CN110726862A - 一种测量宽频高幅值电流的集成式光学传感器探头 - Google Patents

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谢荣斌
马春雷
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Abstract

本发明公开了一种测量宽频高幅值电流的集成式光学传感器探头，包括磁光玻璃，磁光玻璃固定连接在外壳内，外壳两端内分别固定连接有准直器一和准直器二，磁光玻璃两端设置有起偏器和检偏器，中部内设有旋光器，准直器一和准直器二分别连接输入光纤和输出光纤，输入光纤和输出光纤分别连接到偏振激光器和激光探测器，准直器一用于将偏振光转化为空间平行光，作用于磁光玻璃上，准直器二用于接收检偏器后的空间平行光并传输至输出光纤。本发明安全可靠，对线路设备的绝缘性能不产生影响，可测量多种类型的电流，集成化设计，安装方便可靠，频率响应宽，暂态性能好；体积小，无铁心，高低压隔离，适合数字化变电站要求。

Description

一种测量宽频高幅值电流的集成式光学传感器探头
技术领域
本发明涉及一种测量宽频高幅值电流的集成式光学传感器探头，属于非接触电流测量设备定位技术领域。
背景技术
电流是电力系统重要的可观状态参量之一，暂态电流具有丰富的信息参数，包括波形、频率、幅值等特征，是反映电力系统扰动及故障过程的重要信息，对暂态电流进行实时观测是电网暂态信息获取、事故溯源的重要需求。传统的电磁式电流互感器虽然经过现场数字化改造，但在测量暂态电流时仍存在诸多弊端，例如绝缘成本高、易磁饱和、测量范围小、使用频带窄、剩磁、动态响应慢、无法测量高次谐波等问题，严重影响了暂态电流数据的实时准确获取。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种测量宽频高幅值电流的集成式光学传感器探头，能够满足宽频高幅值电流测量的要求，并且适用场景更广，可运用于狭小空间的电流测量，以解决现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种测量宽频高幅值电流的集成式光学传感器探头，包括磁光玻璃，磁光玻璃固定连接在外壳内，外壳两端内分别固定连接有准直器一和准直器二，磁光玻璃两端设置有起偏器和检偏器，中部内设有旋光器，准直器一和准直器二分别连接输入光纤和输出光纤，输入光纤和输出光纤分别连接到偏振激光器和激光探测器，准直器一用于将偏振光转化为空间平行光，作用于磁光玻璃上，准直器二用于接收检偏器后的空间平行光并传输至输出光纤。
优选的，上述外壳采用亚克力有机玻璃。
优选的，上述磁光玻璃采用铽铝硼硅酸盐磁光玻璃，具有相对其他磁光材料更高的维尔德系数，因此传感器的输出灵敏度更高。
优选的，上述磁光玻璃为4×37mm柱状透明玻璃，所述集成探头尺寸为40×100mm。
优选的，上述旋光器角度均为45°。
优选的，上述起偏器与检偏器之间成135°。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
1)安全可靠，对线路设备的绝缘性能不产生影响；
2)可测量多种类型的电流，包括直流电流、交流电流以及电网故障时的冲击大电流；
4)集成化设计，安装方便可靠；
5)频率响应宽，暂态性能好；体积小，无铁心，高低压隔离，适合数字化变电站要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为集成探头组安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例：如图1-图2所示，一种测量宽频高幅值电流的集成式光学传感器探头，包括磁光玻璃5，磁光玻璃5固定连接在外壳内，外壳两端内分别固定连接有准直器一3和准直器二8，磁光玻璃5两端设置有圆形薄片状的起偏器4和检偏器7，起偏器4和检偏器7分别绝缘封装在磁光玻璃5的两端，中部内设有旋光器6，准直器一3和准直器二8分别连接输入光纤2和输出光纤9，输入光纤2和输出光纤9分别连接到偏振激光器1和激光探测器10，准直器一3用于将偏振光转化为空间平行光，作用于磁光玻璃上，准直器二8用于接收检偏器后的空间平行光并传输至输出光纤，偏振激光器1产生波长为632.8nm的偏振激光，在该波长下，所选用磁光玻璃的维尔德常数最大，光电探测器10用于将光信号转换为电信号。
优选的，上述外壳采用亚克力有机玻璃。
优选的，上述磁光玻璃9采用铽铝硼硅酸盐磁光玻璃。
优选的，上述磁光玻璃5为4×37mm柱状透明玻璃，所述集成探头尺寸为40×100mm。
优选的，上述旋光器6角度均为45°。
优选的，上述起偏器4与检偏器7之间成135°。
集成式光学传感器探头测量方法：令起偏器4和检偏器7之间成或135°角，利用偏振激光器输入光强I1，经过起偏器、磁光玻璃、检偏器后输出光强I2为：
Figure BDA0002245988320000031
其中，β为法拉第旋转角，由于β极小，可将sinβ近似为β，则有：
Figure BDA0002245988320000032
其中，β＝VBL
式中，V为磁光材料的费尔德(Verder)常数，单位为rad/(T·m)；B是电流引起的磁场；L是偏振光透射磁光玻璃的光程，即磁光玻璃的厚度；
则：
Figure BDA0002245988320000041
被测导线看作为长直导线，其磁场为
Figure BDA0002245988320000042
式中：I为被测导线电流，μ0为磁光玻璃的磁导率，r表示探头与输电线路的距离；
则输出光强
Figure BDA0002245988320000043
由于输出光强与输出电压成正比关系，比例系数为定值k1，则最终输出电压与被测电流之间的关系为：
Figure BDA0002245988320000044
Figure BDA0002245988320000045
其中，k0＝k1I1/2，k0为基础输出电压，为一固定值；
k2＝k0VLμ0/π，k2与磁光玻璃特性相关。
I为被测导线电流，μ0为磁光玻璃的磁导率，则k0和k2均为常数，忽略基础输出电压后，对于近端探头,其输出电压U1为：
Figure BDA0002245988320000046
对于远端探头,其输出电压U2为：
安装探头组时，可选取r2＝10r1，如r1＝5cm，r2＝50cm，则远端探头的输出响应为近端探头的十分之一；当系统正常运行时，输电线路电流相对较小，近端探头的输出值更为准确，灵敏度更高；当系统发生故障，线路电流大大增加，远端探头可对故障电流的峰值进行有效测量，同时近端探头由于灵敏度更高，可获取故障电流的更多细节信息。
测量前，先在本实施例宽频高幅值暂态电流光学传感器的安装处实地测量多组确定的电流值，数据分析处理装置输出多组对应的电压值，计算得到传感器的相关参数k0和k2，而后则可以根据公式以及输出的电压值，反算得到被测电流的精确值。
测量时，如图2所示，将本实施例宽频高幅值暂态电流光学传感器探头A安装于距离被测长直导线B(被测长直导线B支撑在绝缘支柱C上)较近的位置处，得到更高的灵敏度；集成探头的安装须与被测导线平行，若是测量三相导线中的一相，可以设置两个或多个集成探头，最后利用数学解耦的方法求解单根导线的电流大小与波形。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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 (6)

