CN112098704B - 一种无源光纤电流互感器及工作方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种无源光纤电流互感器及工作方法，属于电流互感器技术领域，包括光源、罗氏线圈、信号检测处理模块和至少一个压感光衰模块；所述罗氏线圈将电流信号转换为电压信号并输出到压感光衰模块，所述光源输出光波到压感光衰模块，压感光衰模块将电压信号转化为对光波的吸收强弱；信号检测处理模块根据压感光衰模块输出的光功率的变化得到电压信号，对电压信号进行积分后得到电流信号；本公开结构简单，抗干扰能力强，无需对远端传感器进行供能，部署方便，极大的提高了电流信号的检测效率。

Description

一种无源光纤电流互感器及工作方法

技术领域

本公开涉及电流互感器技术领域，特别涉及一种无源光纤电流互感器及工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

电流互感器将电力系统一次回路中的电流信号按一定的比例关系传递到二次回路，提供给测量装置和继电保护装置等二次设备，来对电力系统进行监视、测量和保护。

传统电流互感器的基本工作原理与变压器相同，运行状态相当于变压器的短路运行。电子式电流互感器用光缆取代信号传输电缆，可以节约生产成本，也增强了信号传输过程中的抗干扰能力，使数据精度大大提高。根据一次侧的感应部件是否需要供电，可将电子式电流互感器分为有源式电流互感器和无源式电流互感器两大类。当前有源式电流互感器的技术研究与应用比较成熟。有源式电流互感器一次高压侧传感装置主要采用Rogowski线圈(罗氏线圈)，线圈输出的信号是被测量电流的微分信号-电压，如下式所示：

式中M为线圈母线之间的电感；i为被测量电流，通过对Rogowski线圈输出电压的积分可还原被测量电流信号。

本公开发明人发现，目前基于罗氏线圈的电流互感器一次高压侧电子电路均需要进行供能处理，影响互感器系统的稳定性，增加了系统成本；而且在测试时需要对远端的传感器进行供能，不方便进行传感器的部署，不能实现电能供应条件有限的情况下的快速检测。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种无源光纤电流互感器及工作方法，结构简单，抗干扰能力强，无需对远端传感器进行供能，部署方便，极大的提高了电流信号的检测效率。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种无源光纤电流互感器。

一种无源光纤电流互感器，包括光源、罗氏线圈、信号检测处理模块和至少一个压感光衰模块；

所述罗氏线圈将电流信号转换为电压信号并输出到压感光衰模块，所述光源输出光波到压感光衰模块，压感光衰模块将电压信号转化为对光波的吸收强弱；

信号检测处理模块根据压感光衰模块输出的光功率的变化得到电压信号，对电压信号进行积分后得到电流信号。

作为可能的一些实现方式，所述罗氏线圈与压感光衰模块通过导线连接，压感光衰模块、光源以及信号检测处理模块通过光纤构成完整光路。

作为可能的一些实现方式，罗氏线圈输出电压与压感光衰模块测量电压范围相匹配。

作为可能的一些实现方式，所述压感光衰模块，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和至少一层二维材料；

所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，所述导体和二维材料均设置在两路波导元件之间。

作为可能的一些实现方式，所述压感光衰模块，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和两层二维材料；

两层二维材料均与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体设置在两层二维材料之间，两层二维材料分别为P型掺杂和N型掺杂，且导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构；波导元件分成两路，所述导体和二维材料均设置在两路波导元件之间。

作为可能的一些实现方式，所述压感光衰模块，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和至少一层二维材料；

所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，所述导体和二维材料均设置在两路波导元件之间，且所述二维材料与波导元件贴合。

作为可能的一些实现方式，所述压感光衰模块，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和两层二维材料；

两层二维材料均与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体设置在两层二维材料之间，两层二维材料分别为P型掺杂和N型掺杂，且导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构；波导元件分成两路，所述导体和二维材料均设置在两路波导元件之间，且两层二维材料分别与两路波导元件贴合。

作为可能的一些实现方式，所述压感光衰模块，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和至少一层二维材料；

所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，所述二维材料设置在两路波导元件之间，所述导体与波导元件的外侧贴合。

作为可能的一些实现方式，所述压感光衰模块，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和两层二维材料；

所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，两层二维材料分别为P型掺杂和N型掺杂，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，两层二维材料均设置在两路波导元件之间，所述导体与波导元件的外侧贴合。

