CN115015628A - 同时检测瞬时温度和工频电流的方法及系统 - Google Patents
同时检测瞬时温度和工频电流的方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115015628A CN115015628A CN202210655266.4A CN202210655266A CN115015628A CN 115015628 A CN115015628 A CN 115015628A CN 202210655266 A CN202210655266 A CN 202210655266A CN 115015628 A CN115015628 A CN 115015628A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical
- fiber
- current
- power frequency
- frequency current
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 97
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 90
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 29
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 73
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 37
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- 102100031144 Coilin Human genes 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 108010051876 p80-coilin Proteins 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
- G01R19/32—Compensating for temperature change
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
- G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
- G01R15/245—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect
- G01R15/246—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect based on the Faraday, i.e. linear magneto-optic, effect
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
Abstract
本发明涉及一种同时检测瞬时温度和工频电流的方法及系统。检测方法包括：S1、获取工频电流测量中由光电探测器响应到的电压信号；S2、通过光源调制或者可调节光衰减器或1×N光开关将所述电压信号中包含的探测器无光偏置电压信号进行消除；S3、将所述去除无光偏置的电压信号求和进行数字动态调平衡，获得平衡系数；S4、通过提取所述去除无光偏置的电压信号中只包含工频电流为零时的电压信号，并利用所述平衡系数获得表征瞬时温度的相移，进行瞬时温度的解调；S5、通过温度自补偿过程获得表征当前工频电流的相移，进行当前工频电流的解调。本发明利用法拉第旋转器和法拉第旋转反射镜的温度依赖关系解调出瞬时温度，用于工频电流检测温度误差补偿，提高了光纤电流传感器在检测被测电流时的检测精度和准确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种电流检测装置，具体地说是一种基于偏振型光纤电流传感器的同时检测瞬时温度和工频电流的方法及系统。
背景技术
