CN107807267B - 一种用于特高压直流场的全光纤电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于特高压直流场的全光纤电流互感器，包括一段长拍长保偏光纤、λ/4波片、一段保圆传感光纤及反射镜，传感光纤为单空气孔旋转光纤，并且利用毛细玻璃管对传感光纤及反射镜进行保护，传感头外护料采用低烟无卤阻燃外护管进行封装保护，传感头尾端利用赛钢封装体密封保护。本发明避免了外界应力对传感头的影响，并且易于安装，同时增强了传感头的温度稳定性，使得系统精度得以提高。传感头在‑40～70℃全温范围内的测量结果有较好的稳定性，同时具备良好的电气性能。

Description

一种用于特高压直流场的全光纤电流互感器

技术领域

本发明属于特高压电力测量技术领域，更具体地，涉及一种用于特高压直流场的全光纤电流互感器。

背景技术

近年来随着国内外智能电网的全面建设，特高压直流输电工程在持续增长，其中继电保护系统在特高压输电领域中显得尤为重要。而在实际的直流输电系统中仍大部分采取传统的电磁式电流互感器进行继电保护，然而传统的电磁式电流互感器存在安全性能差、抗电磁干扰能力差、材料损耗大、绝缘性能差等缺点，已难以满足当今智能电网的发展。

随着新技术的发展，全光纤式电流互感器正逐渐替代传统的电磁式电流互感器。在高压绝缘方面，由绝缘的石英材料制成的具有无可比拟的优越性。

全光纤电流互感器作为一种新型的电流互感器。其基本原理为光源发出的光经过偏振器成为线偏光，通过45度与调制器尾纤熔接后成为两束相互垂直的线偏光，沿着保偏光纤X、Y两个模式传输至传感头。在λ/4波片处转变成左旋和右旋的两束偏振光，进入传感光纤。在传感光纤中由于受到传输电流产生磁场而产生的法拉第效应作用，光波的电场矢量会产生一定的偏转角，对于圆偏振光来讲此偏转角就是相位角，所以在传输电流作用下这两束圆偏振光产生相应的相位变化。经由光纤端面被反射后两束圆偏振光转变旋转方向(即左旋变右旋、右旋变左旋)，再次通过传感光纤，并再次和电流产生的磁场相互作用，使产生的相位变化加倍。然后经过λ/4波片被转换成两束模式正交的线偏振光，不过这两束线偏振光与进入的两束线偏振光主轴互换，再次经过延迟线后进入调制器，通过闭环调制补偿在线圈中累积的相位差，然后两束线偏振光在起偏器位置产生干涉，通过探测器检测干涉光的强度获得在光纤线圈中累积的相位大小，从而根据法拉第效应计算得到经过光纤线圈中心的电流的大小。

目前全光纤电力互感器的实际挂网运行还存在诸多困难，由于系统中各器件的稳定性与精度直接制约着系统测量的精度，在诸多器件中传感头的精度直接制约着全光纤电力互感器的商业化应用。

在全光纤电流互感器的结构中，光纤1/4波片是关键的器件之一。一般光学系统均采用波片来改变光的偏振态，在光纤电流互感器中，由于光纤传输线以及干涉光路需要使用偏振态稳定的线保偏光纤，传感光纤环需要使用圆保偏光纤，所以必须使用光纤λ/4波片来实现线偏振光和圆偏振光之间的转换。它的稳定与否，直接影响了光纤互感器的稳定与否。又因为这该部件所组成的光纤传感环是放在室外的，温度变化范围比较大，并且光纤环是处在高压区的，不能采取恒温等措施，所以对光纤1/4波片温度稳定性要求是很高的。光纤λ/4波片是通过取1/4拍长的双折射光纤和传输光纤的光轴成45°熔接而成。熔接时的对轴角度需要精确控制，以免引起偏振误差。

传感头中的传感光纤是光纤电流互感器重要的组成部分。传感光纤的线性双折射会对偏振光的干涉产生干扰，使得整个传感系统的相位噪声增加，灵敏度下降以及传感器信号的不稳定和误差，特别是双折射随温度变化(相对变化率约为0.001/℃)会对输出信号产生很大的影响。所以如何消除光纤内存在的线性双折射及其对系统性能的不良影响是全光纤电流互感器研究的核心问题。而增大圆双折射则可以抑制线双折射的影响，为此传感光纤往往需尽量减小线双折射以及增大圆双折射以抑制线性双折射影响。

