CN106896254A - 一种全光纤电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全光纤电流互感器，包括高压绝缘壳罩、导电柱、光学传感环、传输光纤、复合支柱绝缘子、固定基座和合并单元控制箱，导电柱和光学传感环设在高压绝缘壳罩内，高压绝缘壳罩的外部两端对称设有与导电柱电连接的高压导线接线端子，高压绝缘壳罩装在复合支柱绝缘子的顶端，传输光纤设在复合支柱绝缘子的绝缘芯棒内，光学传感环的光纤接头与传输光纤熔接；合并单元控制箱设在固定基座内，传输光纤与连接光缆熔接；合并单元控制箱内设有光源‑光纤耦合器、偏振器、光相位调制器、光电探测器和信号处理电路板。本电流互感器的传感光信号在发送和接收时通过同一光纤和同一光学系统，提高了测量精度及长期运行的稳定可靠性。

Description

一种全光纤电流互感器

技术领域

本发明属于高压输变电设备技术领域，涉及一种电流互感器，尤其涉及一种全光纤电流互感器。

背景技术

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，传统电磁式电流互感器已经越来越不能满足电力系统的发展要求。由于电流互感器是电力系统中的关键设备，为各种安全稳定控制、继电保护及计量装置提供电信号，随着国内智能化变电站的全面建设，光学电流互感器替代传统的电磁式电流互感器是必然的趋势。

光学电流互感器分为全光纤型、块状玻璃型和混合型三种，其中，全光纤型和块状玻璃型电流互感器主要利用了光学材料的法拉第效应。全光纤型电流互感器采用光纤作为传感材料，具有柔软可弯曲、体积小、重量轻、结构简单、可靠性高、易与传输光纤耦合、可长距离传输、便于与计算机连接组成遥测网络等优点。现有技术中的全光纤型电流互感器一般通过偏振计量技术对线偏振光的偏振态的改变达到测量电流的目的，这种测量方式中，由于光传输路径存在非互易性，系统的测量精度易受光纤双折射、环境温度、振动等因素的影响，使得全光纤电流互感器长期以来在测量精度、长期运行的可靠性等方面难以满足实际要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全光纤电流互感器，该电流互感器的结构简单，可靠性高，光学传感环与传输光纤采用熔接形成同一光纤，使得光传输路径具有互易性，传感光信号在发送和接收时通过同一光纤和同一光学系统，并且光学传感环采用闭合结构，杜绝了光学传感环外的干扰影响，有效提高了系统抗震动、抗干扰及抗温度变化等性能，有效保证了其测量精度及长期运行的稳定可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种全光纤电流互感器，包括高压绝缘壳罩、导电柱、光学传感环、传输光纤、复合支柱绝缘子、固定基座和合并单元控制箱，所述导电柱和光学传感环均设置在高压绝缘壳罩内，所述导电柱水平贯穿设置在光学传感环的环心处，所述高压绝缘壳罩的外部两端对称设有高压导线接线端子，所述高压导线接线端子与导电柱位于同一条直线上且高压导线接线端子与导电柱电连接；所述高压绝缘壳罩通过连接法兰板固定安装在复合支柱绝缘子的顶端，所述复合支柱绝缘子包括玻璃钢伞裙和绝缘芯棒，所述传输光纤竖直设置在绝缘芯棒的内腔，所述高压绝缘壳罩的底部开口，并在连接法兰板上开设通孔，所述光学传感环的光纤接头穿过连接法兰板的通孔与传输光纤熔接；所述复合支柱绝缘子的底端通过连接法兰板与固定基座固定连接，所述合并单元控制箱设置在固定基座的内腔中，所述传输光纤与合并单元控制箱上的连接光缆熔接；所述合并单元控制箱内设有光源-光纤耦合器、偏振器、光相位调制器、光电探测器和信号处理电路板，所述光源-光纤耦合器、偏振器和光相位调制器依次通过连接光缆相连接，所述光相位调制器通过连接光缆连接传输光纤，所述光电探测器通过连接光缆连接耦合器的光信号输出端，所述光电探测器的电信号输出端电连接信号处理电路板，所述信号处理电路板电连接光相位调制器。

作为本发明的一种改进， 所述高压绝缘壳罩采用表面制备氧化陶瓷膜的铝合金板制作而成，高压绝缘壳罩的形状为圆柱形，底部通过紧固螺栓与法兰连接板固定连接而进行封口，所述光学传感环同轴设置在高压绝缘壳罩的内部，所述导电柱和高压导线接线端子均位于光学传感环的中心轴线上。

