CN107328977A - 单传感双采样全光纤电流互感器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单传感双采样全光纤电流互感器，主要包括光纤传感系统和数据处理系统，其中，所述光纤传感系统主要包含光源、耦合器、起偏器、45°熔接点、延迟光纤、1/4波片、光纤线圈、反射镜和光电探测器，所述数据处理系统主要由两套数据处理单元组成，每套所述数据处理单元均包括模数转换模块、中央处理单元、数模转换模块、输出模块和相位调制器；本发明的单传感双采样全光纤电流互感器及其性能优化与可靠性提升的工作方法，对已有全光纤电流互感器的结构进行优化，突破“单传感、多采样”的关键技术，实现测量用与保护用的同步运行，提高运行稳定性，并降低其工程制造成本，有效保障了电力系统供配电的连续性和可靠性。

Description

单传感双采样全光纤电流互感器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种智能变电站用无源电子式电流互感器，特别是涉及了一种基于单传感双采样技术的全光纤电流互感器及其性能优化与可靠性提升的工作方法。

背景技术

目前电力系统中广泛采用的是电磁式电流互感器。它的结构类似于变压器，一次绕组串联在被测电流线路中，二次绕组与电流测量设备或继电保护设备串联，一二次侧绕组绕在同一铁芯上，通过铁芯的磁耦合实现一次二次侧之间电流的转换。一二次侧绕组之间以及绕组与铁芯之间要采取一定的绝缘措施，以保证一次侧与二次侧之间的电气隔离。根据应用场合以及被测电流大小的不同，通过合理改变一二次侧绕组匝数比可以将一次侧电流值按比例变换成标准的1A或5A电流值，用于驱动二次侧电器设备或供测量仪表使用。但随着电力系统电压等级的升高以及传输容量的增大，传统的电磁式电流互感器也面临着诸多问题：

1、绝缘结构复杂、尺寸大、造价高。随着电压等级的提高，采用了油纸绝缘和气体绝缘的方式；在超高压电网中，采用了串级绝缘的方法。由此可见，随着电压等级的提高，电磁式电流互感器的绝缘结构越来越复杂，制造上越来越不方便，造价也越来越高。

2、测量准确度无法满足。随着电力系统传输容量的增大，传输电流以及电流的动态范围不断增大，由于磁饱和及磁滞问题造成的电磁式电流互感器测量动态范围小、频率响应范围窄和测量精度不高等问题显得日益突出。

3、设备安装、检修不方便，维护工作量大。由于电磁式电流互感器的体积庞大，重量较重，运输安装极为不便，在正常运行时需要绝缘支架支撑，相应的给维修也带来了不方便。

4、存在潜在的危险。电磁式电流互感器的一二次之间靠电磁变换原理实现能量传递，因此一二次之间总是存在着电磁联系。如果某种原因导致二次侧出现开路时，一次侧大电流完全成为励磁电流，就会在二次侧感应出高电压，危及人身与设备的安全。

5、存在电磁干扰的问题。在高压环境中，电磁式电流互感器的电流信号通过导线传输时将受到严重的电磁干扰，影响测量准确度。

因此，传统的电磁式电流互感器已经很难满足电力系统的发展要求，研究新型的电流互感器势在必行。随着光电子技术的日益成熟，电子式电流互感器逐渐成为现代电力行业所需求的新型电流互感器的重要方向。电子式电流互感器作为智能变电站建设的关键设备之一，具有举足轻重的地位。电子式电流互感器具有动态范围大、频率响应宽、体积小、质量轻等优点，并且在110(66)kV及以上系统中广泛采用的数字式输出，可以方便的进行智能化、自动化控制，是智能变电站建设发展的必然趋势。

在应用过程中，电子式电流互感器出现了很多的问题，包括隔离开关开合时导致保护误动、模块功能失灵等各种各样的问题，主要类型为绝缘问题、光纤故障、传感器故障、采集器故障、电磁干扰影响和合并单元故障等问题，这些问题的出现，主要是因为电子式电流互感器在设计和应用时没有考虑到现场复杂的应用情况以及设计人员对产品的高压方面的性能考虑不足。