在实际使用时，传感头内的器件都不是绝对理想的，其性能参数的优劣会对系统产生不可忽视的影响，器件之间的连接、外界的干扰(如温度、振动等)也会在一定程度上影响系统的输出。特别是温度稳定性，是影响整个全光纤电流互感器系统的测量可靠性及精度的主要因素。

发明内容

本发明就是为解决传感头内各器件的温度稳定性，而采用了特殊设计的保圆传感光纤及封装方式，来增加系统的温度稳定性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于特高压直流场的全光纤电流互感器，包括一段λ/4波片、一段保圆传感光纤、一个反射镜。所述的λ/4波片由一段长拍长保偏光纤与另一段保偏光纤的1/4拍长45°熔接，再与保圆传感光纤进行熔接，并且以上熔点用玻璃V槽封装起来；所述的保圆传感光纤外穿有毛细玻璃管进行保护；所述的保圆传感光纤末端镀有反射膜，形成反射镜结构，并且反射膜已被封装壳密封保护；上述的λ/4波片、穿有毛细玻璃管的保圆传感光纤、反射镜均穿入低烟无卤阻燃外护管进行保护，低烟无卤阻燃外护管尾端有赛钢封装体封装密封。

所述的保圆传感光纤，为单空气孔旋转光纤，具有石英玻璃纤芯和包层，以及单空气孔。其光纤玻璃包层直径2R的范围是80μm～200μm，纤芯直径2r范围是4μm～10μm，数值孔径NA介于0.12至0.18之间，模场直径范围是4.7μm～11μm，纤芯相对折射率差Δ范围是0.3％～0.7％。所述单空气孔为椭圆形；该空气孔短轴长轴之比a1/b1的比值范围是0.4～1；椭圆的短轴与纤芯共线时，效果更佳。容易理解，此处圆形空气孔可以视为椭圆形的一个特例。空气孔内边距光纤中心距离d1大于或等于3μm且小于或等于(25％×2R)。

所述保圆传感光纤工作波长为1310nm时其截止波长为1060nm～1350nm；所述光纤工作波长为1550nm时其截止波长为1250～1650nm。

所述保圆传感光纤本征线双折射系数B值不低于7.3×10^-4。

所述保圆传感光纤在工作波长为1550nm时拍长β>2mm。

所述的保圆传感光纤，为单空气孔旋转光纤，纤芯位于圆形石英玻璃包层的中心，单空气孔位于包层内且围绕包层旋转，其旋转轨迹在光纤截面上的投影为圆形；空气孔的中心在光纤截面上的投影重合时对应的光纤在轴线方向的最小长度为旋转截距，用P表示；在常温下，该光纤中旋转的空气孔为固化在石英玻璃光纤中的有固定轨迹的连通孔，不应有外界扭转应力存在。在应用时，此光纤处于应力松弛状态，而不应理解为将平行于纤芯的空气孔施加作用力而扭转成旋转形状。

该光纤至少具有一个单元满足以下条件，更优选的，该保圆传感光纤具有两个以上单元满足以下条件，即，此单元光纤的旋转截距P与封装在传感头内的该保圆传感光纤长度之L间满足关系式其中α、δ、为常数，0<α≤4mm，δ≥4mm，是与系统有关的常数其范围是0到2π；优选的，L的最大值的范围是0.2到30m。

通过将保圆传感光纤穿入毛细玻璃管管内，在穿制过程中应保证不扭转传感光纤，避免引入不必要的双折射。穿制完成后，反射镜与毛细玻璃管接缝处通过胶水密封固定。固定之后的毛细玻璃管穿入带有低烟无卤阻燃外护管内，并在空管两端留有一定余长用于λ/4波片的熔接及反射镜的封装。低烟无卤阻燃外护管具有良好的电气性能，可用于特高压环境。毛细玻璃管有着极佳的温度稳定，在温度变化下，不会在传感光纤产生附加的应力，从而使得系统稳定性得以提升。

