CN109870632B - 可分离安培级交流与微安级直流的自校准型电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可分离安培级交流与微安级直流的自校准型电流互感器，包括：传感单元呈封闭形状，封闭空间内供待测电缆通过，传感单元上绕有交流绕组，交流绕组用于在待测电缆中的交流电流的作用下产生电流，交流绕组的电流与待测电缆中的交流电流存在对应关系；传感单元内部埋装有传感光纤，传感光纤传输线偏振光，线偏振光的旋转角度在待测电缆中的直流电流所产生的磁场的作用下发生偏转；控制单元用于向传感光纤提供线偏振光；信号采集处理单元用于通过交流绕组电流对应的电压确定待测电缆中的交流电流信号，通过线偏振光的旋转角度确定待测电缆中的直流电流信号。本发明实现对强交流与弱直流混合信号进行非接触式测量的互感器。

Description

可分离安培级交流与微安级直流的自校准型电流互感器

技术领域

本发明涉及电流互感器技术领域，更具体地，涉及一种可分离安培级交流与微安级直流的自校准型电流互感器。

背景技术

随着城市建设的发展，电力电缆在城网供电中所占比例越来越大。由于电力电缆多埋于地下，一旦发生故障，寻找起来十分困难。所以，为了掌握电缆绝缘的老化情况，及时发现异常现象以避免事故的发生，有必要对之进行在线的绝缘检测及诊断，防患于未然。

目前电力电缆绝缘的在线监测方法主要有直流成分法、直流叠加法、交流叠加法、接地电流法、局部放电法和损耗因素法等。其中，直流叠加法应用较早、应用广泛且原理相对简单。直流叠加法实际测量原理图如图1所示，在接地的电压互感器的中性点处加入低压直流电源，使该直流电压与施加在电缆绝缘上的交流电压叠加，测量通过电缆绝缘层的微弱的直流电流，由此求出直流电阻，来判断绝缘劣化状态。其中的在线测量装置主要利用低通滤波电路进行接触式测量，因此存在以下缺点：1）对原电缆电路产生影响；2）在杂散电流数值相对较大或端部表面泄露电阻较低时将产生较大测量误差；3）电晕放电对测量结果有很大影响。

利用非接触式互感器测量可以有效克服上述缺点。但是面临着这样一项难题：电力电缆中交流电流很大，可以达到几十安培；而流经电缆的直流电流十分微弱，只有微安培以下。目前电流互感器主要有电磁式和电子式两种，电磁式电流互感器基于电磁感应原理，只能用于交流信号测量，不适用于对微弱直流信号的测量；光学电流互感器既可以测量交流信号，又可以测量直流信号，但是无法实现对大小悬殊的交直流混合信号进行分离和测量，也无法满足上述需求。所以，亟需一种对电力电缆中强交流与弱直流混合信号进行非接触式测量的新型互感器。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有非接触式互感器无法实现大小悬殊的交直流混合信号进行分离和测量的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种可分离交流与直流信息的自校准型电流互感器，包括：传感单元、控制单元和信号采集处理单元；

所述传感单元呈封闭圆环形状，圆环内侧供待测电缆通过，所述传感单元上绕有交流绕组，所述待测电缆为一次绕组，所述交流绕组为二次绕组，所述交流绕组用于在待测电缆中的交流电流的作用下产生电流，所述交流绕组的电流与所述待测电缆中的交流电流存在对应关系；

所述传感单元内部埋装有传感光纤，所述传感光纤传输线偏振光，所述线偏振光的旋转角度在待测电缆中的直流电流所产生的磁场的作用下发生偏转；

所述控制单元用于向所述传感光纤提供线偏振光；

所述信号采集处理单元用于通过交流绕组电流对应的电压确定待测电缆中的交流电流信号，通过所述线偏振光的旋转角度确定待测电缆中的直流电流信号。

可选地，所述传感单元上还绕有校准绕组，所述校准绕组上注入的信号用于实现电流互感器自校准。

可选地，所述控制单元包括：起偏器和受控发光源；

所述受控发光源用于发出光束，所述起偏器用于利用所述光束得到线偏振光。

可选地，所述控制单元还包括：可控信号源；

所述可控信号源用于向所述校准绕组注入信号，实现互感器自校准。

可选地，所述信号采集处理单元包括：检偏器、信号转换器和交流采集模块；

所述检偏器用于检测所述线偏振光的旋转角；

所述信号转换器用于将所述检偏器检测的旋转角转换为电信号，所述电信号对应待测电缆中的直流电流信号；

所述交流采集模块用于采集交流绕组电流对应的电压，以确定待测电缆中的交流电流信号。

可选地，所述传感单元包括：传感光纤、铁芯、内部绝缘层、校准绕组、交流绕组、外部绝缘层和铠装；

所述传感光纤埋装在传感单元的内部，所述铁芯包围所述传感光纤，所述内部绝缘层包围所述铁芯，所述校准绕组和交流绕组绕制在内部绝缘层的外侧，所述外部绝缘层将所述校准绕组和交流绕组包围，所述铠装包围在所述外部绝缘层的外侧。