作为本发明的一种改进，所述导电柱的两端套接固定安装在高压绝缘壳罩上，并在导电柱与高压绝缘壳罩的接触部设有绝缘密封垫圈，所述高压导线接线端子套设在矩形的绝缘壳罩内，高压导线接线端子的一端通过紧固螺钉与导电柱固定连接，另一端上设有多个接线柱孔，所有接线柱孔露出在绝缘壳罩的外部，并采用设置在绝缘壳罩上部的顶盖进行密封。

作为本发明的一种改进，所述光学传感环包括圆环形支撑座、均匀缠绕在圆环形支撑座上的V形槽的传感光纤、熔接在传感光纤头部的反射镜以及熔接在传感光纤尾部的1/4波片，所述反射镜与1/4波片相互对立设置，所述光纤接头与1/4波片相连接，在V形槽内灌封有紫外线固化胶对传感光纤进行定位密封。

作为本发明的一种改进， 所述支撑座的底部设有固定台板，所述固定台板通过紧固螺钉固定安装在设置于高压绝缘壳罩底部的连接法兰板上，所述固定台板上开设有与连接法兰板相对应的通孔。

作为本发明的一种改进， 所述玻璃钢伞裙采用浸润有环氧树脂的三维玻璃纤维布绕制而成的环状伞裙，伞裙分为大伞裙和小伞裙，大伞裙和小伞裙等间隔套设在绝缘芯棒的外部，并且大伞裙、小伞裙与绝缘芯棒的接触部采用环氧树脂胶粘接，所述绝缘芯棒采用环氧树脂塑胶模压成型制成的空心芯棒。

作为本发明的一种改进，所述传输光纤采用保偏光缆，保偏光缆与绝缘芯棒之间的空腔内填充有环氧树脂胶进行密封，通过环氧树脂胶对传输光纤进行定位固定，防止其受振动的影响。

作为本发明的一种改进，所述合并单元控制箱采用铝制矩形箱体，在箱体的侧壁上开设有散热栅格，所述光源-光纤耦合器上设有LED光源和保偏光纤耦合器，所述LED光源与保偏光纤耦合器通光纤相连接，所述信号处理电路板上设有光纤调制解调模块、主控CPU、远程无线通信模块和温度监测模块，所述光纤调制解调模块、温度监测模块和远程无线通信模块均与主控CPU相连接，所述光纤调制解调模块与光相位调制器电连接，与温度监测模块相连接的为设置在传输光纤端部的温度探头。

相对于现有技术，本发明所提出的全光纤电流互感器的整体结构设计巧妙，拆卸组装维修更换方便，体积小、重量轻、安装灵活、运输安装成本低，集测量、远程通信及安全保护于一体，大大提高了电流检测的精度及长期运行使用的稳定可靠性；由于光学传感环、传输光纤及连接光缆熔接成为一根光纤且输入和输出的光信号经过同一个光学系统进行处理，形成了互易（是指两束光信号走过同一条路径）光路结构，并通过反射镜进一步使得两束光信号在同一条路径上严格同步，从而大大降低了温度、振动对光信号传输的影响，有效提高了光信号传输的稳定性；通过设置在固定基座内部的合并单元控制箱的信号处理电路板实现对光相位调制器进行负反馈控制，构成一个全数字闭环控制系统，有效保证了整个全光纤电流互感器系统的工作稳定可靠性，实现了高灵敏度及大范围的测量精度，同时也实现了全光纤电流互感器系统的远程智能化操控，大大提高了全光纤电流互感器的使用便利性。

附图说明

图1为本发明全光纤电流互感器的结构示意图。

图2为本发明全光纤电流互感器的工作原理框图。

图中：1-高压绝缘壳罩，2-导电柱，3-光学传感环，4-连接法兰板，5-传输光纤，6-复合支柱绝缘子，7-连接法兰板，8-固定基座，9-合并单元控制箱，10-高压导线接线端子，11-绝缘壳罩，12-支撑座，13-V形槽，14-传感光纤，15-固定台板，16-反射镜，17-1/4波片，18-伞裙，19-绝缘芯棒，20-顶盖。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。