本公开第二方面提供了一种无源光纤电流互感器的工作方法，利用本公开第一方面所述的无源光纤电流互感器，包括以下步骤：

光源发射预设频率的测量光；

测量光通过波导元件进入压感光衰模块，并通过波导元件返回到信号检测处理模块；

信号检测处理模块检测接收到的光信号的光功率，与发射的测量光的光功率对比后得到罗氏线圈输出电压信号；

对输出电压信号进行积分后得到电流信号。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的无源光纤电流互感器及工作方法，结构简单，抗干扰能力强，无需对远端传感器进行供能，部署方便，极大的提高了电流信号的检测效率。

2、本公开所述的无源光纤电流互感器及工作方法，在压感光衰模块中，输入电压通过形成的电容结构调节二维材料表面载流子的浓度，使二维材料化学势发生的变化，引起二维材料对特定波长激光吸收率的变化，通过吸收率和电压间对应关系，实现稳定性更高且抗干扰能力更强的电压测量。

3、本公开所述的无源光纤电流互感器及工作方法，在压感光衰模块中，波导材料导引光的传播，通过分光臂等结构加强光与二维材料的作用，二维材料被波导材料包裹或贴合在波导材料表面，通过延长通过波导材料的光波与二维材料作用时间与距离、作用次数等方式，增强了与二维材料的作用强度，提高了电压测量的精度和敏感性。

4、本公开所述的无源光纤电流互感器及工作方法，在压感光衰模块中，通过多层不同掺杂浓度二维材料与测量光作用，极大的改善了二维材料电压作用下光吸收的非线性。

5、本公开所述的无源光纤电流互感器及工作方法，在压感光衰模块中，具有高频抑制吸收特性，射入传感器的高频率的光波可抑制传感器对低频率光波的吸收。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1提供的无源光纤电流互感器的结构示意图。

图2为本公开实施例1提供的压感光衰模块的结构示意图。

图3为本公开实施例3提供的压感光衰模块的结构示意图。

图4为本公开实施例5提供的压感光衰模块的结构示意图。

图5为本公开实施例7提供的无源光纤电流互感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1所示，本公开实施例1提供了一种无源光纤电流互感器，包括罗氏线圈、压感光衰装置、激光与信号检测处理装置，所述激光与信号检测处理装置包括激光模块、电源模块、控制与通信模块、信号处理模块和光功率检测模块；

罗氏线圈将电流信息转换为电压信息输出。

压感光衰装置可将电压转化为模块对光的吸收强弱，引起通过光路的衰减变化。

激光与信号检测处理装置主要为系统提供稳定的光源，并能准确测量光功率，将光功率信号转化为电压信号，并对电压信号进行积分的输出所测电流结果。

罗氏线圈与压感光衰装置通过导线连接，压感光衰装置和激光与信号检测处理装置通过光纤形成完整光路，其中罗氏线圈输出电压与压感光衰装置测量电压范围相匹配。

罗氏线圈将测量电流信息转换为电压如公式：

式中，M为线圈母线之间的电感；i为被测量电流。

压感光衰装置将电压转换为对透过激光的吸收率，压感光衰装置输入电压V_in与衰减系数为α存在确定的关系V_in～α，因此可通过压控光衰减系数α来实现电压的测量。

激光模块发射频率为f的光，其输出功率为固定的p₀的测量光。测量光通过光纤链路和压感光衰装置形成的光路返回激光与信号检测处理装置的光功率检测模块，模块接收到的光功率为p(t)。

