CN108845174B - 一种差分式全光纤电流互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种差分式全光纤电流互感器。该全光纤电流互感器包括SLED光源(1)、耦合器(2)、测量臂(3A)、测量臂(3B)、光电探测单元(4)和电信号控制单元(5)。两条测量臂均由耦合器、光纤起偏器、相位调制器、延迟环、λ/4波片和敏感环组成，且两条测量臂器件型号参数、连接顺序及连接方式完全相同，但敏感环的缠绕方向相反，载流导线穿过两个敏感环的中心，使两测量臂测量同一电流，共同组成差分结构。光电探测单元由两个型号参数完全相同的PIN光电探测器组成，电信号控制处理单元接收来自光电探测单元的电信号，并输出电压信号控制相位调制器(3A3)和相位调制器(3B3)的输出相位，形成闭环控制回路。本发明的差分式全光纤电流互感器利用差分结构减小了振动和温度变化等环境因素对输出信号的影响，提高了全光纤电流互感器的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤电流互感器领域，具体涉及一种差分式全光纤电流互感器。
背景技术
电流互感器是变电环节的重要组成部分，肩负着继电保护及电能计量等重要使命。全光纤电流互感器是基于法拉第效应设计而成的，通电导线在敏感环周围产生磁场，线偏振光经过敏感环后，偏振面将发生偏转，携带法拉第相移，相移大小与电流成正比。相比于传统的电流互感器，全光纤电流互感器具有以下优势：故障响应时间快、动态范围大、频响范围宽、绝缘性好、抗干扰能力强、重量轻质量小，而且不会产生磁饱和和谐振现象，不需要价格昂贵且发生故障时易爆炸的传统电气绝缘塔，且光信号具有电磁免疫的特性，在电磁环境比较恶劣的环境下，亦能保证传感信号不受电磁干扰。但在实际应用中，全光纤电流互感器的现场运行会受到环境温度、振动、冲击等因素的影响。这些因素使得全光纤电流互感器的可靠性和长期使用稳定性较差，不利于全光纤电流互感器的应用推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够抗环境干扰的差分式全光纤电流互感器。
本发明是一种差分式全光纤电流互感器，包括SLED光源、耦合器、两条测量臂、光电探测单元和电信号控制单元。两条测量臂均由耦合器、光纤起偏器、相位调制器、延迟环、λ/4波片和敏感环组成，且两条测量臂器件型号参数、连接顺序及连接方式完全相同。光电探测单元由两个型号参数完全相同的PIN光电探测器组成。电信号控制处理单元由光源模块控制电路、预处理模块、调制驱动电路、电平转换模块和光通讯模块组成。
两条测量臂上的敏感环均由敏感环光纤和末端的反射镜构成，但构成两个敏感环的光纤缠绕方向相反。根据法拉第效应可知，在韦德尔系数为正的情况下，磁场方向与光传播方向相同时，法拉第相移为正；磁场方向与光传播方向相反时，法拉第相移为负。因此两条测量臂测得的电流大小相等，方向相反。所述的电信号控制处理单元接收来自光电探测单元的信号I1和I2。其中I1和I2既包含真实电流值，也包含由温度，振动等于引起的误差值。即I1＝I+ε1,I2＝-I+ε2，由于测量臂1和测量臂2处于同一测量环境下，且组成两测量臂的器件参数相同，因此两条测量臂受到温度、振动等环境因素引起的误差相同，即ε1≈ε2，所以
所述的电信号控制处理单元接收来自光电探测单元的电信号，并输出电压信号控制相位调制器(3A3)和相位调制器(3B3)的输出相位，形成闭环控制回路。
所述的调制驱动电路采用FPGA为主控芯片。
所述的调制驱动电路采用双闭环的方式来补偿反馈增益误差。FPGA芯片反馈信号输出I/O口连接第一DA的信号输入端；第一DA的信号输出端连接相位调制器的控制端；FPGA芯片反馈增益无信号输出I/O口连接第二DA；第二DA的信号输出端连接第一DA的参考电压端。
本发明差分式全光纤电流互感器具有的优点在于：
(1)采用差分式测量结构，两个测量臂测得的电流大小相等，方向相反，两测量值相减，可以消去温度、振动等环境因素引起的测量误差。大大提高光纤电流互感器的测量精度和环境适应性。
(2)电信号控制处理单元接收来自光电探测单元的信号，并输出电压信号控制相位调制器(3A3)和相位调制器(3B3)的输出相位，形成闭环控制系统，提高了系统的灵敏度和稳定性。
(3)电信号控制处理单元使用FPGA芯片进行调制解调，同时采用双DA结构补偿反馈增益误差，进一步抑制了温度引起的光纤电流互感器误差。
附图说明
图1是本发明的差分式全光纤电流互感器结构框图。