实施例1：如图1和2所示，一种全光纤电流互感器，包括高压绝缘壳罩1、导电柱2、光学传感环3、传输光纤5、复合支柱绝缘子6、固定基座8和合并单元控制箱9，所述导电柱2和光学传感环3均设置在高压绝缘壳罩1内，所述导电柱2水平贯穿设置在光学传感环3的环心处，所述高压绝缘壳罩1的外部两端对称设有高压导线接线端子10，所述高压导线接线端子10与导电柱2位于同一条直线上且高压导线接线端子10与导电柱2电连接。通过高压导线接线端子10将待测载流母线与导电柱2电连接，从而利用光学传感环3将待测载流母线上的电流信号感应为传感光信号提供给合并单元控制箱9进行检测和计量。所述高压绝缘壳罩1通过连接法兰板4固定安装在复合支柱绝缘子6的顶端，所述复合支柱绝缘子6包括玻璃钢伞裙18和绝缘芯棒19，所述传输光纤5竖直设置在绝缘芯棒19的内腔，所述高压绝缘壳罩1的底部开口，并在连接法兰板4上开设通孔，所述光学传感环3的光纤接头穿过连接法兰板的通孔与传输光纤5熔融连接。所述复合支柱绝缘子6的底端通过连接法兰板7与固定基座8固定连接，所述合并单元控制箱9设置在固定基座8的内腔中，所述传输光纤5与合并单元控制箱9上的连接光缆熔融连接。这样就将本电流互感器上的所有光纤接头、传输光纤5及连接光缆连接成为同一根光纤。所述合并单元控制箱9内设有光源-光纤耦合器、偏振器、光相位调制器、光电探测器和信号处理电路板，所述光源-光纤耦合器、偏振器和光相位调制器依次通过连接光缆相连接，所述光相位调制器通过连接光缆连接传输光纤5，所述光电探测器通过连接光缆连接耦合器的光信号输出端，所述光电探测器的电信号输出端电连接信号处理电路板，所述信号处理电路板电连接光相位调制器。本全光纤电流互感器的体积小、重量轻、安装灵活、运输安装成本低，集测量、远程通信及安全保护于一体，大大提高了电流检测的精度及长期运行使用的稳定可靠性。

实施例2：如图1和2所示，作为本发明的一种改进，所述高压绝缘壳罩1采用表面制备氧化陶瓷膜的6063铝合金板制作而成，高压绝缘壳罩1的形状为圆柱形，底部通过紧固螺栓与法兰连接板4固定连接而进行封口，高压绝缘壳罩1的绝缘性能强，能够使得其适用于高达110KV及以上电压等级的智能化变电站系统。所述光学传感环3同轴设置在高压绝缘壳罩1的内部，所述导电柱2和高压导线接线端子10均位于光学传感环3的中心轴线上。采用高压绝缘壳罩1作为光学传感环3及导电柱2的防护安全罩，可有效提高其安全性能，并确保测量性能的可靠性。其余结构和优点与实施例1完全相同。

实施例3：如图1和2所示，作为本发明的一种改进，所述导电柱2的两端套接固定安装在高压绝缘壳罩1上，具体是在高压绝缘壳罩1上开设有用于固定套接导电柱2的套接孔，将导电柱2套接在套接孔中，并在导电柱2与高压绝缘壳罩1的接触部设有绝缘密封垫圈，以增强稳定可靠性及安全性能。导电柱2采用高导电性能的纯铜材质，在导电柱2的两端部设有用于固定连接高压导线接线端子10的螺纹盲孔。所述高压导线接线端子10套设在矩形的绝缘壳罩11内，高压导线接线端子10的一端通过纯铜材质的紧固螺钉与导电柱2固定连接，另一端上设有多个接线柱孔，所有接线柱孔露出在绝缘壳罩11的外部，并采用设置在绝缘壳罩11上部的顶盖20进行密封。将待测载流母线通过接线柱孔电连接在导电柱2上，使得导电柱2具有与待测载流母线相同的电性能特征。其余结构和优点与实施例2完全相同。

实施例4：如图1和2所示，作为本发明的一种改进，所述光学传感环3包括圆环形支撑座12、均匀缠绕在圆环形支撑座12上的V形槽13的传感光纤14、熔接在传感光纤14头部的反射镜16以及熔接在传感光纤14尾部的1/4波片17，所述反射镜16与1/4波片17相互对立设置，所述光纤接头与1/4波片17相连接，在V形槽13内灌封有紫外线固化胶对传感光纤14进行定位密封。此外，支撑座12采用热膨胀系数小的非金属材料（如陶瓷、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等）制成，可最大限度减小支撑座12的膨胀和收缩对传感光纤14造成的应力影响，提高全光纤电流互感器的测量准确度。其余结构和优点与实施例3完全相同。