激光与信号检测处理装置通过光功率的p(t)变化及压感光衰装置光衰减系数α与输入电压的对应关系，可得到罗氏线圈输出电压信号e(t)。

信号检测装置对得到的电压信号e(t)进行积分，最终得到测量电流值i(t)。

罗氏线圈产生的电压可直接驱动压感光衰装置，无需对远端传感器装置(压感光衰装置和罗氏线圈)进行供能。

如图2所示，所述压感光衰装置，包括两层不同掺杂浓度的石墨烯、导体、电极、电磁屏蔽壳及波导材料。

两层不同掺杂浓度的石墨烯通过良性导电材料连接至同一电极，另一电极与导体相连，导体与石墨烯间绝缘；

电磁屏蔽壳包裹在传感器外，以屏蔽外界电磁场对传感器的影响；

波导材料导引光的传播，通过分光双臂结构加强光与石墨烯的作用，石墨烯被波导材料夹在波导材料中间，同时波导材料起到石墨与另一极导体间绝缘的作用。

本实施例所述的波导材料具体为光纤。

本实施例所述的一层石墨烯，指的是一层单原子石墨烯。

两层石墨烯一层为P掺杂石墨烯，另一层为N掺杂石墨烯，其化学势相反。通过P掺杂和N掺杂两层石墨烯与通过光的作用，可以改善石墨烯电压作用下光吸收的非线性。

波导分光双臂将射入的光按照1:1分成两束光，分别与P掺杂和N掺杂石墨烯作用。

本实施例所述的电压传感器的电压测量范围存在一定的敏感区，其范围与导体与二维材料间电容大小、测量光波长及二维材料的能带结构等参数有关，可以通过调节导体与二维材料间的电容大小或者测量光波长或者更换二维材料进行敏感区变换。

本实施例所述的电压传感器的基本原理为：输入电压通过石墨烯与导体之间电容结构，调节石墨烯载流子的浓度，使石墨烯电子化学势发生的变化，引起石墨烯对测量单色激光吸收率的变化。通过输出光功率的变化，可得到传感器对光的吸收率，而传感器光吸收率和电压存在一定的对应关系，从而实现电压测量。

实施例2：

本公开实施例2提供了一种无源光纤电流互感器，将压感光衰装置中的两层石墨烯变换为一层石墨烯，即去除实施例1中的一层石墨烯，其他结构与实施例1中的相同，这里不再赘述。

实施例3：

本公开实施例3提供了一种无源光纤电流互感器，本所述压感光衰装置包括两层不同掺杂浓度的石墨烯、导体、电极、电磁屏蔽壳及波导材料，如图3所示。

两层不同掺杂浓度的石墨烯通过良性导电材料连接至同一电极，另一电极与导体相连，导体与石墨烯间绝缘；电磁屏蔽壳包裹在传感器外，以屏蔽外界电磁场对传感器的影响；波导材料导引光的传播，通过分光双臂结构，分别与两片石墨烯进行作用；石墨烯紧密贴合在波导材料的外表面，通过延长通过波导材料的光波与二维材料作用时间与距离、作用次数等方式，增强与二维材料的作用强度。

本实施例所述的波导材料具体为光纤。

本实施例所述的一层石墨烯，指的是一层单原子石墨烯。

两层石墨烯一层为P掺杂石墨烯，另一层为N掺杂石墨烯，其化学势相反。通过P掺杂和N掺杂两层石墨烯与通过光的作用，可以改善石墨烯电压作用下光吸收的非线性。

波导分光双臂将射入的光按照1:1分成两束光，分别与P掺杂和N掺杂石墨烯作用。

本实施例中，通过石墨烯与光在波导表面形成的倏逝波作用，实现光的吸收衰减，从而进行电压测量。

本实施例所述的电压传感器的电压测量范围存在一定的敏感区，其范围与导体与二维材料间电容大小、测量光波长及二维材料的能带结构等参数有关，可以通过调节导体与二维材料间的电容大小或者测量光波长或者更换二维材料进行敏感区变换。

其他结构与实施例1中的相同，这里不再赘述。

实施例4：

本公开实施例4提供了一种无源光纤电流互感器，将压感光衰装置中的两层石墨烯变换为一层石墨烯，即去除实施例3中的一层石墨烯，其他结构与实施例3中的相同，这里不再赘述。

实施例5：

本公开实施例5提供了一种无源光纤电流互感器，所述压感光衰装置包括两层不同掺杂浓度的石墨烯、导体、电极、电磁屏蔽壳及波导材料，如图4所示。

两层不同掺杂浓度的石墨烯通过良性导电材料连接至同一电极，同时，两导体链接至另一极，导体与石墨烯间绝缘；电磁屏蔽壳包裹在传感器外，以屏蔽外界电磁场对传感器的影响；波导材料导引光的在波导内传播；石墨烯夹在波导材料中间。

两层石墨烯一层为P掺杂石墨烯，另一层为N掺杂石墨烯，其化学势相反，通过P掺杂和N掺杂两层石墨烯与通过光的作用，可以改善石墨烯电压作用下光吸收的非线性。波导传播的光同时与P掺杂和N掺杂石墨烯作用。

