CN113063983B - 一种基于磁致伸缩效应的三相高压线路电流光学测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于磁致伸缩效应的三相高压线路电流光学测量装置，包括三个传变模块，分别套在待测三相高压线路的各相高压导线上，以输出各相高压导线的交变电流；交变磁场输出模块，与传变模块相连，产生带偏置的交变磁场；微形变线性控制模块，置于所产生的带偏置的交变磁场中，发生轴线形变；磁致响应非线性补偿模块，对带偏置的交变磁场进行补偿；Brag光栅感应模块，所发生的轴线形变使得Brag光栅反射波的中心波长改变，光纤调制解调主机发射宽脉宽光，并根据Brag光栅反射波的中心波长变化量，即可计算出形变量，并以此推算出高压导线的电流值。受环境温度、振动、光纤传输的影响极小，测量误差小于1%。
Description
技术领域
本发明涉及高压线路电流测量技术领域，具体涉及一种基于磁致伸缩效应的三相高压线路电流光学测量装置。
背景技术
高压线路负荷电流监测，对于实现线路运行管理、故障处置有着强烈的指导意义。传统意义上的导线负荷电流监测，受采集装置供电可靠性、通信稳定性、强电场干扰的影响，运行可靠性差，用户体验感不佳。
基于光纤的光学电流测量方法，不需要电源供电，一根光纤即可实现通信与测量，加之光纤的天然绝缘性能，使得基于光纤的高压线路电流测量方法，有着显著性的优势。
国内外对全光纤电流传感技术已有多年的研究，研究方向大多集中在基于法拉第磁光效应的电流检测方法，在载流导线安培效应产生的磁场作用下，偏振光振动平面发生偏转，并通过光电转换表现为光强发生变化，通过测量光强即可实现电流的测量。
该方案从原理端验证是可行的，但在产品化阶段，暴露出如下问题：
1）测量精度低：方案原理上讲就是偏振干涉，但在传播过程中，光波偏振态的稳定性不可靠，导致测量精度低；
2）测量稳定性差：光信号在光纤传播过程中，光纤的线性双折射效应与法拉第效应一样，均会使偏振光的偏振面发生选择，而光纤的线性双折射效应受外界环境如温度、振动、应力等环境因素影响，因此，测量系统的稳定性差；
3）小电流无法测量：系统基于光强测量，在小电流情况下输出光强弱，信噪比低，导致无法分辨出小电流信号。
即基于偏振角调制的光纤电流测量方法，原理端即存在局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于磁致伸缩效应的三相高压线路电流光学测量装置，以克服上述现有技术中的不足。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于磁致伸缩效应的三相高压线路电流光学测量装置，包括
三个传变模块，分别套在待测三相高压线路的各相高压导线上，以输出各相高压导线的交变电流；
三个交变磁场输出模块，分别与三个传变模块所输出的交变电流相连，并各自结合直流电源驱动的偏置绕组，产生带偏置的交变磁场；
三个微形变线性控制模块，分别置于三个所产生的带偏置的交变磁场中，并各自在带偏置的交变磁场的驱动下发生轴线形变；
三个磁致响应非线性补偿模块，分别各自对三个交变磁场输出模块所产生的带偏置的交变磁场进行补偿，以修正轴线形变量与带偏置的交变磁场之间所具有的响应曲线关系；
三个Brag光栅感应模块，各微形变线性控制模块所发生的轴线形变使得Brag光栅反射波的中心波长改变，光纤调制解调主机发射宽脉宽光，并各自根据Brag光栅反射波的中心波长变化量，即可计算出各自的形变量，并以此对应推算出各相高压导线的电流值；
外箱，用以安装三个交变磁场输出模块、三个微形变线性控制模块和三个Brag光栅感应模块。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，传变模块包括磁芯坯体以及绕于磁芯坯体上的第一线圈，磁芯坯体为开口式。
进一步，还包括三个开合式外壳，三个传变模块中的磁芯坯体分别置于三个开合式外壳内。
进一步，开合式外壳包括第一壳体、第二壳体、铰链和搭扣结构，第一壳体和第二壳体通过铰链、搭扣结构相对拼合；磁芯坯体由两个半圆环状坯芯相对拼合而成，两个半圆环状坯芯分别置于第一壳体和第二壳体内。
进一步，磁芯坯体的材料为高磁导率的硅钢片或坡莫合金。
进一步，传变模块的传变系数为800:1。
进一步，交变磁场输出模块包括空心管，以及绕于空心管上的螺线管绕组和偏置绕组，以及与偏置绕组连接的直流电源；螺线管绕组与第一线圈相连。
进一步，微形变线性控制模块选用磁致伸缩材料。
进一步，磁致响应非线性补偿模块包括绕于磁芯坯体上的第二线圈，以及绕于磁芯坯体上且与第二线圈连接的补偿绕组。
进一步，补偿绕组处于螺线管绕组与偏置绕组之间，补偿绕组的绕制方向与螺线管绕组和偏置绕组的绕制方向相反。
本发明的有益效果是：
1）基于光纤传感实现宽范围的无源电流测量；
2）测量装置无源设计，单一光纤解决信号采集与传输的问题，实现高低压的绝缘隔离；
3）测量装置受环境温度、振动、光纤传输的影响极小，全工况运行环境，测量误差不超过1%；
4）整体实现成本低于基于偏振光的方案，具备产业化的条件；
5）可以同时完成三相高压导线的各相高压导线的电流值测量；
6）开合式外壳的引入，方便将磁芯坯体装于高压导线上，而外箱的引入，则方便携带整个测量装置。
附图说明
图1为基于磁致伸缩效应的三相高压线路电流光学测量装置的原理图；
图2为基于磁致伸缩效应的三相高压线路电流光学测量装置的结构图；