实施例5：如图1和2所示，作为本发明的一种改进，所述支撑座12的底部设有固定台板15，所述固定台板15通过紧固螺钉固定安装在设置于高压绝缘壳罩1底部的连接法兰板上，所述固定台板15上开设有与连接法兰板4相对应的通孔。传感光纤14的光纤接头依次穿过固定台板15和连接法兰板4上的通孔，而与传输光纤5进行连接。其余结构和优点与实施例4完全相同。

实施例6：如图1和2所示，作为本发明的一种改进，所述玻璃钢伞裙18采用浸润有环氧树脂的三维玻璃纤维布绕制而成的环状伞裙18，伞裙18分为大伞裙18和小伞裙18，大伞裙18和小伞裙18等间隔套设在绝缘芯棒19的外部，并且大伞裙18、小伞裙18与绝缘芯棒19的接触部采用环氧树脂胶粘接，所述绝缘芯棒19采用环氧树脂塑胶模压成型制成的空心芯棒。复合支柱绝缘子6上采用大、小伞裙18间隔设置的结构，耐水污性好，电气性能优异且绝缘性能极佳。其余结构和优点与实施例5完全相同。

实施例7：如图1和2所示，作为本发明的一种改进，所述传输光纤5采用保偏光缆，保偏光缆有利于传输线偏振光，能够保证线偏振光的传输方向不发生改变，提高相干信噪比，有利于实现对电性能物理量的高精度测量。保偏光缆与绝缘芯棒19之间的空腔内填充有环氧树脂胶进行密封，通过环氧树脂胶对传输光纤5进行定位固定，防止其受振动的影响。其余结构和优点与实施例6完全相同。

实施例8：如图1和2所示，作为本发明的一种改进，所述合并单元控制箱9采用铝制矩形箱体，在箱体的侧壁上开设有散热栅格，所述光源-光纤耦合器上设有LED光源和保偏光纤耦合器，所述LED光源与保偏光纤耦合器通光纤相连接，LED光源发出的光源经过保偏光纤耦合器进行耦合处理后传送给偏振器。所述信号处理电路板上设有光纤调制解调模块、主控CPU、远程无线通信模块和温度监测模块，所述光纤调制解调模块、温度监测模块和远程无线通信模块均与主控CPU相连接，所述光纤调制解调模块与光相位调制器电连接，与温度监测模块相连接的为设置在传输光纤5端部的温度探头。所述信号处理电路板是采用基于DSP+FPGA架构的全数字闭环控制系统，通过光纤调制解调模块对光相位调制器进行调制、解调处理，并通过温度探头结合温度监测模块对传输光纤5的温漂进行控制，以确保全光纤电流互感器的测量精度免受温度的影响，最后采用远程无线通信模块可通过远程无线通信的方式将测量和计量的数据传输给远端监控平台或接收来自远端监控平台的控制指令，以实现对全光纤电流互感器工作状态的远程智能化操控。其余结构和优点与实施例7完全相同。

工作原理：本全光纤电流互感器主要包括设置在智能变电站高压一次设备侧的光学传感环3、作为光学传输通道的且与光学传感环3熔接的保偏光缆以及提供光学系统且进行测量和计量的合并单元控制箱9，其中，光学传感环3为一无源传感器件，无需外部供电，使用稳定可靠性佳。工作时，经过光源-光纤耦合器耦合处理后的光经偏振器起偏后转化为线偏振光，线偏振光以45°角进入光相位调制器，分解成两束相互垂直的线偏振光，通过光纤调制解调模块在光相位调制器上施加合适的调制算法，两束受到调制的光波通过传输光纤5进入传感光纤14，在导电柱2上载体电流产生的磁场作用下，两束光波之间产生正比于载体电流的相位角。经过反射镜16反射后两束光波通过传输光纤5返回到光相位调制器，到达偏振器后发生干涉，干涉光信号经过耦合器进入光电探测器，光电探测器输出的电压信号被信号处理电路板接收并运算，运算结果通过远程无线通信模块发送至远端监控平台。在当导电柱2上没有载体电流时，两束光信号的相位差为零，此时信号处理电路板的输出也为零；而当有载体电流时，两束光信号存在一个相位差，信号处理电路板对该相位差进行解调，从而得到被测电流的数字值并输出给远端监控平台。