光纤电流传感器是保证电力系统安全性和可靠性一个重要设备。光纤电流传感器通过额外引入温度传感元件，以获得传感器温度误差补偿系数，进行电流检测精度的补偿。这样在增加系统成本的基础上，会使整个系统的结构复杂，相应增加了记忆解调的复杂性。如何解决温度变化对光纤电流传感器精度的影响，是目前业内需要亟待解决的一个问题。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于偏振型光纤电流传感器的同时检测瞬时温度和工频电流的方法及系统，用于工频电流检测温度误差的补偿，以解决温度变化对光纤电流传感器的精度所带来的不利影响。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于偏振型光纤电流传感器的同时检测瞬时温度和工频电流的方法，包括以下步骤：
S1、获取工频电流测量中由光电探测器响应到的电压信号；
S2、通过光源调制、可调节光衰减器或1×N光开关，消除所获电压信号中所包含的无光偏置的电压信号；
S3、对所去除的无光偏置的电压信号求和，并进行数字动态调平衡，以获得平衡系数；
S4、提取无光偏置的电压信号中只包含工频电流为零时刻的电压信号，利用平衡系数获得表征瞬时温度的相移，进行瞬时温度的解调，获得瞬时温度值；
S5、通过温度自补偿过程，获得表征当前工频电流的相移，进行当前工频电流的解调，获得工频电流值。
进一步地，步骤S2中的消除电压信号中包含的无光偏置的电压信号的方式为以下方式中的一种：
a.利用SLD光源中的光强调制功能，采用直接光源调制的方式进行方波调制，方波调制的占空比根据需要自行设置；
b.利用可调节光衰减器，通过方波调制的方式进行光源强度的调制，方波调制的占空比根据需要自行设置；
c.利用1×N光开关进行有光输入和无光输入的调节，有光和无光的持续时间根据需要自行设置。
进一步地，步骤S3是将所去除的无光偏置的电压信号先行求和，再将其中包含的交流项以方差为零的方式进行数字动态调平衡。
进一步地，步骤S5中的温度自补偿过程的操作方式是将步骤S4中表征瞬时温度的相移进行实时消除。
本发明的目的还可这样实现：
一种基于偏振型光纤电流传感器的同时检测瞬时温度和工频电流的系统，包括用于消除无光偏置电压信号和数字动态调平衡的控制单元以及用于检测工频电流的传感单元；所述控制单元包括：
SLD光源，与可调节光衰减器相接，用于输出检测工频电流用的偏振光光源信号；
可调节光衰减器，分别与SLD光源和光纤环形器相接，用于通过方波调制的方式对偏振光光源信号进行光源强度的调制，以消除在工频电流检测过程中由光电探测器响应到的电压信号中包含的无光偏置的电压信号；
光纤环形器，分别与可调节光衰减器、第一光电探测器和电流传感头相接，用于降低反射光对输出光源的波长和频谱特性的影响；
第一光电探测器，为偏振型光纤电流传感器，与光纤环形器相接，用于将其中一路反射光信号转换为电压信号；以及
第二光电探测器，为偏振型光纤电流传感器，与传感单元中的双光纤准直器的输入端相接，用于将另一路反射光信号转换为电压信号。
进一步地，对于SLD光源与可调节光衰减器的连接，如果SLD光源的光源尾纤为保偏光纤，就与尾纤同样为保偏光纤的可调节光衰减器以0°熔接角进行熔接，以获得高偏振度的光信号；如果SLD光源的光源尾纤为单模，则是先熔接消偏器后，再与尾纤同样为单模光纤的可调节光衰减器进行熔接，以获得低偏振度的输出光信号。
进一步地，所述光纤环形器有三个端口，如果信号从端口A输入，则端口B作为输出端；如果信号从端口B输入，则端口C作为输出端；对于尾纤为保偏光纤的电流传感头，采用三个端口的尾纤均为保偏光纤的光纤环形器，将其端口B的尾纤与电流传感头的尾纤以0°熔接角进行熔接，以保证偏振态不变，并通过端口C与第二光电探测器相接；对于尾纤为单模光纤的电流传感头，采用三个端口的尾纤均为单模光纤的光纤环形器，将其端口B与电流传感头的尾纤直接进行熔接，端口C与第二光电探测器相接。
进一步地，所述传感单元为偏振型光纤电流传感器，包括电流传感头、法拉第旋转反射镜和传感光纤；所述传感光纤环绕在供工频电流通过的电流导体上，其一端与电流传感头的输出端相接，另一端连接在法拉第旋转反射镜的输入/输出端上；所述电流传感头包括：
双光纤准直器，分别与光纤环行器和第二光电探测器相接，用于对正向传输的入射检测光进行准直和扩束，对反向传输的反射光进行聚焦或耦合；