可选地，所述待测电缆中的交流电流信号在铁芯内部产生的磁场被所述交流绕组感应磁场平衡，不会对所述待测电缆中直流电流信号产生的磁场造成干扰。

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，具有以下有益效果：

本发明提供了一种可以实现对强交流与弱直流混合信号进行非接触式测量的互感器，设置交流绕组在对强交流电流进行测量的同时，可以对传感单元内部交流磁场进行削弱；利用埋装于传感单元内部的光纤及其首端连接的受控发光源、起偏器和其末端连接的检偏器和信号转换器，组成全光纤型光学电流互感器，完成对微弱直流信号的测量；同时设置校准绕组，通过控制单元内的高稳定可控信号源注入可调节的已知信号，实现互感器的自校准。

附图说明

图1为现有基于直流叠加法进行电缆绝缘检测的原理图；

图2为本发明实施例提供的可分离强交流与弱直流信息的自校准型电流互感器结构图；

图3为本发明实施例提供的可分离强交流与弱直流信息的自校准型电流互感器传感单元截面图；

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：1为可控信号源、2为起偏器、3为受控发光源、4为交流采集模块、5为检偏器、6为信号转换器、7为校准绕组、8为交流绕组、9为传感光纤、10为铁芯、11为内部绝缘层、12为外部绝缘层、13为铠装。

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。

本发明提供了一种可分离并测量强交流与弱直流混合信号的自校准型电流互感器，可实现对强交流与弱直流混合信号的非接触式测量，并具备自校准功能。

本发明的技术方案为：一种可分离强交流与弱直流信息的自校准型电流互感器，包括控制单元、校准绕组、光纤回路、传感单元、交流绕组、信号采集处理单元。

所述校准绕组绕制在传感单元外围，端口与所述控制单元中的高稳定可控信号源相连接； 所述信号采集处理单元包括检偏器、信号转换器和交流采集模块，检偏器与信号转换器通过光纤相连接； 所述光纤回路输入端口与所述控制单元中的起偏器相连，中间部分埋装于传感单元中心，输出端口与所述信号采集处理单元中的检偏器相连接； 所述交流绕组绕制在传感单元外围，端口与所述信号采集处理单元中的交流采集模块相连接。

作为上述技术方案的优选，所述控制单元中的受控发光源、起偏器通过光纤与所述信号采集系统中的检偏器相连接，构成光纤回路，用于测量待测线路中的微弱直流信号。

作为上述技术方案的优选，所述绕制在传感单元外围的交流绕组端口与交流采集模块相连接，用于平衡待测线路中的强交流信号，消除其对微弱直流信号测量的干扰，同时实现对强交流信号的测量。

作为上述技术方案的优选，所述绕制在传感单元外围的校准绕组端口与控制单元中的高稳定可控信号源相连接，在无待测信号情况下，通过高稳定可控信号源向校准绕组中注入已知大小的信号，用于校准电流互感器。

本发明提供了一种可分离强交流与弱直流信息的自校准型电流互感器，结合了传统电磁互感器和光学互感器原理，利用传统电磁互感器原理，在完成交流信号测量的同时实现对交流磁场的削弱作用，进而利用光学电流互感器原理对微弱的直流信号进行测量，从而完成对强交流和弱直流混合信号的分离测量；同时装设校准绕组，与高稳定可控信号源相连，可以实现自校准。

图2为本发明实施例提供的可分离强交流与弱直流信息的自校准型电流互感器结构图，包括控制单元、传感单元、信号采集处理单元三个主要部分；控制单元包括高稳定可控信号源1、起偏器2和受控发光源3；传感单元截面图见图3，从内到外依次为：埋装于中心的传感光纤9、紧密包围的铁芯10、内部绝缘层11、绕制的校准绕组7和交流绕组8、外部绝缘层12和铠装13；信号采集处理单元包括检偏器5、信号转换器6和交流采集模块4。

交流绕组8端口与信号采集处理单元中的交流采集模块4相连接，交流绕组端口之间接交流采集模块内的电阻，阻值很小，近似于交流绕组短路。视待测电缆为一次绕组，交流绕组为二次绕组，根据电磁感应原理，有：