图3为开合式外壳与磁芯坯体的装配图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、传变模块，110、磁芯坯体，120、第一线圈，2、交变磁场输出模块，210、空心管，220、螺线管绕组，230、偏置绕组，240、直流电源，3、微形变线性控制模块，4、磁致响应非线性补偿模块，410、第二线圈，420、补偿绕组，5、Brag光栅感应模块，6、外箱，7、开合式外壳，710、第一壳体，720、第二壳体，730、铰链，740、搭扣结构。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1、图2所示，一种基于磁致伸缩效应的三相高压线路电流光学测量装置，包括
三个传变模块1，分别套在待测三相高压线路的各相高压导线上，以输出各相高压导线的交变电流；
三个交变磁场输出模块2，分别与三个传变模块1所输出的交变电流相连，并各自结合直流电源240驱动的偏置绕组230，产生带偏置的交变磁场；
三个微形变线性控制模块3，分别置于三个所产生的带偏置的交变磁场中，并各自在带偏置的交变磁场的驱动下发生轴线形变；
三个磁致响应非线性补偿模块4，分别各自对三个交变磁场输出模块2所产生的对带偏置的交变磁场进行补偿，以修正轴线形变量与带偏置的交变磁场之间所具有的响应曲线关系；
三个Brag光栅感应模块5，各微形变线性控制模块3的形变会导致反射波中心波长改变，光纤调制解调主机发射宽脉宽光，并各自根据Brag光栅反射波的中心波长变化量，即可计算出各自的形变量，因此，可以使用Brag光栅检测微小形变量；高压导线电流变化导致磁场发生线性变化，磁场变化导致微形变线性控制模块3发生轴线形变，而形变量又被光栅测算出来，因此，最终可对应推算出各相高压导线的电流值；
外箱6，用以安装三个交变磁场输出模块2、三个微形变线性控制模块3和三个Brag光栅感应模块5。
实施例2
如图1、图2所示，本实施例为在实施例1的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
传变模块1包括磁芯坯体110以及绕于磁芯坯体110上的第一线圈120，磁芯坯体110为开口式，开口式设计的磁芯坯体110可安装于各种高压导线上。
实施例3
如图1、图2、图3所示，本实施例为在实施例2的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
基于磁致伸缩效应的三相高压线路电流光学测量装置还包括三个开合式外壳7，三个传变模块1中的磁芯坯体110分别置于三个开合式外壳7内，通过三个开合式外壳7方便将三个磁芯坯体110装于高压导线上，磁芯坯体110由两个半圆环状坯芯相对拼合而成。
另外，在本实施例中，开合式外壳7包括第一壳体710、第二壳体720、铰链730和搭扣结构740，第一壳体710和第二壳体720均内部中空，第一壳体710的一端与第二壳体720的一端通过铰链730相连，而第一壳体710的另一端与第二壳体720的另一端通过搭扣结构740相连，从而使得第一壳体710、第二壳体720在铰链730和搭扣结构740的作用下相对拼合在一起；磁芯坯体110由两个半圆环状坯芯相对拼合而成，而两个半圆环状坯芯分别置于第一壳体710和第二壳体720内，当第一壳体710、第二壳体720相对拼合后，使得两个半圆环状坯芯构成一个完整环状的磁芯坯体110。
实施例4
如图1、图2所示，本实施例为在实施例2或3的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
磁芯坯体110的材料为高磁导率的硅钢片或坡莫合金，材料截面积合理选择，保障全量程不会出现磁饱和问题。
实施例5
如图1、图2所示，本实施例为在实施例2或3或4的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
传变模块1的传变系数为800:1，另外，磁芯坯体110的截面面积不小于20mm*20mm，而传变模块1中第一线圈120所采用的漆包线截面积大于等于1mm2，配合磁芯坯体110的材料为高磁导率的硅钢片或坡莫合金，使得传变模块1的输出功率达到30W。
实施例6
如图1、图2所示，本实施例为在实施例2～5任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
交变磁场输出模块2包括空心管210，以及绕于空心管210上的螺线管绕组220和偏置绕组230，以及与偏置绕组230连接的直流电源240；而螺线管绕组220则与第一线圈120相连，螺线管绕组220上通入交变电流，即可在螺线管绕组220中心产生稳定的交变磁场，同时，偏置绕组230通入直流电源，形成偏置磁场，两组磁场叠加，即可形成带偏置的交变磁场。
空心管210处在外箱6内，直流电源240也处在外箱6内，在外箱6上安装有第一接线器，以使第一线圈120与螺线管绕组220连通，第一接线器可以为电连接器，方便拆装。
实施例7
如图1、图2所示，本实施例为在实施例6的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
微形变线性控制模块3选用磁致伸缩材料，而磁致伸缩材料具体可以为现有技术中的铁镓合金，在带偏置的交变磁场的驱动下，即可产生相应的形变量，为控制形变范围尽量工作在线性区域，在交变磁场的基础上叠加偏置磁场，在超限的磁场作用下，材料形变量趋于稳定，输出线性度会受影响。
实施例8
如图1、图2所示，本实施例为在实施例7的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