图2是本发明差分式全光纤电流互感器中的测量臂的结构图。
图3是本发明差分式全光纤电流互感器中的光电探测单元的结构图。
图4是本发明差分式全光纤电流互感器中的电信号控制单元的结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明提出的一种差分式全光纤电流互感器包括SLED光源(1)、耦合器(2)、测量臂(3A)、测量臂(3B)、光电探测单元(4)和电信号控制单元(5)。SLED光源(1)发出的光经过耦合器(2)分成相同的两束光分别进入测量臂(3A)和测量臂(3B)。
参见图2，如图2A所示，测量臂(3A)包括：耦合器(3A1)、光纤起偏器(3A2)、相位调制器(3A3)、延迟环(3A4)、λ/4波片(3A5)和敏感环(3A6)。其中敏感环(3A6)是在传感光纤的端头垂直切割后，镀上反射膜形而成，传感光纤顺时针缠绕。构成测量臂(3A)的器件连接顺序为：耦合器(3A1)的一端连接输入光纤和光电探测单元(4)中的PIN光电探测器(4A)，耦合器2的另一端为输出光纤和空闲端,输出光纤连接光纤起偏器(3A2)。光纤起偏器(3A2)连接相位调制器(3A3)，并且二者之间采用45°角熔接。相位调制器(3A3)再经过一定长度的光纤缠绕成的延迟环(3A4)连接λ/4波片(3A5)。λ/4波片(3A5)再连接敏感环(3A6)。
参见图2，如图2B所示，测量臂(3B)包括与测量臂(3B)中型号参数完全相同的耦合器(3B1)、光纤起偏器(3B2)、相位调制器(3B3)、延迟环(3B4)、λ/4波片(3B5)和敏感环(3B6)。其中敏感环(3B6)是在传感光纤的端头垂直切割后，镀上反射膜形而成，传感光纤逆时针缠绕。构成测量臂(3B)的器件连接顺序连接方式和构成测量臂(3A)的器件连接顺序与连接方式完全相同。
所述的敏感环(3A6)和敏感环(3B6)套在同一个母排上，测量同一个待测电流。
参见图3所示，所述的光电探测单元(4)包括结构相同的PIN光电探测器(4A)和PIN光电探测器(4B)。所述的电信号控制处理单元(5)接收来自光电探测单元(4)的电信号I1和I2，输出电压信号分别控制相位调制器(3A3)和相位调制器(3B3)的输出相位，形成闭环控制回路。
参见图4所示，所述的电信号控制单元(5)包括光源模块控制电路(51)、预处理模块(52)、调制驱动模块(53)、电平转换模块(54)和光通讯模块(55)。其中，光源模块控制电路(51)包括由三极管构成的光源芯片电流驱动源和制冷芯片驱动电路；预处理模块(52)包括差分放大芯片和模数转换芯片；调制解调电路(53)包括FPGA芯片，第一DA芯片、第二DA芯片以及放大滤波电路；电平转换模块(54)包括多个电压转换芯片；光通讯模块(55)包括通讯接口及其驱动电路。
电信号控制处理单元(5)各部分的连接顺序为：光电探测单元(4)的输出端连接差分放大芯片的输入端；差分放大芯片的输出端连接模数转换芯片的输入端；模数转换芯片的输出端连接FPGA芯片读数据的I/O口；FPGA输出电流解调值的I/O口连接光通讯模块(55)；FPGA输出反馈电流值的I/O口连接第一DA的输入信号端，FPGA输出调制增益误差的I/O口连接第二DA的输入信号端；第二DA的输出信号端连接第一DA的参考电压端；第一DA的输出信号端连接放大滤波电路；放大滤波电路的输出端连接至相位调制器(3A3)和相位调制器(3B3)的控制端。电平转换模块(54)中各电压转换芯片的输出端连接至对应芯片的电源输入端。光源模块控制电路接收来自SLED光源(1)的输入信号，并输出控制信号至SLED光源(1)。
FPGA芯片采用VerilogHDL语言编写。FPGA接收从模数转换芯片中输出的放大后的I1和I2信号。由于敏感环(3A6)和敏感环(3B6)的传感光纤缠绕方向相反，根据法拉第效应可知，在韦德尔系数为正的情况下，磁场方向与光传播方向相同时，法拉第相移为正；磁场方向与光传播方向相反时，法拉第相移为负。因此在本发明中，测量臂(3A)和测量臂(3B)测得的电流大小相等，方向相反。又因为I1和I2既包含真实电流值，也包含由温度，振动等于引起的误差值，所以I1＝I+ε1,I2＝-I+ε2。由于测量臂1和测量臂2处于同一测量环境下，且组成两测量臂的器件参数相同，因此两条测量臂受到温度、振动等环境因素引起的误差相同，即ε1≈ε2，在本发明光纤电流互感器实时输出的高精度的测量电流为I，
在本发明中，第一DA为并行数模转换芯片，第二DA为串行数模转换芯片。
Claims (3)