本实施例所述的一层石墨烯，指的是一层单原子石墨烯。

传感器输入电压调节电容电荷聚集，进而调节石墨烯载流子的浓度，使石墨烯电子化学势发生的变化，引起石墨烯对特定波长激光吸收率的变化，从而实现电压测量。

本实施例所述的电压传感器的电压测量范围存在一定的敏感区，其范围与导体与二维材料间电容大小、测量光波长及二维材料的能带结构等参数有关，可以通过调节导体与二维材料间的电容大小或者测量光波长或者更换二维材料进行敏感区变换。

其他结构与实施例1中的相同，这里不再赘述。

实施例6：

本公开实施例6提供了一种无源光纤电流互感器，将压感光衰装置中的两层石墨烯变换为一层石墨烯，即去除实施例5中的一层石墨烯，其他结构与实施例5中的相同，这里不再赘述。

实施例7：

本公开实施例7提供了一种无源光纤电流互感器，包括罗氏线圈、压感光衰装置1、压感光衰装置2、激光模块与激光与信号检测处理装置。

罗氏线圈将电流信息转换为电压信息输出。

压感光衰装置1和压感光衰装置2可将电压转化为模块对光的吸收强弱，引起通过光路的衰减变化。

激光与信号检测处理装置主要为系统提供稳定的光源，并能准确测量光功率，将光功率信号转化为电压信号，并对电压信号进行积分的输出所测电流结果。

压感光衰装置1、压感光衰装置2通过导线同时与罗氏线圈连接，压感光衰装置1、压感光衰装置2和激光与信号检测处理装置通过光纤形成完整光路，其中罗氏线圈输出电压与压感光衰装置1和压感光衰装置2测量电压范围相匹配。

激光模块同时支持两个及以上压感光衰装置的接入，可提供不同频率波长稳定光功率的输出。同时，激光与信号检测处理装置光功率检测模块也同时支持接收两路及以上光功率的测量。

本实施例通过对压感光衰装置的冗余性配置，增强了系统的可靠性。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无源光纤电流互感器，其特征在于，包括光源、罗氏线圈、信号检测处理模块和至少一个压感光衰模块；

所述罗氏线圈将电流信号转换为电压信号并输出到压感光衰模块，所述光源输出光波到压感光衰模块，压感光衰模块将电压信号转化为对光波的吸收强弱；

信号检测处理模块根据压感光衰模块输出的光功率的变化得到电压信号，对电压信号进行积分后得到电流信号；

所述压感光衰模块，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和至少一层二维材料；所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，所述导体和二维材料均设置在两路波导元件之间；

或者，所述压感光衰模块，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和两层二维材料；两层二维材料均与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体设置在两层二维材料之间，两层二维材料分别为P型掺杂和N型掺杂，且导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构；波导元件分成两路，所述导体和二维材料均设置在两路波导元件之间；

或者，所述压感光衰模块，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和至少一层二维材料；所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，所述导体设置在两路波导元件之间，且所述二维材料贴合在波导元件的外表面；

或者，所述压感光衰模块，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和两层二维材料；两层二维材料均与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体设置在两层二维材料之间，两层二维材料分别为P型掺杂和N型掺杂，且导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构；波导元件分成两路，所述导体设置在两路波导元件之间，且两层二维材料分别贴合在两路波导元件的外表面；

或者，所述压感光衰模块，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和至少一层二维材料；所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，所述二维材料设置在两路波导元件之间，所述导体与波导元件的外侧贴合；

或者，所述压感光衰模块，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和两层二维材料；所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，两层二维材料分别为P型掺杂和N型掺杂，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，两层二维材料均设置在两路波导元件之间，所述导体与波导元件的外侧贴合。

2.如权利要求1所述的无源光纤电流互感器，其特征在于，所述罗氏线圈与压感光衰模块通过导线连接，压感光衰模块、光源以及信号检测处理模块通过光纤构成完整光路。

3.如权利要求1所述的无源光纤电流互感器，其特征在于，罗氏线圈输出电压与压感光衰模块测量电压范围相匹配。

4.一种无源光纤电流互感器的工作方法，其特征在于，利用权利要求1-3任一项所述的无源光纤电流互感器，包括以下步骤：

光源发射预设频率的测量光；

测量光通过波导元件进入压感光衰模块，并通过波导元件返回到信号检测处理模块；

信号检测处理模块检测接收到的光信号的光功率，与发射的测量光的光功率对比后得到罗氏线圈输出电压信号；

对输出电压信号进行积分后得到电流信号。