目前应用的电子式电流互感器从测量技术上分为有源电子式电流互感器和无源电子式电流互感器。前者利用空心线圈的电磁感应原理感应一次侧电流，然后将信号进行电光转换后使用光纤传输信号，所以高压侧需要提供能量给电光转换电路；后者则利用偏振光在磁场中的旋光效应，因此在高压侧无需能量供应，成为电子式电流互感器发展的主流方向。特别是全光纤电流互感器，目前电力部门对全光纤电流传感器需求和使用量较大，但缺少长时间的运行经验，在实际运用阶段全光纤电流互感器的结构由于无法实现单光纤传感器双A/D采样技术，要形成双A/D备份，就需要用两个光纤传感器进行备份，这样就造成了无源电子式互感器的使用成本高，影响无源电子式电流互感器的推广应用。

综上所述，尽管国内外有越来越多的新型电流互感器投入使用或进行现场试运行，但要完全满足电力系统关于可靠性、精度和测量范围的要求，还有许多方面需要进一步研究和改进。因此，本发明通过对无源电子式电流互感器结构优化设计研究，在保证无源电子式电流互感器稳定性的基础上，对其结构进行优化，降低其成本，以利于无源电子式电流互感器的推广和应用。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种基于单传感双采样技术的全光纤电流互感器及其性能优化与可靠性提升的工作方法，对已有全光纤电流互感器的结构进行优化，突破“单传感、多采样”的关键技术，实现测量用与保护用的同步运行，提高运行稳定性，并降低其工程制造成本，有效保障了电力系统供配电的连续性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明提出了一种单传感双采样全光纤电流互感器，

主要包括光纤传感系统和数据处理系统，其中，所述光纤传感系统主要包含光源、耦合器、起偏器、45°熔接点、延迟光纤、1/4波片、光纤线圈、反射镜和光电探测器，所述数据处理系统主要由两套数据处理单元组成，每套所述数据处理单元均包括模数转换模块、中央处理单元、数模转换模块、输出模块和相位调制器；

其中，所述光源、耦合器、起偏器、45°熔接点、第一相位调制器、第二相位调制器、延迟光纤、1/4波片、光纤线圈和反射镜依次设置形成光通路；

所述耦合器还与光电探测器的输入端相连；所述光电探测器输出端分别与第一模数转换模块和第二模数转换模块的输入端之间形成信号通路；所述第一模数转换模块、第一中央处理单元、第一数模转换模块和第一相位调制器依次设置形成信号通路；所述第二模数转换模块、第二中央处理单元、第二数模转换模块和第二相位调制器依次设置形成信号通路；第一中央处理单元还与第一输出模块之间形成信号通路；第二中央处理单元还与第二输出模块形成信号通路。

进一步的，在所述光电探测器输出端与第一模数转换模块和第二模数转换模块之间设置有一进二出的信号隔离器，以将光电探测器输出的电信号分成两部分分别传输给第一模数转换模块和第二模数转换模块。

进一步的，所述两套数据处理单元还分别具有第一数据采集模块和第二数据采集模块。

进一步的，所述光源采用超辐射发光二极管。

进一步的，所述光电探测器为PIN光电二极管。

进一步的，所述45°熔接点，是将光源输出光经过光纤起偏器起偏，生成一束线偏振光，作为制作λ/4波片时用于监测的信号光，然后将传输光纤与玻片光纤分别放入两个光纤夹具中，采用半自动熔接方式在延迟光纤熔接机里初步对准，波片光纤的另一端则接入偏振分析仪，对传输光的偏振消光比(PER)和偏振度(DOP)进行实时检测，通过调节熔接机的马达，并且手动旋转波片光纤，当传输光的PER达到最小值且DOP达到最大值时，进行放电熔接以精确实现45°熔接。

进一步的，所述λ/4波片，是将波片输入端光纤、45°熔接点与波片光纤组成的光纤段在不松开光纤夹具的状态下从熔接机中取出，以光纤夹具的外沿为起点，用游标卡尺在夹具上量好所需的1/4拍长长度，再以夹具外沿为准，将光纤段在夹具上整体向波片输入端光纤的方向移动所量长度，然后将夹具夹持住的光纤段放入光纤切割刀中，以将所需截取长度的切割点精确的放置于刀片正上方，切割后的新光纤段就包含有波片输入端光纤、45°熔接点和仅剩1/4拍长长度的波片光纤。