1.一种差分式全光纤电流互感器，其特征在于：该光纤电流互感器包括SLED光源(1)、耦合器(2)、第一测量臂(3A)、第二测量臂(3B)、光电探测单元(4)和电信号控制单元(5)；
所述的SLED光源(1)发出的光经过耦合器(2)分成相同的两束光分别进入第一测量臂(3A)和第二测量臂(3B)；
所述的第一测量臂(3A)包括：第一耦合器(3A1)、第一光纤起偏器(3A2)、第一相位调制器(3A3)、第一延迟环(3A4)、第一λ/4波片(3A5)和第一敏感环(3A6)；其中第一敏感环(3A6)是在传感光纤的端头垂直切割后，镀上反射膜形而成，传感光纤顺时针缠绕；
所述的第二测量臂(3B)包括与第二测量臂(3B)中型号参数完全相同的第二耦合器(3B1)、第二光纤起偏器(3B2)、第二相位调制器(3B3)、第二延迟环(3B4)、第二λ/4波片(3B5)和第二敏感环(3B6)；其中第二敏感环(3B6)是在传感光纤的端头垂直切割后，镀上反射膜形而成，传感光纤逆时针缠绕；
所述的第一敏感环(3A6)和第二敏感环(3B6)套在同一个母排上，测量同一个待测电流；
所述的光电探测单元(4)包括结构相同的第一PIN光电探测器(4A)和第二PIN光电探测器(4B)
所述的电信号控制处理单元(5)接收来自光电探测单元(4)的电信号，并输出电压信号分别控制第一相位调制器(3A3)和第二相位调制器(3B3)的输出相位，形成闭环控制回路；
电信号控制单元(5)包括光源模块控制电路(51)、预处理模块(52)、调制驱动电路(53)、电平转换模块(54)和光通讯模块(55)；
光源模块控制电路(51)包括由三极管构成的光源芯片电流驱动源和制冷芯片驱动电路；
预处理模块(52)接收来自光电探测单元(4)的电信号，并由差分放大芯片和模数转换芯片对电信号进行预处理，得到第一测量臂(3A)和第二测量臂(3B)的测量值I 1 和I 2 ；由于第一敏感环(3A6)和第二敏感环(3B6)的传感光纤缠绕方向相反，根据法拉第效应可知，在韦德尔系数为正的情况下，磁场方向与光传播方向相同时，法拉第相移为正；磁场方向与光传播方向相反时，法拉第相移为负；因此第一测量臂(3A)和第二测量臂(3B)测得的电流大小相等，方向相反；又因为I 1 和I 2 既包含真实电流值，也包含由温度，振动等于引起的误差值，所以I 1 ＝I+ε 1 ,I 2 ＝-I+ε 2 ；
调制解调电路(53)包括FPGA芯片，第一DA芯片、第二DA芯片以及放大滤波电路；FPGA芯片对信号进行调制与解调，得到待测电流值I；由于第一测量臂(3A)和第二测量臂(3B)处于同一测量环境下，且组成两测量臂的器件参数相同，因此ε 1 ≈ε 2 ，所以在FPGA中计算可得
；
电平转换模块(54)包括多个电压转换芯片，提供整个电信号控制单元(5)的供电电压；
光通讯模块(55)包括通讯接口及其驱动电路；
第一测量臂(3A)的连接顺序为：第一耦合器(3A1)的一端连接输入光纤和光电探测单元(4)中的第一PIN光电探测器(4A)，耦合器2的另一端为输出光纤和空闲端,输出光纤连接第一光纤起偏器(3A2)，第一光纤起偏器(3A2)连接第一相位调制器(3A3)，并且二者之间采用45°角熔接；第一相位调制器(3A3)再经过一定长度的光纤缠绕成的第一延迟环(3A4)连接第一λ/4波片(3A5)，第一λ/4波片(3A5)再连接第一敏感环(3A6)，
第二测量臂(3B)的连接方式与第一测量臂(3A)完全相同。
2.根据权利要求1所述的一种差分式全光纤电流互感器，其特征在于：电信号控制单元(5)的连接顺序为：光电探测单元(4)的输出端连接差分放大芯片的输入端；差分放大芯片的输出端连接模数转换芯片的输入端；模数转换芯片的输出端连接FPGA芯片读数据的I/O口；FPGA输出电流解调值的I/O口连接光通讯模块(55)；FPGA输出反馈电流值的I/O口连接第一DA的输入信号端，FPGA输出调制增益误差的I/O口连接第二DA的输入信号端；第二DA的输出信号端连接第一DA的参考电压端；第一DA的输出信号端连接放大滤波电路；放大滤波电路的输出端连接至第一相位调制器(3A3)和第二相位调制器(3B3)的控制端；电平转换模块(54)中各电压转换芯片的输出端连接至对应芯片的电源输入端；光源模块控制电路接收来自SLED光源(1)的输入信号，并输出控制信号至SLED光源(1)。
3.根据权利要求2所述的一种差分式全光纤电流互感器，其特征在于：信号的调制与解调在FPGA芯片中进行，采用VerilogHDL语言编写。
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