通过选用长拍长保偏光纤进行λ/4波片的制作，由于λ/4波片是将一段保偏光纤与一段1/4拍长的保偏光纤进行45°熔接，并且切割出λ/4拍长，但是由于一般保偏光纤的拍长都较短(2-6mm之间)，取λ/4拍长后，长度就更短，因此精确切割波片长度十分困难。所以采用长拍长的保偏光纤结合高精度切割位移平台制作λ/4波片，这样操作可提高其切割精度。制作完成的λ/4波片与保圆传感光纤进行熔接，并封装在玻璃V型槽内，一端为裸保偏光纤，一端为带有毛细玻璃管的传感光纤，槽体内灌有低收缩率胶水，通过紫外胶水进行固化。通过这样的封装，提高λ/4波片的温度稳定性。

通过将反射镜及其保护外壳封装在低烟无卤阻燃外护管的尾端，防止反射镜滑动，造成系统精度下降。且封装体采取赛钢非金属材质，具备良好的绝缘性能，可在特高压环境下使用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明保圆传感光纤为具有非对称几何结构的单空气孔旋转光纤，与常规双应力区普通熊猫型保偏光纤相比其线性双折射随温度的变化小，而且避免了应力区对应力的敏感性，不会像普通熊猫型保偏光纤那样同时受到折射率和应力两个参数随温度变化的影响。因此本发明保圆传感光纤对温度敏感度小，性能稳定，能够大大地减小全光纤电流互感器在-40～70℃范围内的系统误差。

附图说明

图1表示保圆传感光纤(带反射镜)穿入毛细玻璃管后与λ/4波片熔接，并将熔点及毛细玻璃管末端封装在玻璃V型槽的结构示意图；

图2表示传感头的示意图；

图3表示传感头内光纤器件的示意图；

图4表示玻璃V型槽俯视示意图；

图5表示赛钢封装体结构示意图；

图6表示低烟无卤阻燃外护管示意图；

图7表示保圆传感光纤的横截面示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：长拍长保偏光纤(1)、玻璃V型槽(2)、λ/4波片(3)、保圆传感光纤(4)、毛细玻璃管(5)、低烟无卤阻燃外护管(6)、及反射镜(7)、赛钢封装体(8)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一，采用保圆传感光纤的剖面结构如图7所示：光纤直径2R等于125±1μm；纤芯直径2r等于9μm；空气孔直径为40μm(此时a1＝b1)；空气孔内边距光纤中心距离d1等于6μm；数值孔径NA为0.13；模场直径范围是10μm±0.5μm；光纤本征线双折射系数B值的典型值为7.8×10^-4。封装在传感头内的该保圆传感光纤满足长度与旋转截距之间的关系式此部分光纤的旋转截距P与封装在传感头内的该保圆传感光纤长度之L间满足关系式其中α为2mm、δ为5mm、为0，L最大值为30m。

实施例二，采用保圆传感光纤的剖面结构如图7所示：光纤直径2R等于125μm；纤芯直径2r等于9μm；空气孔为椭圆，a1为25μm，b1为50μm；空气孔内边距光纤中心距离d1约等于7μm；该光纤数值孔径NA为0.13，模场直径范围是10μm±0.5μm；光纤本征线双折射系数B值的典型值为7.3×10^-4。封装在传感头内的该保圆传感光纤满足长度与旋转截距之间的关系式此部分光纤的旋转截距P与封装在传感头内的该保圆传感光纤长度之L间满足关系式其中α为1mm、δ为4mm、为π，L最大值为21m。

后续对两个实施例中的保圆传感光纤做同样的处理。包括，对保圆传感光纤的一端前期做镀膜处理，形成反射镜，并进行封装保护外壳。将保圆传感光纤的自由端穿入毛细玻璃管，直至反射镜端抵至毛细玻璃管，并且点胶将反射镜外壳与毛细玻璃管固定，穿出毛细玻璃管的自由端形成自由段，用于后续与λ/4波片熔接。

赛钢封装体的封盖部分套入低烟无卤阻燃空管套一端距离，将穿好毛细玻璃管的保圆传感光纤由自由端穿入低烟无卤阻燃空管，直至反射镜外壳抵至空管尾端。

利用长拍长保偏光纤制作λ/4波片，将保偏光纤与另一端保偏光纤进行45°熔接，并通过高精度位移平台，切割出1/4拍长的保偏光纤，形成λ/4波片。将λ/4波片于形成自由端的保圆光纤进行熔接，此时所有的器件均通过熔接方式连接起来。玻璃V型槽内涂满紫外低收缩率胶水，将λ/4波片利用封装操作平台放入玻璃V型槽内，并且保证封装进槽内的结构包括一端保偏光纤、λ/4波片、保圆传感光纤，毛细玻璃管的一端，这样可保证两个熔接点均封装在V型槽内。利用紫外固化灯将胶水固化，形成稳定的封装保护结构。将玻璃V型槽封装体穿入低烟无卤阻燃护套空管内，此时保圆传感光纤的反射镜保护外壳从空管另一端露出形成封装端。