N ₁ I ₁ ≈N ₂ I ₂ （1）

其中N ₁ 、N ₂ 分别为待测电缆和交流绕组穿过传感单元的匝数，N ₁ 一般为1；I ₁ 、I ₂ 分别为待测电缆和交流绕组中的电流。通过交流采集模块4，采集交流绕组端口小电阻电压，即可获得待测电缆内的交流电流信号。

传感单元铁芯内的磁动势为：

F ₀ =N ₁ I ₁ -N ₂ I ₂ （2）

由式（1）可知F ₀ ≈0，即待测电缆中的交流信号在铁芯内部产生的磁场约为0，从而不会对微弱直流信号的测量产生干扰。交流绕组利用电磁感应原理实现了对待测电缆内交流信号的测量，同时也削弱了传感单元内部交流磁场，消除了其对直流信号测量的干扰。

传感单元内部埋装有传感光纤9，其首端依次外接控制单元内的起偏器2和受控发光源3，末端依次外接信号采集处理单元内的检偏器5和信号转换器6。由受控发光源3发出光束，通过起偏器2得到线偏振光，随后光路通过埋装于传感单元内部的传感光纤9，根据法拉第磁光感应原理：

（3）

其中V为维尔德常数，为待测电流产生的磁场强度，l为通光路径长度，/>为偏振光旋转角度。在待测电缆中直流电流信号产生的磁场作用下，光束偏振方向发生旋转，最后通过检偏器5检测偏振方向旋转角，再通过信号转换器6转变为电信号，即可输出待测电缆中的直流电流信号。由于交流磁场被交流绕组中的感应电流削弱，因此传感单元内部仅存在待测电缆内直流信号产生的磁场，从而实现了对直流信号的测量。

校准绕组7端口与控制单元内的高稳定可控信号源1相连，当通过控制高稳定可控信号源1向校准绕组7注入可调节的已知信号，可以实现互感器的自校准。

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 (5)

1.一种可分离安培级交流与微安级直流的自校准型电流互感器，其特征在于，包括：传感单元、控制单元和信号采集处理单元；

所述传感单元呈封闭圆环形状，圆环内侧供待测电缆通过，所述传感单元上绕有交流绕组，所述待测电缆为一次绕组，所述交流绕组为二次绕组，所述交流绕组用于在待测电缆中的交流电流的作用下产生电流，所述交流绕组的电流与所述待测电缆中的交流电流存在对应关系；

所述传感单元包括：传感光纤、铁芯、内部绝缘层、校准绕组、交流绕组、外部绝缘层和铠装；所述传感光纤埋装在传感单元的内部，所述铁芯包围所述传感光纤，所述内部绝缘层包围所述铁芯，所述校准绕组和交流绕组绕制在内部绝缘层的外侧，所述外部绝缘层将所述校准绕组和交流绕组包围，所述铠装包围在所述外部绝缘层的外侧所述待测电缆中的交流电流信号在铁芯内部产生的磁场被所述交流绕组感应磁场平衡，不会对所述待测电缆中直流电流信号产生的磁场造成干扰；

所述传感单元内部埋装有传感光纤，所述传感光纤传输线偏振光，所述线偏振光的旋转角度在待测电缆中的直流电流所产生的磁场的作用下发生偏转；

所述控制单元用于向所述传感光纤提供线偏振光；

所述信号采集处理单元用于通过交流绕组电流对应的电压确定待测电缆中的交流电流信号，通过所述线偏振光的旋转角度确定待测电缆中的直流电流信号；

所述自校准型电流互感器利用传统电磁互感器原理，在完成交流信号测量的同时实现对交流磁场的削弱作用，进而利用光学电流互感器原理对微弱的直流信号进行测量，从而完成对强交流和弱直流混合信号的分离测量。

2.根据权利要求1所述的自校准型电流互感器，其特征在于，所述传感单元上还绕有校准绕组，所述校准绕组上注入的信号用于实现电流互感器自校准。

3.根据权利要求1或2所述的自校准型电流互感器，其特征在于，所述控制单元包括：起偏器和受控发光源；

所述受控发光源用于发出光束，所述起偏器用于利用所述光束得到线偏振光。

4.根据权利要求2所述的自校准型电流互感器，其特征在于，所述控制单元还包括：可控信号源；

所述可控信号源用于向所述校准绕组注入信号，实现互感器自校准。

5.根据权利要求2所述的自校准型电流互感器，其特征在于，所述信号采集处理单元包括：检偏器、信号转换器和交流采集模块；

所述检偏器用于检测所述线偏振光的旋转角；

所述信号转换器用于将所述检偏器检测的旋转角转换为电信号，所述电信号对应待测电缆中的直流电流信号；

所述交流采集模块用于采集交流绕组电流对应的电压，以确定待测电缆中的交流电流信号。