本发明还提出了一种上述单传感双采样全光纤电流互感器的工作方法，主要包括，

1)将光源发出的光经耦合器进入起偏器，得到的线偏振光经过45°熔接点后分为偏振方向互相垂直的两束线偏振光，沿着延迟光纤的两个模式独立传输；

2)两束线偏振光经过λ/4波片作用后分别被转换为左旋和右旋圆偏振光并进入光纤线圈；在光纤线圈中，在载流导线安培效应产生的磁场作用下，两束圆偏振光各经历法拉第旋光效应产生法拉第相移；当传输至反射镜处时发生镜面反射，左旋圆偏振光转变为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光转变为左旋圆偏振光，然后沿光纤线圈逆时针返回；返回过程中，模式互换的两束圆偏振光在磁场作用下再次各自经历法拉第旋光效应产生法拉第相移；

3)经λ/4波片作用恢复为偏振方向互相垂直的两束线偏振光，经过45°溶接点在起偏器处发生干涉后进入光电探测器；

4)经过两套数据数据处理单元对光纤传感系统获取的带有电流信息的光强信号的光电转换、放大处理以及信号解调，最终获取被测导体的电流大小。

进一步的，所述步骤4)为，光电探测器输出的电压信号首先进行隔直处理，再经过放大和滤波后，经模数转换模块转换数字信号，然后送入数字信号的中央处理单元进行数据解调、积分和滤波处理，并由阶梯波生成算法计算出阶梯波台阶高度，之后该阶梯波与固定周期调制方波在时序控制单元控制下叠加，再经中央处理单元控制的数模转换模块转换后形成模拟电压波形，驱动相位调制器，至此完成系统的一次闭环反馈，并输出被测导体电流大小到输出模块。

进一步的，所述调制方波的周期为2T，所述T为光在光纤线圈中的渡越时间。

与现有的全光纤电流互感器检测技术相比，本发明检测安全、迅速、准确，便于与继电保护装置配合使用，并降低使用成本，具体的有益效果如下：

1、采用一种优化配置的集成传感光路方案，配合双A/D、双D/A控制电路，便于实现采样数据的迅速、精确测量，降低了测量误差所造成的继电保护误动作，提高了测量的可比性与准确性，满足继电保护配置的可靠性要求；

2、采用偏振分析仪实时检测光纤中传输光的偏振消光比和偏振度，可以迅速在获取传输光最小偏振消光且最大偏振度时精确放电熔接实现光纤的45°熔接，进而得到截取波片光纤的1/4拍长长度所需的切割点，能够在最短时间内满足光纤λ/4波片保持快轴与慢轴之间π/2相位延迟，实现线偏振光和圆偏振光之间的完全正确转换，提高了利用Faraday效应完成电流检测的精确度；

3、采用单光纤传感器、两路采样回路的独立工作配置，便于实现采样系统接入合并单元的集成安装，实现了整体闭环反馈信号处理下的双重化数据采样，实现了两路采样回路的独立工作，同时减少了光纤传感器的使用，降低了工程造价与使用成本。

4、实现了全光纤电流互感器在更大动态范围的电流精确检测，提高了输出信号的可比性与准确性，便于对检测信号进行实时处理并与继电保护装置相结合。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明单传感双采样全光纤电流互感器的结构示意图；

图2为相位调制示意图；

图3为被测导体电流波形图。

图1中的符号表示：1-光纤线圈；2-反射镜；3-1/4波片；4-延迟光纤；5-45°熔接点；6-起偏器；7-耦合器；8-光源；9-光电探测器；10-第一相位调制器；11-第二相位调制器；12-第一模数转换模块；13-第一中央处理单元；14-第一数模转换模块；15-第一输出模块1；16-第二模数转换模块；17-第二中央处理单元；18-第二数模转换模块；19-第二输出模块；20-第二数据采集模块；21-第一数据采集模块；22-被测导体。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明中基于单传感双采样全光纤电流互感器由光纤传感系统和数据处理系统构成。

1、光纤传感系统是由光源8、起偏器6、45°熔接点5、延迟光纤4、1/4波片3、光纤线圈1、反射镜2、耦合器7和光电探测器9构成的闭合光路系统，实现了光源发出的光能够分为两束正交的偏振光，并且两束偏振态的光在相同的光路中传播，具有相同的传输特性和附加相位，同时使得光波在光路中绕行一周回到出发点时能够产生相位变化，在出发点产生Sagnac干涉，具体优化方法如下：