沃拉斯顿棱镜，设置在双光纤准直器的输出光路上，其有一路光路输出连接在双光纤准直器的反馈输入端；所述沃拉斯顿棱镜对于正向传输的入射检测光起到起偏的作用；对于反向传输的反射光，将其分离成正交的两束偏振光，其中一束偏振光通过双光纤准直器传输给光纤环形器，另一束偏振光通过双光纤准直器传输给第二光电探测器；
法拉第旋转器，具有22.5°的光路旋转角，设置在沃拉斯顿棱镜的正向输出光路上，用于使反射光与沃拉斯顿棱镜的主光路成45°夹角；以及
单光纤准直器，设置在法拉第旋转器之后的正向传输光路上，前端通过空间光与法拉第旋转器准直，后端与保圆光纤耦合准直，用于对正向传输的入射检测光进行准直和扩束，对反向传输的反射光进行聚焦或耦合。
本发明检测方法和检测系统的工作原理是：
在理想情况下即各光学器件都是完美器件，两个光电探测器探测到的光强信号分别为：
其中，
和
分别是
的两正交电场矢量，
是
分别是
和
的共轭转置矩阵。
由两光电探测器的光强信号可以解调出法拉第相移为：
其中，Veff为保圆光纤有效维尔德常数，N为保圆光纤缠绕匝数。
在实际的应用过程中，器件总会存在工艺缺陷，也不会找到两个完全一样的光电探测器。这些参数的不同都会使公式(3)不再成立，变得复杂。下面将详细介绍在这些参数不可避免的情况下如何消除其对传感器精度的影响。
P0表示光源的输出光强值，光路系统的传输损耗分别表示为a1和a2，两个光电探测器的光电转换增益分别表示为G1和G2。两光电探测器探测到的电压信号分别表示为：
V10＝P1a1G1 (4)
V20＝P2a2G2 (5)
两个光电探测器的无光偏置电压的温度特性分别用ΔV1(T1)和ΔV2(T2)表示，考虑光纤电流传感器中法拉第旋转器和法拉第旋转反射镜的存在，其偏差是与温度相关的，记为θ2(T2)，当存在工频电流I时，两路光电探测器获得的电压信号分别为：
V1＝ΔV1(T1)+V10{1-sin[K(T2)I+4θ0(T2)]} (6)
V2＝ΔV2(T1)+V20{1+sin[K(T2)I+4θ0(T2)]} (7)
其中：θ2(T2)是温度引起的偏置角，T1为光电探测器周围环境温度，T2为传感光纤周围环境温度；K(T2)为法拉第旋转角与待测电流变比系数的温度函数曲线：K(T2)＝4V(T2)N。
保圆光纤维尔德常数的温度依赖性是使K(T2)呈现温度函数关系的主要原因，同时，K(T2)与光纤缠绕匝数成正比，那么，4V(T2)NI＝K(T2)I就表示由电流引起的法拉第相移。
为了消除无光偏置对温度的依赖性及其对光纤电流传感器精度的影响，引入光源调制或者可调节光衰减器或1×N光开关进行调制，这里以一个可调节光衰减器(MEMS VOA)为例来调制光强，实时消除光电探测器的无光偏置，这样便消除了无光偏置对测量的影响。对MEMS VOA进行方波调制，假设方波高电平时MEMS VOA的衰减系数为β1，低电平时MEMSVOA的衰减系数为β2。其中一路光经过传输后，V10m＝P0a1β1G1/2，V20m＝P0a2β2G2/2，实际接收到的高低电平信号差为：
进行调平衡，借助方差定义对其求和(即公式(11))，其中的交流项最小并接近于0，即可得到平衡系数R12。这样可以消除平衡系数R12对温度的依赖性，并且可以实时的调平衡：
提取交流电电流I＝0的信号，由公式(8)和(9)可以得到两路光电探测器的电压信号为：
ΔV1M0＝ΔV10{1+sin[4θ0(T2)]} (13)
ΔV2M0＝ΔV20{1-sin[4θ0(T2)]} (14)
令ΔV2M0gR12-ΔV1M0，可得：
令ΔV2M0gR12+ΔV1M0，可得：
2V10＝R12ΔV2M0+ΔV1M0 (16)
将公式(16)代入式(11)可得：
通过高精度温度传感器预先标定可以获得法拉第旋转器和法拉第旋转反射镜偏离随温度变化曲线θ0(T2)，这样就可以计算出当前温度，并对维尔德常数进行修订，即修订K(T2)。
提取交流电电流I≠0的信号，调平衡后由公式(8)和(9)可得：
ΔV1M-R12ΔV2M＝(R12ΔV20+ΔV10)sin[K(T2)I+4Δθ(T2)] (18)
ΔV1M+R12ΔV2M＝ΔV10+R12ΔV20 (19)
将公式(19)带入上式可得电流有效值为：
这样通过偏振型光纤电流传感器既可以测量得到瞬时温度，用于工频电流检测温度误差补偿，又可以同时测量出待测的工频电流。