将赛钢封装体的主体部分内灌满低收缩率胶水，对空管的封装端进行封装处理，同时将封装体的封盖部分推至与主体部分，直至嵌入主体部分，此时反射镜的保护壳及空管末端便完全被赛钢封装体密封保护起来。

为了验证电流互感器的温度稳定性，对实施例1的互感器在电流强度600A，温度范围-40℃到70℃下进行了比差(电流幅度相对标准值的偏差)与相差(相位误差)测试，结果表明，在整个温度范围内，比差在±0.04％以内，相差在±2’以内。

对实施例2的互感器在电流强度1200A，温度范围-40℃到70℃下进行了比差(电流幅度相对标准值的偏差)与相差(相位误差)测试，结果表明，在整个温度范围内，比差在±0.03％以内，相差在±2’以内。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于特高压直流场的全光纤电流互感器，包括一段长拍长保偏光纤(1)、λ/4波片(3)、一段保圆传感光纤(4)及反射镜(7)，保圆传感光纤(4)外穿有毛细玻璃管(5)，毛细玻璃管(5)外还穿有低烟无卤阻燃外护管(6)，在低烟无卤阻燃外护管(6)封口处有赛钢封装体(8)密封保护，其特征在于，保圆传感光纤(4)为单空气孔旋转光纤，该光纤具有石英玻璃纤芯和包层，以及单空气孔，包层直径2R的范围是80μm～200μm，纤芯直径2r范围是4μm～10μm，数值孔径NA介于0.12至0.18之间，所述单空气孔旋转方式为：单空气孔位于包层内且围绕包层旋转，其旋转轨迹在光纤截面上的投影为圆形，在常温下，该光纤中旋转的空气孔为固化在石英玻璃光纤中的有固定轨迹的连通孔，不应有外界扭转应力存在。

2.如权利要求1所述的用于特高压直流场的全光纤电流互感器，其特征在于，保圆传感光纤(4)的模场直径范围是4.7μm～11μm。

3.如权利要求1或2所述的用于特高压直流场的全光纤电流互感器，其特征在于，保圆传感光纤(4)的纤芯相对折射率差Δ范围是0.3％～0.7％。

4.如权利要求1或2所述的用于特高压直流场的全光纤电流互感器，其特征在于，保圆传感光纤(4)的单空气孔为椭圆形；该空气孔短轴长轴之比a1/b1的比值范围是0.4～1。

5.如权利要求4所述的用于特高压直流场的全光纤电流互感器，其特征在于，空气孔内边距光纤中心距离d1大于或等于3μm且小于或等于(25％×2R)。

6.如权利要求3所述的用于特高压直流场的全光纤电流互感器，其特征在于，保圆传感光纤(4)工作波长为1310nm时其截止波长为1060nm～1350nm；保圆传感光纤(4)所述光纤工作波长为1550nm时其截止波长为1250nm～1650nm。

7.如权利要求1或2所述的用于特高压直流场的全光纤电流互感器，其特征在于，保圆传感光纤(4)本征线双折射系数B值不低于7.3×10^-4。

8.如权利要求6所述的用于特高压直流场的全光纤电流互感器，其特征在于，保圆传感光纤(4)在工作波长为1550nm时拍长β>2mm。

9.如权利要求1或2所述的用于特高压直流场的全光纤电流互感器，其特征在于，该保圆传感光纤(4)至少具有旋转空气孔满足以下条件，此部分光纤的旋转截距P与封装在传感头内的该保圆传感光纤(4)的长度L之间满足关系式其中α、δ、φ为常数，0<α≤4mm，δ≥4mm，φ是与系统有关的常数其范围是0到2π；P为旋转截距，定义为空气孔的中心在光纤截面上的投影重合时对应的光纤在轴线方向的最小长度。

10.如权利要求1所述的用于特高压直流场的全光纤电流互感器，其特征在于，包含该电流互感器的传感元件可直接环绕安装在变压器上，测量电流大小。