首先，作为光纤传感系统的核心器件之一，光源的性能直接影响整个系统的技术指标。当前光源无法满足光纤传感器所要求的光源体积小、便于和光纤耦合、波长适当、亮度足够且能量损失小、较好的相干性和稳定性以及连续稳定工作，针对当前光源存在的不足，本方法通过采用超辐射发光二极管光源进行优化，是介于激光二极管和发光二极管之间的宽光谱低相干光源，其输出功率P满足驱动电流i、结温T、发光面s和光纤耦合效率η的函数关系：

P＝f(i，T，s，η) (1)

超辐射发光二极管光源有短的相干长度，显著降低了光纤圈中的瑞利背向散射和非线性光克尔效应等引起的噪声，并且具有较高的输出功率和较小的光束发散角，提高了耦合入尾纤的功率和系统的信噪比。

其次，作为光纤传感系统的最关键器件，通常选择全光纤型的λ/4波片，直接影响传输线路上的线偏振光转换为用于传感的圆偏振光的测量精度。当前，由于制备的延迟光纤无法对轴角度精确控制到45°，且无法精确截取1/4拍长长度，将线偏振转化为椭圆偏振光，导致整个测量系统的尺度因子发生改变，影响测量精度。本发明通过对λ/4波片的制作方法进行优化：

1)精确实现45°熔接——将光源输出光经过光纤起偏器起偏，生成一束线偏振光，作为制作λ/4波片时用于监测的信号光，然后将传输光纤与玻片光纤分别放入两个光纤夹具中，采用半自动熔接方式在延迟光纤熔接机里初步对准，波片光纤的另一端则接入偏振分析仪，对传输光的偏振消光比(PER)和偏振度(DOP)进行实时检测，通过调节熔接机的马达，并且手动旋转波片光纤，当传输光的PER达到最小值且DOP达到最大值时，进行放电熔接精确实现45°熔接；

2)截取波片光纤的1/4拍长长度——将波片输入端光纤、45°熔接点与波片光纤组成的光纤段从熔接机中取出(不松开光纤夹具)，以光纤夹具的外沿为起点，用游标卡尺在夹具上量好所需的1/4拍长长度，再以夹具外沿为准，将光纤段在夹具上整体向波片输入端光纤的方向移动所量长度，然后将夹具夹持住的光纤段放入光纤切割刀中，即可将所需截取长度的切割点精确的放置于刀片正上方，切割后的新光纤段就包含有波片输入端光纤、45°熔接点和仅剩1/4拍长长度的波片光纤。

3)制备的光纤λ/4波片能够保持快轴与慢轴之间π/2相位延迟，实现线偏振光和圆偏振光之间的完全正确转换，利用Faraday效应完成电流的精确检测。

再次，采用相位调制器改变系统静态工作点，通过施加π/2或-π/2相位偏置，使系统工作在灵敏度最高区域，探测到的光强为：

由于载流导线中通入大电流和小电流时并不具备比例一致性，系统线性度较差，因此利用相位调制器引入与四倍法拉第相移大小相等、方向相反的反馈补偿相移φ来解决系统检测非线性的问题：

令系统则始终工作在线性度最好的零相位附近，保证了系统的线性度和灵敏度，并扩大了系统动态测量范围。由于反馈相移满足 因此反馈补偿相移φ同时能够反映被测电流的大小。

最后，针对光信号强度很难直接进行处理，本方法选用对光辐射波长无选择性的PIN光电二极管作为光电探测器，实现光信号与电信号之间的转换，绝大部分入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对，而在I层两侧的掺杂浓度很高的P型和N型半导体吸收入射光的比例很小，因此光产生电流中漂移分量占了主导地位，大大加快了响应速度，提高了检测的准确度。

2、数据处理系统是由相同的两套数据处理单元组成的闭环结构，每套处理单元可进行信号调制、解调、闭环三部分功能，实现了对光纤传感系统获取的带有电流信息的光强信号的光电转换、放大处理以及信号解调，最终获取被测导体的电流大小，具体数据处理优化方法如下：

首先，通过对相位调制器施加调制电压改变其内部材料的折射率，在不同时刻施加不同的调制电压就会导致光发生不同的相位变化，实现光纤传感系统中光强信号的调制。调制电压V(t)对应调制相移光束经反射后在(t+T)时刻逆时针经过相位调制器时的调制电压V(t+T)对应调制相移相位调制器引入的总相移和电压差为：

V＝V(t+T)-V(t) (5)