本发明通过光源调制、可调节光衰减器或者1×N光开关消除光电探测器的无光偏置；通过两光电探测器信号和方差为零进行数字动态调平衡；通过测量工频电流提取电流为零时的信号进行瞬时温度的检测，用于工频电流温度误差的补偿；通过测量工频电流非零的信号和温度自补偿过程进行当前工频电流的检测。本发明利用法拉第旋转器和法拉第旋转反射镜的温度依赖关系解调出瞬时温度，同时利用解调出的温度对光纤电流传感器进行温度补偿，解调出工频电流，由此提高了光纤电流传感器在检测被测电流时的检测精度和准确度。利用偏振型光纤电流传感器的这种温度自补偿的方法，解决了现有光纤电流传感器需要额外引入温度元件进行温度补偿的方式，提高了光纤电流传感器在检测被测电流时的检测精度和准确度。
附图说明
图1是实施例1的系统框图。
图2是实施例2的系统框图。
图3是光纤环行器的结构示意图。
图4是轴角度为0°时的近似解与真实解的相对误差对比。
图5是轴角度为22.5°时的近似解与真实解相对误差对比。
图6a是偏振型光纤电流传感器的全温温度测量结果；图6b是图6a中的-40℃～0℃范围的局部放大图。
图7a～图7d是30A、120A、600A、720A四种不同电流情况下的测量结果图。
图8a是不通电流下比差测量结果图；图8b是标定电流下长期稳定性的测量结果图。
图9是偏振型光纤电流传感器的全温比差测试图。
图中：1、SLD光源，2、可调节光衰减器，3、光纤环形器，4、双光纤准直器，5、沃拉斯顿棱镜，6、法拉第旋转器，7、单光纤准直器，8、法拉第旋转反射镜，9、传感光纤，10、第一光电探测器，11、第二光电探测器，12、控制单元，13、传感单元，14、电流传感头，15、电流导体，16、第一消偏器，17、第二消偏器，18、第三消偏器。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本发明检测系统包括控制单元12和传感单元13两大组成部分。其中，控制单元12包括SLD光源1、可调节光衰减器2、光纤环形器3、第一光电探测器10和第二光电探测器11等部分。传感单元13包括电流传感头14、法拉第旋转反射镜8和传感光纤9；传感光纤9环绕在供工频电流通过的电流导体15上，其一端与电流传感头14的输出端相接，另一端连接在法拉第旋转反射镜8的输入/输出端上。法拉第旋转反射镜8用于降低传感光纤内的线双折射，实现线双折射自补偿功能。
在控制单元12中，SLD光源1与可调节光衰减器2相接，用于输出检测工频电流用的偏振光光源信号。可调节光衰减器2分别与SLD光源1和光纤环形器3相接，用于通过方波调制的方式对偏振光光源信号进行光源强度的调制，以消除在工频电流检测过程中由两个光电探测器(10、11)响应到的电压信号中所包含的无光偏置的电压信号。光纤环形器3分别与可调节光衰减器2、第一光电探测器10和电流传感头14相接，用于降低反射光对输出光源的波长和频谱特性的影响。与光纤环形器3相接的第一光电探测器10用于将由电流传感头14输出并通过光纤环形器3的一路反射光信号转换为电压信号。第二光电探测器11与电流传感头14中的双光纤准直器4相接，用于将由电流传感头14输出的另一路反射光信号转换为电压信号。
在本实施例中，SLD光源1的光源尾纤为保偏光纤，可调节光衰减器2的尾纤同样为保偏光纤，二者以0°熔接角进行熔接，以获得高偏振度的光信号。
如图3所示，光纤环形器3有三个端口，分别为端口A、端口B和端口C。如果信号从端口A输入，则端口B作为输出端；如果信号从端口B输入，则端口C作为输出端。本实施例中的电流传感头14的尾纤为保偏光纤，因此采用三个端口的尾纤均为保偏光纤的光纤环形器3，将其输出端的尾纤与电流传感头14的尾纤以0°熔接角进行熔接，并通过端口C与第二光电探测器11相接。
如图1所示，本发明中的传感单元13包括电流传感头14、法拉第旋转反射镜8和传感光纤9。在电流传感头14内的光路均为空间光。电流传感头14包括双光纤准直器4沃拉斯顿棱镜5法拉第旋转器6和单光纤准直器7等部分。其中，双光纤准直器4分别与光纤环行器3和第二光电探测器11相接，其前端通过空间光与法拉第旋转器6准直，后端与保圆光纤耦合准直。双光纤准直器4用于对正向传输的入射检测光进行准直和扩束，对反向传输的反射光束可聚焦为一定尺寸大小的光斑，从而让光束更方便地通过特定的光学元件，或者更高效地进行耦合。沃拉斯顿棱镜5设置在双光纤准直器4的输出光路上，对于正向传输的入射检测光具有起偏的作用。