本发明还可以将实施例2、3、4、5、6、7、8所述技术特征中的至少一个与实施例1组合形成新的实施方式。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种全光纤电流互感器，其特征在于：包括高压绝缘壳罩、导电柱、光学传感环、传输光纤、复合支柱绝缘子、固定基座和合并单元控制箱，所述导电柱和光学传感环均设置在高压绝缘壳罩内，所述导电柱水平贯穿设置在光学传感环的环心处，所述高压绝缘壳罩的外部两端对称设有高压导线接线端子，所述高压导线接线端子与导电柱位于同一条直线上且高压导线接线端子与导电柱电连接；所述高压绝缘壳罩通过连接法兰板固定安装在复合支柱绝缘子的顶端，所述复合支柱绝缘子包括玻璃钢伞裙和绝缘芯棒，所述传输光纤竖直设置在绝缘芯棒的内腔，所述高压绝缘壳罩的底部开口，并在连接法兰板上开设通孔，所述光学传感环的光纤接头穿过连接法兰板的通孔与传输光纤熔接；所述复合支柱绝缘子的底端通过连接法兰板与固定基座固定连接，所述合并单元控制箱设置在固定基座的内腔中，所述传输光纤与合并单元控制箱上的连接光缆熔接；所述合并单元控制箱内设有光源-光纤耦合器、偏振器、光相位调制器、光电探测器和信号处理电路板，所述光源-光纤耦合器、偏振器和光相位调制器依次通过连接光缆相连接，所述光相位调制器通过连接光缆连接传输光纤，所述光电探测器通过连接光缆连接耦合器的光信号输出端，所述光电探测器的电信号输出端电连接信号处理电路板，所述信号处理电路板电连接光相位调制器。

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，所述高压绝缘壳罩采用表面制备氧化陶瓷膜的铝合金板制作而成，高压绝缘壳罩的形状为圆柱形，底部通过紧固螺栓与法兰连接板固定连接而进行封口，所述光学传感环同轴设置在高压绝缘壳罩的内部，所述导电柱和高压导线接线端子均位于光学传感环的中心轴线上。

3.如权利要求1所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于，所述导电柱的两端套接固定安装在高压绝缘壳罩上，并在导电柱与高压绝缘壳罩的接触部设有绝缘密封垫圈，所述高压导线接线端子套设在矩形的绝缘壳罩内，高压导线接线端子的一端通过紧固螺钉与导电柱固定连接，另一端上设有多个接线柱孔，所有接线柱孔露出在绝缘壳罩的外部，并采用设置在绝缘壳罩上部的顶盖进行密封。

4.如权利要求1所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于，所述光学传感环包括圆环形支撑座、均匀缠绕在圆环形支撑座上的V形槽的传感光纤、熔接在传感光纤头部的反射镜以及熔接在传感光纤尾部的1/4波片，所述反射镜与1/4波片相互对立设置，所述光纤接头与1/4波片相连接，在V形槽内灌封有紫外线固化胶对传感光纤进行定位密封。

5.如权利要求4所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于，所述支撑座的底部设有固定台板，所述固定台板通过紧固螺钉固定安装在设置于高压绝缘壳罩底部的连接法兰板上，所述固定台板上开设有与连接法兰板相对应的通孔。

6.如权利要求1所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于，所述玻璃钢伞裙采用浸润有环氧树脂的三维玻璃纤维布绕制而成的环状伞裙，伞裙分为大伞裙和小伞裙，大伞裙和小伞裙等间隔套设在绝缘芯棒的外部，并且大伞裙、小伞裙与绝缘芯棒的接触部采用环氧树脂胶粘接，所述绝缘芯棒采用环氧树脂塑胶模压成型制成的空心芯棒。

7.如权利要求6所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于，所述传输光纤采用保偏光缆，保偏光缆与绝缘芯棒之间的空腔内填充有环氧树脂胶进行密封。

8.如权利要求1所述的一种全光纤电流互感器，其特征在于，所述合并单元控制箱采用铝制矩形箱体，在箱体的侧壁上开设有散热栅格，所述光源-光纤耦合器上设有LED光源和保偏光纤耦合器，所述LED光源与保偏光纤耦合器通光纤相连接，所述信号处理电路板上设有光纤调制解调模块、主控CPU、远程无线通信模块和温度监测模块，所述光纤调制解调模块、温度监测模块和远程无线通信模块均与主控CPU相连接，所述光纤调制解调模块与光相位调制器电连接，与温度监测模块相连接的为设置在传输光纤端部的温度探头。