因此，相位调制器引入的相移与调制电位差成正比，调制电压差设定为某一固定值可保证调制相移保持不变。但是，为保证调制电压差为一恒定值，随着时间的增加，相位调制器上施加的电压越来越高。针对这一难点，本方法采用给相位调制器施加周期方波调信号，通过不改变调制电压差的大小而改变调制电压差的方向来实现。当相位调制器产生±π/2的调制相位时，光电探测器输出的信号为公式(2)。方波调制后的探测器输出信号是一个叠加在直流0.5KPLI0上的幅值为的方波信号，方波幅值反映了Faraday相移大小。

其次，为了提取检测信号中蕴含的电流信号，需要对调制后的方波信号进行解调，由于调制后的方波幅值中包含了Faraday相移的信息，通过对方波幅值进行解调就可以得到Faraday相移的大小，进而根据Faraday相移的值可以计算出被测电流值。在方波信号的正半周期和负半周期分别采集n个数据点并求和，然后用正半周期n个数据点的和减去负半周期n个数据点的和，得到全光纤电流互感器的输出光强信号为：

最后，从公式(6)中可以看出，输出信号为一个携带Faraday相移信息的正弦函数，当被测电流I很小时，根据正弦函数的性质，sin(4NVI)可以近似等于4NVI，IΔ与呈近似线性关系；当电流I很大时，则sin(4NVI)不能近似等于4NVI，必然存在输入输出的非线性问题，并且随着输入电流增加，测量误差变大。因此，为了减小系统输出非线性误差和增大动态测量范围，本方法提出了光纤电流互感器的闭环检测方案。在相向传输的2束光之间引入一个与Faraday相移大小相等、方向相反的反馈补偿相移用来抵消Faraday效应相移。加入反馈相移后，探测器处输出信息变为：

由于所以此时互感器系统始终工作在线性度最好的零相位附近区域，因此测量灵敏度最高；同时由于实现闭环检测，也扩大了系统的测量范围，这时解调结果为：

闭环反馈引入的相移与调制引入的相移原理一致。不同之处在于调制相移大小恒为π/2，只有正负之分；闭环反馈相移随时间改变其大小与方向都在改变。根据相位调制的原理，反馈相移的引入同样是在某一时间段内对相位调制器施加合适的电压差。在时间段[t，t+T]，反馈电路根据光路产生的法拉第相移引入大小相等方向相反的反馈相移两者相抵，系统总相移为零；在时间段[t+T，t+2T]，电流发生变化，系统检测法拉第相移为相应反馈相移但由于此时检测相移建立在[t，t+T]时间段内补偿基础上，所以系统实际法拉第相移为实际反馈相移为两者相抵，系统总相移再次归零。因此，闭环反馈相移是该时刻的反馈相移叠加在前一时刻的反馈相移上，反馈相移不断叠加，调制电压差随之不断累加，最终形成阶梯波。调制电压差即阶梯波增量[V(t+T)-V(t)]对应[t，t+T]时间段内的补偿相移大小与该时间段内法拉第相移相等，方向相反；阶梯波增量增量[V(t+2T)-V(t+T)]对应[t+T，t+2T]时间段内的补偿相移大小与该时间段内法拉第相移相等，方向相反。

阶梯波增量的不断累加会使阶梯波电压超出相位调制器的电压输入范围。利用正弦函数的闻期性，当阶梯波电压接近相位调制器输入电压极限时，补入±2π相移。比如时间段[t，t+T]内反馈相移为对应阶梯波增量[V(t+T)-V(t)]，但是V(t+T)已超过相位调制器最大输入电压值，于是可以补入-2π相移，阶梯波增量调整为[V(t+T)-V(t)-V2π]，对应反馈相移表示为这样既保证了阶梯波电压不会超过相位调制器输入电压范围，也不影响系统的闭环检测。

工作方法为，通过光纤传感系统将光源8发出的光经耦合器7进入起偏器6，得到的线偏振光经过45°熔接点5后分为偏振方向互相垂直的两束线偏振光，沿着延迟光纤4的两个模式独立传输；两束线偏振光经过λ/4波片3作用后分别被转换为左旋和右旋圆偏振光并进入光纤线圈1；在光纤线圈1中，在载流导线安培效应产生的磁场作用下，两束圆偏振光各经历法拉第旋光效应产生法拉第相移；当传输至反射镜处时发生镜面反射，左旋圆偏振光转变为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光转变为左旋圆偏振光，然后沿光纤线圈逆时针返回；返回过程中，模式互换的两束圆偏振光在磁场作用下再次各自经历法拉第旋光效应产生法拉第相移，最后经λ/4波片3作用恢复为偏振方向互相垂直的两束线偏振光，经过45°熔接点5在起偏器6处发生干涉后进入光电探测器9；最后经过两套数据数据处理单元实现了对光纤传感系统获取的带有电流信息的光强信号的光电转换、放大处理以及信号解调，最终获取被测导体的电流大小。