沃拉斯顿棱镜5还有一路输出光路连接在双光纤准直器4的反馈输入端。本实施例中的电流传感头14的尾纤为保偏光纤，则保偏光纤的快轴与沃拉斯顿棱镜5的两光轴对齐，将反向传输的反射光分离成正交的两束偏振光，其中一束偏振光通过双光纤准直器4传输给光纤环形器3；另一束偏振光通过双光纤准直器4传输给第二光电探测器11。法拉第旋转器6具有22.5°的光路旋转角，设置在沃拉斯顿棱镜5的正向输出光路上，用于使反射光与沃拉斯顿棱镜的主光路成45°夹角。单光纤准直器7设置在法拉第旋转器6之后的正向传输光路上，用于对正向传输的入射检测光进行准直和扩束，对反向传输的反射光进行聚焦或耦合。
实施例2：
如图2所示，本实施例的整体结构与实施例1的基本相同，区别点有以下四个方面：一是SLD光源1的光源尾纤为单模光纤，需要先熔接第一消偏器16后，再与尾纤同样为单模光纤的可调节光衰减器2进行熔接，以获得低偏振度的输出光信号。二是电流传感头14与可调节光衰减器2的尾纤均为单模光纤，二者可直接进行熔接。三是光纤环形器3的端口C通过第二消偏器17与第一光电探测器(PD1)10相接。四是双光纤准直器4的一路端口通过第三消偏器18与第二光电探测器(PD2)11相接。各消偏器的作用是降低光源偏振度，且其尾纤均为单模光纤，可直接与相邻器件进行熔接。
本实施例的电流检测工作方式以及提高检测精度的作用机理与实施例1相同。
实施例3：
本发明检测方法包括以下步骤：
S1、获取工频电流测量中由光电探测器响应到的电压信号；
S2、通过光源调制、可调节光衰减器或1×N光开关，消除所获电压信号中所包含的无光偏置的电压信号；
S3、对所去除的无光偏置的电压信号求和，再将其中包含的交流项以方差为零的方式进行数字动态调平衡，以获得平衡系数；
S4、提取无光偏置的电压信号中只包含工频电流为零时刻的电压信号，利用平衡系数获得表征瞬时温度的相移，进行瞬时温度的解调，获得瞬时温度值；
S5、通过温度自补偿过程，获得表征当前工频电流的相移，进行当前工频电流的解调，获得工频电流值；其中的温度自补偿过程就是将步骤S4中表征瞬时温度的相移进行实时消除。
步骤S2既可以采用直接光源调制的方法，采用方波调制方式对光源输出进行调制，方波调制占空比根据需要自行设置；也可以采用可调节光衰减器(MEMS VOA)进行光源强度调制，方波调制占空比根据需要自行设置；还可以采用1×N光开关进行有光和无光输入的调节，有光和无光的持续时间根据需要自行设置。
下面以琼斯矩阵构建偏振型光纤电流传感器数值解析模型。
首先，定义入射光琼斯矢量是Ein，在不考虑任何缺陷的情况下，归一化输入光光强，即Ex＝Ey＝1。而光路系统中主要光学器件的琼斯矩阵可表示为：
其中，θ是残余线双折射与经法拉第旋转器后的偏振主轴夹角。参量ζ、
和χ均为与残余线双折射相位延迟δ0，圆双折射相位延迟
相关的量：
ζ＝cosΔ (29)
光传播路径总的输出为：
式中，JP为渥拉斯顿棱镜其中一轴的琼斯矩阵，J22.5o为法拉第旋转器的琼斯矩阵，JFin和JFout分别为法拉第效应下光波向前和向后通过光纤时的琼斯矩阵。Jcoilin和Jcoilout分别为保圆光纤传输矩阵，JFmirror是反射镜的琼斯矩阵。
两光电探测器探测到的光强信号分别为：
式中，
和
分别是
的两正交电场矢量，
和
分别是
和
的共轭转置矩阵。
由两光电探测器的光强信号可以解调出法拉第相移为：
其中：
下面通过理论分析两种情况来分析并证明解调温度的可行性：
1)电流为0时，最坏情况下近似求解22.5°旋转器和法拉第旋转反射镜偏离度的准确性。
A＝0
B＝4β2(α2-γ2)sin 4θsin2[Δθ90]
C＝2β2(1-2β2sin2[Δθ90])sin(2Δθ22.5)
D＝(1-2β2)sin[2Δθ90+2Δθ22.5]
2)电流为0时，最好情况下近似求解22.5°旋转器和法拉第旋转反射镜偏离度的准确性。
A＝8αβ2γcos4θsin2[Δθ90]
B＝0
C＝2β2(1-2β2sin2[Δθ90])sin(2Δθ22.5)
D＝(1-2β2)sin[2Δθ90+2Δθ22.5]
值得注意的是，这里采用的保圆光纤中圆双折射要远大于其残余线双折射。因此，上述参数A和B均是一个非常小的量以至于可以忽略，D中的参数β非常小，也可以忽略。因此有：
下面通过真实解与近似解的相对误差来证明本发明检测方法的准确性。