磁致响应非线性补偿模块4包括绕于磁芯坯体110上的第二线圈410，以及绕于磁芯坯体110上且与第二线圈410连接的补偿绕组420，磁致伸缩材料的形变与磁场的关系曲线非线性，单独使用补偿绕组420，对磁场进行补偿，达到输出趋于线性的目的。
在外箱6上安装有第二接线器，以使第二线圈410与补偿绕组420连通，第二接线器可以为电连接器，方便拆装。
实施例9
如图1、图2所示，本实施例为在实施例7的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
补偿绕组420处于螺线管绕组220与偏置绕组230之间，补偿绕组420的绕制方向与螺线管绕组220和偏置绕组230的绕制方向相反，可有效的确保整个装置的性能。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种基于磁致伸缩效应的三相高压线路电流光学测量装置，其特征在于，包括
三个传变模块（1），分别套在待测三相高压线路的各相高压导线上，以输出各相高压导线的交变电流；
三个交变磁场输出模块（2），分别与三个传变模块（1）所输出的交变电流相连，并各自结合直流电源（240）驱动的偏置绕组（230），产生带偏置的交变磁场；
三个微形变线性控制模块（3），分别置于三个所产生的带偏置的交变磁场中，并各自在带偏置的交变磁场的驱动下发生轴线形变；
三个磁致响应非线性补偿模块（4），分别各自对三个交变磁场输出模块（2）所产生的带偏置的交变磁场进行补偿，以修正轴线形变量与带偏置的交变磁场之间所具有的响应曲线关系；
三个Brag光栅感应模块（5），各微形变线性控制模块（3）所发生的轴线形变使得Brag光栅反射波的中心波长改变，光纤调制解调主机发射宽脉宽光，并各自根据Brag光栅反射波的中心波长变化量，即可计算出各自的形变量，并以此对应推算出各相高压导线的电流值；
外箱（6），用以安装三个交变磁场输出模块（2）、三个微形变线性控制模块（3）和三个Brag光栅感应模块（5）；
所述传变模块（1）包括磁芯坯体（110）以及绕于磁芯坯体（110）上的第一线圈（120），所述磁芯坯体（110）为开口式；
所述交变磁场输出模块（2）包括空心管（210），以及绕于空心管（210）上的螺线管绕组（220）和偏置绕组（230），以及与偏置绕组（230）连接的直流电源（240）；所述螺线管绕组（220）与所述第一线圈（120）相连；
所述磁致响应非线性补偿模块（4）包括绕于磁芯坯体（110）上的第二线圈（410），以及绕于磁芯坯体（110）上且与第二线圈（410）连接的补偿绕组（420）；
所述补偿绕组（420）处于所述螺线管绕组（220）与偏置绕组（230）之间，所述补偿绕组（420）的绕制方向与所述螺线管绕组（220）和所述偏置绕组（230）的绕制方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁致伸缩效应的三相高压线路电流光学测量装置，其特征在于，还包括三个开合式外壳（7），三个所述传变模块（1）中的磁芯坯体（110）分别置于三个开合式外壳（7）内。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁致伸缩效应的三相高压线路电流光学测量装置，其特征在于，所述开合式外壳（7）包括第一壳体（710）、第二壳体（720）、铰链（730）和搭扣结构（740），所述第一壳体（710）和所述第二壳体（720）通过铰链（730）、搭扣结构（740）相对拼合；所述磁芯坯体（110）由两个半圆环状坯芯相对拼合而成，两个半圆环状坯芯分别置于第一壳体（710）和第二壳体（720）内。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁致伸缩效应的三相高压线路电流光学测量装置，其特征在于，所述磁芯坯体（110）的材料为高磁导率的硅钢片或坡莫合金。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种基于磁致伸缩效应的三相高压线路电流光学测量装置，其特征在于，所述传变模块（1）的传变系数为800:1。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁致伸缩效应的三相高压线路电流光学测量装置，其特征在于，所述微形变线性控制模块（3）选用磁致伸缩材料。
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Denomination of invention: An optical current measurement device for three-phase high-voltage transmission lines based on magnetostriction effect Effective date of registration: 20231219 Granted publication date: 20210803 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: Wuhan Huarui volt ampere Power Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023980072298 |