具体检测步骤如下：

将光纤线圈1置于被测导体22，光源8采用超辐射发光二极管发出波长稳定的光，经过耦合器7采用1∶1的分光比，将1/2光直接传入光电探测器9，1/2光传入起偏器6；

通过起偏器6，光变为线偏光，再经45°熔接点5将该线偏光正交分解为两束相互垂直的线偏光，分别注入延迟光纤4的快轴和慢轴中，经过第一、第二相位调制器10、11的调制和延迟光纤，两束相互垂直的线偏光注入1/4波片3中，形成两束左旋光和右旋光的圆偏振光，并进入传感光纤线圈1；

两束圆偏光在被测导体22电流作用下，产生Faraday效应，使得两束圆偏光在相反的方向产生相移，即θ＝2VNI，传至反射镜2，两束圆偏光沿相反的路径反射，经过一次光纤线圈1又发生一次相移，此时两束圆偏光的相位差为θ＝4VNI，再次通过1/4波片3，圆偏光转换为线偏光，再经过延迟光纤4，相位调制器10、11和起偏器6，并在耦合器7处将1/2的光传入光电探测器9。

将光电传感器9获取的信号经过第一、第二模数转换模块12、16，同步分别输入到第一、第二中央处理单元13、17，实现了对光纤传感系统获取的带有电流信息的光强信号的放大处理以及信号解调，最终获取被测导体的电流大小作为输出传送至第一、第二输出模块15、19，同时经过第一、第二数模转换模块14、18对第一、第二相位调制器10、11进行控制。

本发明提供的基于单传感双采样技术的全光纤电流互感器性能优化与可靠性提升方法，能够有效快速精确地检测被测导体的电流，从而实现了与继电保护配置的可靠结合。

此外，光电探测器将光信号转化为电信号，并与一进二出的信号隔离器相连，将电信号分成2部分，分别与2个独立的信号处理系统相连，完成电信号的后续处理。

为了对所有时刻通过的光分别施加产生+π/2和-π/2的相位调制，调制方波的周期和幅值必须严格控制，如图2所示。调制方波的周期为2T，T为光在光纤线圈中的渡越时间。由于调制方波的频率与全光纤电流互感器的本征频率相等为fT＝1/2T，T是光在全光纤电流互感器光路系统中的渡越时间，其值很小，调制方波的频率很高，因此通过方波调制可将全光纤电流互感器输出的原始信号调制成频率很高的方波信号，这样可以将全光纤电流互感器输出的信号由低频迁移到高频，实现输出信号与低频噪声的分离，减小噪声对测量精度的影响。

光电探测器输出的电压信号首先进行隔直处理，再经过放大和滤波后，经模数转换器转换数字信号，然后送入数字信号的中央处理单元进行数据解调、积分和滤波处理，并由阶梯波生成算法计算出阶梯波台阶高度，之后该阶梯波与固定周期调制方波在时序控制单元控制下叠加，再经中央处理单元控制的数模转换器转换后形成模拟电压波形，驱动相位调制器，至此完成系统的一次闭环反馈，并输出被测导体电流大小，如图3所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种单传感双采样全光纤电流互感器，其特征在于：

主要包括光纤传感系统和数据处理系统，其中，所述光纤传感系统主要包含光源、耦合器、起偏器、45°熔接点、延迟光纤、1/4波片、光纤线圈、反射镜和光电探测器，所述数据处理系统主要由两套数据处理单元组成，每套所述数据处理单元均包括模数转换模块、中央处理单元、数模转换模块、输出模块和相位调制器；