如图4所示，在最好的情况下，近似解与真实解的相对误差不超过0.63％。如图5所示，即便是在最坏的情况下，近似解与真实解的相对误差也不超过0.65％。
首先，在未加载电流时，进行温度标定。偏振型光纤电流传感器放置于温箱内，温箱温度设置范围为-40℃～70℃，温度间隔10℃，每个设置温度点持续时间30分钟。其中标准温度由精度为0.1℃的PT100探头测得，进行测试。测量结果如下图6所示。图6a为全温范围内测试结果；图6b为-40℃～0℃范围内的局部放大图。
具体的数据如表1所示。从表1的数据可以看出，在-10℃～70℃范围内，温度偏差为±0.5℃；-40℃～-10℃范围内，温度偏差为±2℃。相对于交流变电站的应用场景，-10℃～70℃完全满足需求。
表1：-40℃～70℃范围温度测量对照表
下面讨论在常温环境下，进行电流的测量。
设定标准电流为600A，并分别测试5％，20％，100％，120％倍标准电流下30A、120A、600A、720A四种不同电流的结果，如图7(a)-(d)所示。从图中可以看出偏振型光纤电流传感器可以用于测量电流，并能得到与标准电流相吻合的结果。
如前文所述，电流传感器最重要的性能参数之一是比差。依据国家标准0.5级测量用电子式电流互感器精度等级要求，5％，20％，100％，120％倍标准电流下的比差(相对误差)需分别小与1.5％，0.75％，0.5％，0.5％。相应电流的比差测试结果如图8a所示，测试结果完全符合国家标准规定的0.5级测量用电子式电流互感器要求的0.5％的误差极限。为了验证偏振型光纤电流传感器的长期测量稳定性，我们进行了一次长时间测量，其比差测量结果小于0.1％(如图8b所示)。
为了进一步验证偏振型光纤电流传感器的性能，进行了偏振型光纤电流传感器全温测试，温度设置范围0～70℃，温度间隔10℃，每一个设置温度下持续30分钟。图9所给出的数据包括一个降温过程和一个升温过程。起点和末端均包括一段快速变温过程，即从常温快速提升到70℃和从70℃快速降到常温。其结果显示，在全温测试过程中仍能保证偏振型光纤电流传感器电流测量精度小于±0.5％，符合国标要求的0.5级计量用电子式电流互感器测试要求。
本发明利用法拉第旋转器和法拉第旋转反射镜的温度依赖关系解调出温度，同时利用解调出的温度对光纤电流传感器进行温度补偿，从而解调出工频电流，由此提高了光纤电流传感器在检测被测电流时的检测精度和准确度。
本发明同时检测工频电流和温度的系统可采用完全硬件、完全软件或结合软件和硬件方面的实施方式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
Claims (8)
1.一种同时检测瞬时温度和工频电流的方法，其特征是，包括：
S1、获取工频电流测量中由光电探测器响应到的电压信号；
S2、通过光源调制、可调节光衰减器或1×N光开关，消除所获电压信号中所包含的无光偏置的电压信号；
S3、对所去除的无光偏置的电压信号求和，并进行数字动态调平衡，以获得平衡系数；
S4、提取无光偏置的电压信号中只包含工频电流为零时刻的电压信号，利用平衡系数获得表征瞬时温度的相移，进行瞬时温度的解调，获得瞬时温度值；
S5、通过温度自补偿过程，获得表征当前工频电流的相移，进行当前工频电流的解调，获得工频电流值。
2.根据权利要求1所述的同时检测瞬时温度和工频电流的方法，其特征是，步骤S2中的消除电压信号中包含的无光偏置的电压信号的方式为以下方式中的一种：
a. 利用SLD光源中的光强调制功能，采用直接光源调制的方式进行方波调制；
b. 利用可调节光衰减器，通过方波调制的方式进行光源强度的调制；
c. 利用1×N光开关进行有光输入和无光输入的调节。
3.根据权利要求1所述的同时检测瞬时温度和工频电流的方法，其特征是，步骤S3是将所去除的无光偏置的电压信号先行求和，再将其中包含的交流项以方差为零的方式进行数字动态调平衡。
4.根据权利要求1所述的同时检测瞬时温度和工频电流的方法，其特征是，步骤S5中的温度自补偿过程的操作方式是将步骤S4中表征瞬时温度的相移进行实时消除。
5.一种同时检测瞬时温度和工频电流的系统，其特征是，包括用于消除无光偏置电压信号以及数字动态调平衡的控制单元以及用于检测工频电流的传感单元；所述控制单元包括：
SLD光源，与可调节光衰减器相接，用于输出检测工频电流用的偏振光光源信号；
