流导线中传输的电流大小与相位差成正比，因此通过检测光相位差信号可计算出待测电流值。
基于上述两种传感原理，本实施例给出一种同时基于上述两种传感原理的光学电流互感器。该光学电流互感器包括光源，以及两个测量单元，其中，第一测量单元基于线偏振光测量原理，为线偏振光学测量单元；第二测量单元基于圆偏振光测量原理，为圆偏振光学测量单元。第一测量单元包括第一传输光纤和检测模块，第二测量单元包括第二传输光纤和采集模块。该光源作为这两个测量单元的公共光源，所以，该光源通过第一传输光纤连接检测模块，通过第二传输光纤连接采集模块。
由于上述两种传感原理，以及基于这两个传感原理的光学互感器属于常规技术，又因为本发明的创新点在于同时将两种传感原理集成在一个互感器中，所以，本发明并不局限于互感器中的第一测量单元和第二测量单元的具体结构。以下对这两个测量单元的具体结构进行具体说明，当然，本发明并不局限于下述结构描述。
如图1所示，光源1通过入射光纤连接至光纤耦合器2，光纤耦合器2有两路出射光纤，其中，第一路连接至线偏振光测量单元，第二路连接至圆偏振光测量单元。
线偏振光测量单元包括顺次布设的第一自聚焦透镜3、起偏器4、晶体5、检偏器6和第二自聚焦透镜7，光纤耦合器2的第一路出射光纤将光信号传输给第一自聚焦透镜3，第二自聚焦透镜7的出射光通过出射光纤连接至线偏振光调制解调组件8，线偏振光调制解调组件8将光信号转换为电信号。并且光学电流互感器中还设置有线偏振光学测量信号处理单元，该处理单元可以为常规的数据处理器。线偏振光调制解调组件8输出连接该线偏振光学测量信号处理单元，用于对线偏振光调制解调组件8输出的电信号进行采集处理，进而得到被测电流数据。
该线偏振光测量单元的整体工作过程为：光束通过起偏器4得到线偏振光，再通过晶体5，在磁场的影响下，光束偏振方向发生旋转，检偏器6能够检测偏振方向旋转角，即可测量出磁场的大小。由于电流的磁效应会产生磁场，通过测量磁场的大小可计算出相应的电流大小。
圆偏振光学测量单元包括依次连接的光纤耦合器9、起偏器10、相位调制器11、解调电路15和光探测器16，光探测器16与光纤耦合器9连接。光纤耦合器2的第二路出射光纤发出的光传输给光纤耦合器9。相位调制器11通过保偏光纤连接光纤电流传感环13，并且光纤电流传感环13的输出端口设有1/4波片12和反射镜14。
圆偏振光学测量单元的工作过程为：光纤耦合器2的第二路出射光纤发出的光经过光纤耦合器9和起偏器10后，变为线偏振光。起偏器10的尾纤与相位调制器11的尾纤以45°熔接，线偏振光以45°注入保偏光纤延迟线，分别沿保偏光纤的X轴和Y轴传输。这两个正交模式的线偏振光经过1/4波片12后，分别变为左旋和右旋圆偏振光，进入传感光纤中传播。载流导线中传输的电流产生磁场，在光纤电流传感环13中产生法拉第磁光效应，使这两束圆偏振光的相位差发生变化并以不同的速度传输，在反射镜14处反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)再次通过传感光纤，并再次经历法拉第效应使两束光产生的相位差加倍。这两束光再次通过1/4波片12后，恢复为线偏振光。两束光在起偏器10处发生干涉，携带相位差信号的光，即干涉后的光被光纤耦合器9分出一部分到光探测器16中，光探测器16将光信号转换为电信号，圆偏振光学测量信号处理单元将电信号进行采集处理，进而得到被测电流数据。该圆偏振光学测量信号处理单元也可以为常规的数据处理器。
线偏振光学测量信号处理单元和圆偏振光学测量信号处理单元还可输出连接信号输出单元，用于对传输的两路电流数据进行进一步处理分析，比如：分析两个电流数据之间的误差，并将处理后的电流数据进行输出。所以，该信号输出单元能够实现双重数据的冗余，提升数据检测的准确性。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种光学电流互感器，其特征在于，包括公共光源、基于线偏振光测量原理的第一测量单元和基于圆偏振光测量原理的第二测量单元，所述第一测量单元包括第一传输光纤和检测模块，所述第二测量单元包括第二传输光纤和采集模块，所述公共光源通过所述第一传输光纤连接所述检测模块，通过所述第二传输光纤连接所述采集模块。
2.根据权利要求1所述的光学电流互感器，其特征在于，所述公共光源输出连接第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器具有两路出射光纤，分别是所述第一传输光纤和第二传输光纤。
3.根据权利要求1或2所述的光学电流互感器，其特征在于，所述检测模块包括依次设置的第一自聚焦透镜、起偏器、晶体、检偏器和第二自聚焦透镜，所述第二自聚焦透镜通过光纤输出连接线偏振光调制解调组件。
4.根据权利要求1或2所述的光学电流互感器，其特征在于，所述采集单元包括依次连接的第二光纤耦合器、起偏器、相位调制器、解调电路和光探测器，所述光探测器与所述第二光纤耦合器连接，所述相位调制器通过光纤连接光纤电流传感环。
5.根据权利要求4所述的光学电流互感器，其特征在于，所述光纤电流传感环的输出端口设有波片和反射镜。
6.根据权利要求5所述的光学电流互感器，其特征在于，所述波片是1/4波片。
7.根据权利要求1所述的光学电流互感器，其特征在于，所述第一测量单元输出连接线偏振光学测量信号处理单元，所述第二测量单元输出连接圆偏振光学测量信号处理单元，所述线偏振光学测量信号处理单元和圆偏振光学测量信号处理单元输出连接信号输出单元。
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