其中，所述光源、耦合器、起偏器、45°熔接点、第一相位调制器、第二相位调制器、延迟光纤、1/4波片、光纤线圈和反射镜依次设置形成光通路；

所述耦合器还与光电探测器的输入端相连；所述光电探测器输出端分别与第一模数转换模块和第二模数转换模块的输入端之间形成信号通路；所述第一模数转换模块、第一中央处理单元、第一数模转换模块和第一相位调制器依次设置形成信号通路；所述第二模数转换模块、第二中央处理单元、第二数模转换模块和第二相位调制器依次设置形成信号通路；第一中央处理单元还与第一输出模块之间形成信号通路；第二中央处理单元还与第二输出模块形成信号通路。

2.根据权利要求1所述的单传感双采样全光纤电流互感器，其特征在于：在所述光电探测器输出端与第一模数转换模块和第二模数转换模块之间设置有一进二出的信号隔离器，以将光电探测器输出的电信号分成两部分分别传输给第一模数转换模块和第二模数转换模块。

3.根据权利要求1所述的单传感双采样全光纤电流互感器，其特征在于：所述两套数据处理单元还分别具有第一数据采集模块和第二数据采集模块。

4.根据权利要求1所述的单传感双采样全光纤电流互感器，其特征在于：述光源采用超辐射发光二极管。

5.根据权利要求1所述的单传感双采样全光纤电流互感器，其特征在于：所述光电探测器为PIN光电二极管。

6.根据权利要求1所述的单传感双采样全光纤电流互感器，其特征在于：所述45°熔接点，是将光源输出光经过光纤起偏器起偏，生成一束线偏振光，作为制作λ/4波片时用于监测的信号光，然后将传输光纤与玻片光纤分别放入两个光纤夹具中，采用半自动熔接方式在延迟光纤熔接机里初步对准，波片光纤的另一端则接入偏振分析仪，对传输光的偏振消光比(PER)和偏振度(DOP)进行实时检测，通过调节熔接机的马达，并且手动旋转波片光纤，当传输光的PER达到最小值且DOP达到最大值时，进行放电熔接以精确实现45°熔接。

7.根据权利要求1所述的单传感双采样全光纤电流互感器，其特征在于：所述λ/4波片，是将波片输入端光纤、45°熔接点与波片光纤组成的光纤段在不松开光纤夹具的状态下从熔接机中取出，以光纤夹具的外沿为起点，用游标卡尺在夹具上量好所需的1/4拍长长度，再以夹具外沿为准，将光纤段在夹具上整体向波片输入端光纤的方向移动所量长度，然后将夹具夹持住的光纤段放入光纤切割刀中，以将所需截取长度的切割点精确的放置于刀片正上方，切割后的新光纤段就包含有波片输入端光纤、45°熔接点和仅剩1/4拍长长度的波片光纤。

8.一种权利要求1所述的单传感双采样全光纤电流互感器的工作方法，主要包括，

1)将光源发出的光经耦合器进入起偏器，得到的线偏振光经过45°熔接点后分为偏振方向互相垂直的两束线偏振光，沿着延迟光纤的两个模式独立传输；

2)两束线偏振光经过λ/4波片作用后分别被转换为左旋和右旋圆偏振光并进入光纤线圈；在光纤线圈中，在载流导线安培效应产生的磁场作用下，两束圆偏振光各经历法拉第旋光效应产生法拉第相移；当传输至反射镜处时发生镜面反射，左旋圆偏振光转变为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光转变为左旋圆偏振光，然后沿光纤线圈逆时针返回；返回过程中，模式互换的两束圆偏振光在磁场作用下再次各自经历法拉第旋光效应产生法拉第相移；

3)经λ/4波片作用恢复为偏振方向互相垂直的两束线偏振光，经过45°溶接点在起偏器处发生干涉后进入光电探测器；

4)经过两套数据数据处理单元对光纤传感系统获取的带有电流信息的光强信号的光电转换、放大处理以及信号解调，最终获取被测导体的电流大小。

9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于：所述步骤4)为，光电探测器输出的电压信号首先进行隔直处理，再经过放大和滤波后，经模数转换模块转换数字信号，然后送入数字信号的中央处理单元进行数据解调、积分和滤波处理，并由阶梯波生成算法计算出阶梯波台阶高度，之后该阶梯波与固定周期调制方波在时序控制单元控制下叠加，再经中央处理单元控制的数模转换模块转换后形成模拟电压波形，驱动相位调制器，至此完成系统的一次闭环反馈，并输出被测导体电流大小到输出模块。

10.根据权利要求9所述的工作方法，其特征在于：所述调制方波的周期为2T，所述T为光在光纤线圈中的渡越时间。