可调节光衰减器，分别与SLD光源和光纤环形器相接，用于通过方波调制的方式对偏振光光源信号进行光源强度的调制，以消除在工频电流检测过程中由光电探测器响应到的电压信号中包含的无光偏置的电压信号；
光纤环形器，分别与可调节光衰减器、第一光电探测器和电流传感头相接，用于降低反射光对输出光源的波长和频谱特性的影响；
第一光电探测器，与光纤环形器相接，用于将其中一路反射光信号转换为电压信号；以及
第二光电探测器，与电流传感头中的双光纤准直器的输入端相接，用于将另一路反射光信号转换为电压信号。
6.根据权利要求5所述的同时检测瞬时温度和工频电流的系统，其特征是，对于SLD光源与可调节光衰减器的连接，如果SLD光源的光源尾纤为保偏光纤，就与尾纤同样为保偏光纤的可调节光衰减器以0°熔接角进行熔接，以获得高偏振度的光信号；如果SLD光源的光源尾纤为单模，则是先熔接消偏器后，再与尾纤同样为单模光纤的可调节光衰减器进行熔接，以获得低偏振度的输出光信号。
7.根据权利要求5所述的同时检测瞬时温度和工频电流的系统，其特征是，所述光纤环形器有三个端口，如果信号从端口A输入，则端口B作为输出端；如果信号从端口B输入，则端口C作为输出端；对于尾纤为保偏光纤的电流传感头，采用三个端口的尾纤均为保偏光纤的光纤环形器，将其端口B的尾纤与电流传感头的尾纤以0°熔接角进行熔接，并通过端口C与第二光电探测器相接；对于尾纤为单模光纤的电流传感头，采用三个端口的尾纤均为单模光纤的光纤环形器，将其端口B的尾纤与电流传感头的尾纤直接进行熔接，端口C与第二光电探测器相接。
8.根据权利要求5所述的同时检测瞬时温度和工频电流的系统，其特征是，所述传感单元为偏振型光纤电流传感器，包括电流传感头、法拉第旋转反射镜和传感光纤；所述传感光纤环绕在供工频电流通过的电流导体上，其一端与电流传感头的输出端相接，另一端连接在法拉第旋转反射镜的输入/输出端上；所述电流传感头包括：
双光纤准直器，分别与光纤环行器和第二光电探测器相接，其有一路光路输出连接在双光纤准直器的反馈输入端；所述双光纤准直器用于对正向传输的入射检测光进行准直和扩束，对反向传输的反射光进行聚焦或耦合；
沃拉斯顿棱镜，设置在双光纤准直器的输出光路上，其有一路光路输出连接在双光纤准直器的反馈输入端；所述沃拉斯顿棱镜对于正向传输的入射检测光起到起偏的作用；对于反向传输的反射光，将其分离成正交的两束偏振光，其中一束偏振光通过双光纤准直器传输给光纤环形器，另一束偏振光通过双光纤准直器传输给第二光电探测器；
法拉第旋转器，具有22.5°的光路旋转角，设置在沃拉斯顿棱镜的正向输出光路上，用于使反射光与沃拉斯顿棱镜的主光路成45°夹角；以及
单光纤准直器，设置在法拉第旋转器之后的正向传输光路上，用于对正向传输的入射检测光进行准直和扩束，对反向传输的反射光进行聚焦或耦合。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210655266.4A CN115015628A (zh) | 2022-06-10 | 2022-06-10 | 同时检测瞬时温度和工频电流的方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210655266.4A CN115015628A (zh) | 2022-06-10 | 2022-06-10 | 同时检测瞬时温度和工频电流的方法及系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115015628A true CN115015628A (zh) | 2022-09-06 |
Family
ID=83074130
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210655266.4A Pending CN115015628A (zh) | 2022-06-10 | 2022-06-10 | 同时检测瞬时温度和工频电流的方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115015628A (zh) |
-
2022