1.一种测量宽频高幅值电流的集成式光学传感器探头，其特征在于：包括磁光玻璃（5），磁光玻璃（5）固定连接在外壳内，外壳两端内分别固定连接有准直器一（3）和准直器二（8），磁光玻璃（5）两端设置有起偏器（4）和检偏器（7），中部内设有旋光器（6），准直器一（3）和准直器二（8）分别连接输入光纤（2）和输出光纤（9），输入光纤（2）和输出光纤（9）分别连接到偏振激光器（1）和激光探测器（10），准直器一（3）用于将偏振光转化为空间平行光，作用于磁光玻璃上，准直器二（8）用于接收检偏器后的空间平行光并传输至输出光纤。
2.根据权利要求1所述的一种测量宽频高幅值电流的集成式光学传感器探头，其特征在于：外壳采用亚克力有机玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种测量宽频高幅值电流的集成式光学传感器探头，其特征在于：磁光玻璃（9）采用铽铝硼硅酸盐磁光玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种测量宽频高幅值电流的集成式光学传感器探头，其特征在于：磁光玻璃（5）为4×37mm柱状透明玻璃，所述集成探头尺寸为40×100mm。
5.根据权利要求1所述的一种测量宽频高幅值电流的集成式光学传感器探头，其特征在于：旋光器（6）角度均为45°。
6.根据权利要求1所述的一种测量宽频高幅值电流的集成式光学传感器探头，其特征在于：起偏器（4）与检偏器（7）之间成135°。
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