- 2022-06-10 CN CN202210655266.4A patent/CN115015628A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2333498B1 (en) | Sagnac interferometer-type fiber-optic current sensor | |
| CN101074983B (zh) | 一种光纤磁光探头装置及其应用系统 | |
| CN109752581B (zh) | 偏振检偏式闭环全光纤电流互感器 | |
| US5731579A (en) | Electro-optical voltage sensor head | |
| WO2023001207A1 (zh) | 一种基于光频域干涉的光纤分布式偏振串音快速测量装置 | |
| US4773753A (en) | Fiber sensor | |
| US6836327B1 (en) | In-line optical polarimeter based on integration of free-space optical elements | |
| CN209764932U (zh) | 偏振检偏式闭环全光纤电流互感器 | |
| CN104280217B (zh) | 一种y波导双通道光学性能测量装置 | |
| US6362615B1 (en) | Electro-optic voltage sensor for sensing voltage in an E-field | |
| US5844409A (en) | Method and system for measuring an electric current with two light signals propagating in opposite directions, using the Faraday effect | |
| CN108106817B (zh) | 一种提高y波导器件偏振性能测量准确性的方法 | |
| CN111337052B (zh) | 一种y波导参数测量仪、测量系统及测量方法 | |
| CN109405859B (zh) | 基于波分复用的多路光纤电流传感器及其控制方法、系统 | |
| US8953169B2 (en) | Apolarized interferometric system, and apolarized interferometric measurement method | |
| US6154022A (en) | Optical measuring method and optical measuring device for measuring an alternating magnetic field having intensity normalization | |
| US20060164627A1 (en) | Polarization diversity detection without a polarizing beam splitter | |
| CN117607761A (zh) | 具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统及方法 | |
| US5239362A (en) | Fiber-optic rotation sensor | |
| CN115015628A (zh) | 同时检测瞬时温度和工频电流的方法及系统 | |
| Leilabady et al. | Combined interferometric-polarimetric fibre optic sensor capable of remote operation | |
| EP4105666A1 (en) | Polarization analyzer, measurement arrangement and detection method | |
| CN117405242A (zh) | 一种光频解调系统以及光频解调方法 | |
| CN116449078A (zh) | 谐振型光纤电流传感系统及工作方法 | |
| CN117405960A (zh) | 一种检测装置及检测方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |