CN1252479C - 反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器 - Google Patents

Abstract

一种反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，至少由光电单元和光纤电流感应单元连接构成；光电单元产生用于检测的光信号，光纤电流感应单元检测流过其光纤绕组缠绕的母线中的电流；本发明采用反射式萨格奈克干涉处理技术，克服了温度、振动、电磁干扰等各种环境因素的干扰，无须在高压区引入电源；本发明采用的感应光纤线圈可以采用超低双折射光纤或普通低双折射单模光纤，尤其可以采用圆偏振保持光纤，该圆偏振保持光纤可以改变传统光纤受环境因素影响大、线性双折射起伏大等缺陷，使性能得到改善；本发明采用光纤端面反射膜作为反射面，具有抗热胀冷缩以及震动的特点并且其结构易于安装，可降低制造成本。

Description

反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器

技术领域

本发明涉及一种光纤型电流互感器，特别是指一种采用反射式萨格奈克干涉处理技术，具有高测量精度，并可以克服各种环境因素干扰的全光纤型电流互感器；属于光电技术领域。

背景技术

互感器是输电线路中不可缺少的重要设备，其作用就是按一定的比例关系将输电线路上的高电压和大电流数值降到可以用仪表直接测量的标准数值，以便于用仪表直接进行测量。互感器除用作测量外，还可用作继电保护。每年我国生产的互感器的数量是十分巨大的。例如在1999年，据对全国33个重点互感器企业统计，生产互感器760,474台，实现工业总产值14.90亿元。其中110kV及以上电压等级的互感器约17,800台。据分析，在电压等级达到100kV及以上时，使用光电式互感器，具有经济价值。

传统的电流互感器的一次绕组串联在电力线路中，二次绕组外部回路接有测量仪器或继电保护及自动控制装置。它的结构和变压器相似，在它的铁芯上绕有一、二次绕组，靠一、二次绕组之间的电磁耦合，将测量传感信号从一次侧传到二次侧。在铁芯与绕组间，以及一、二次绕组之间有足够耐电强度的绝缘结构，用于保证所有的低压设备与高电压的隔离。随着电力系统传输的电力容量的增加，电压等级越来越高，传统的电流互感器的绝缘结构也越来越复杂，体积和重量越来越大，产品的造价也越来越高。例如，常规的油浸式电流互感器，500kV产品的价格要比300kV的价格增加一倍。

电磁型电流互感器的铁芯具有非线性，当电力系统发生短路时，高幅值的短路电流使这种互感器瞬间饱和，其输出的二次电流严重畸变，造成保护拒动，使电力系统发生严重事故。互感器的饱和引起波形畸变，而且其频带响应特性较差，频带窄，系统高频响应差，而使得新型的基于高频暂态分量的快速保护实现存在困难。

虽然电磁式互感器得到了比较充分的发展，其中铁芯式电流互感器以干式、油浸式和气体绝缘式多种结构适应了电力建设的发展需求。然而随着电力传输容量的不断增长，电网电压等级的不断提高及保护要求的不断完善，一般的铁芯式电流互感器结构已逐渐暴露出与之不相适应的弱点，其固有的体积大、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小，使用频带窄等弱点，难以满足新一代电力系统自动化、电力数字网等的发展需要。

随着光电子技术的迅速发展，许多科技发达国家已把目光转向利用光学传感技术和电子学方法来发展新型的电子式电流互感器，简称光电电流互感器。国际电工协会已发布电子式电流互感器的标准。电子式互感器的含义，除了包括光电式的互感器，还包括其它各种利用电子测试原理的电压、电流互感器。

光电互感器是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电力系统电压、电流测量的新型互感器。它是光学电压互感器(OVT)、光学电流互感器(OCT)、组合式光学互感器等各种光学互感器的通称。光电式电流互感器的种类很多，但可大致分为有源型和无源型两种。有源型系指在传感头部分具有需用电源的电子电路；无源型则在传感头部分不需电源。两者的结构各异，但他们和电磁式的传统电流互感器比较起来，均具有类似的种种优点。

采用激光供能的有源式的光电式电流互感器的高电位侧的传感头中，全部采用的是电子器件。在高电位侧用空心线圈(Rogowski线圈)将母线电流变成电压信号，该电压信号为模拟量，经过A/D转换成数字信号，用电光转换(LED)电路将此数字信号变为光信号，然后通过绝缘的光纤将光信号送到低电位侧。在低电位侧，由光电转换器件(PIN)将光信号转换为数字电信号，供继电保护与电能计量之用。在需要模拟量的场合，可用数模转换(D/A)电路将数字量转换为模拟量。这种光电式电流互感器采用激光光源将光能从低电位侧通过光纤送到高电位侧，再由光电转换器件将光能转换成为电能，经过电源稳定电路后，给各电子电路供电。这种方式的优点是输出电源比较稳定，而且也不易受到外界杂散光源的影响，是一种高科技的技术。这种光电式电流互感器采用了近年发展起来的电子、光通讯、激光和计算机技术，具有较强的生命力和较高的技术含量。

与传统电磁感应式电流互感器相比，光电式电流互感器具有如下一系列优点：

1、光电电流互感器(OCT)所用材料为玻璃、光纤等绝缘材料来传输信息，所以绝缘结构简单，其造价一般随电压等级升高呈线性增加；

2、光电电流互感器不含铁芯，消除了磁饱和和铁磁谐振等问题；

3、电磁感应式电流互感器二次回路不能开路，低压边存在开路危险。由于光电电流互感器的高压边与低压边之间只存在光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，可保证高压回路与二次回路在电气上完全隔离，低压边无开路高压危险，可以免除电磁干扰；

4、动态范围大，测量精度高；电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增加，短路电流越来越大。电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，同时满足高精度计量和继电保护的需要。OCT有很宽的动态范围，额定电流可测到几十安培几千安培，过电流范围可达几万安培；一个OCT可同时满足计量和继电保护的需要，可免除多个CT的冗余需求；

5、频率响应范围宽，传感头部分的频率响应取决于光纤在传感头上的渡越时间，实际能测量的频率范围主要决定于电子线路部分。光电式电流互感器已被证明可以测出高压电力线上的谐波，还可进行电网电流暂态、高频大电流与直流的测量。而电磁感应式电流互感器是难以进行这方面的工作的；

6、没有因存油而产生的易燃、易爆炸等危险；电磁感应式电流互感器一般采用存油的办法来解决绝缘问题，这样不可避免地存在易燃、易爆炸等危险；而光电式电流互感器绝缘结构简单，可以不采用油绝缘，在结构上可避免这方面的危险。

7、体积小、重量轻、节约空间；光电式电流互感器传感头本身的重量一般小于1千克。据美国西屋公司公布的345kV的MOCT，其高度为2.7米，重量为109千克。而同电压等级的油浸式电流互感器高为5.3m，重量2300千克，这给运输和安装带来了很大的方便。

8、适应了电力计量和保护数字化、智能化和自动化发展的潮流；随着计算机和数字技术的发展，电力计量与继电保护已日益实现自动化、智能化。电磁感应式电流互感器的5A或1A输出规范必须采用光转换技术才能与计算机接口，而光电式电流互感器本身就是利用光电技术的数字化设备，可直接输出给计算机，避免了中间环节。

综上所述，虽然目前光电式电流互感器也存在加工要求高、电源问题不好解决，传感头对温度和振动比较敏感等问题需要克服，但光电式电流互感器有着传统电磁式电流互感器无法比拟的优点，它结构简单、灵敏度高，是一种传统电磁式电流互感器的理想替代产品，必将在未来的电力工业中得到广泛的应用。因此，主要发达国家竞相投资研制，光电电流互感器已成为电流互感器的研究热点。

光电互感器的信号和传输形式都可以采用光缆(光纤)实现，而光信号的突出优点和光纤通信技术的广泛采用使得变电站内部以及和上级站之间的数据传输更加可靠和迅速。光电互感器与光纤通讯技术和微机相结合组成光纤局域网应用于电力系统是变电站自动化的一个重要的发展方向。开创了未来光纤化变电站的美好前景。

在世界范围内对光电式电流互感器的应用研究，从60年代兴起，70年代形成高潮，但当时仍处于精度低、温度影响没有较好解决的阶段。进入80年代以来，光电子技术、PC微机、单片机及数字处理器技术的兴起与成熟，为研制出高性能的光电式电流互感器奠定了基础。

到2000年为止，ABB公司已经研制出可用于69kV到765kV电压等级的光电电流互感器，测量电流范围为5～2000A，准确度达到±0.2％。同时，他们研制了用于GI S中的复合电子式电压、电流互感器，电流测量范围为5A～2000A，电压测量范围为69～500kV，准确度都达到±0.2％，电压测量是直接使用电容环测量，不用分压器。

法国的Alstom公司利用Faraday效应研制了一套电子式电流互感器，在-30～50℃的范围内准确度达到±0.2％。2000年，他们研制的362kV电子式电流互感器已经开始向LCRA和CI NERGY等美国公司供货。

目前国内外许多科研机构和大专院校的研究人员正致力于光电互感器等新型互感器的研究。从事这方面的主要研究单位有清华大学、华中科技大学、上海大学、西安同维公司等。其中，Rogowski空心线圈结合现代集成电子技术作为电力电流互感器，以其突出优点，得到了广大研究人员的青睐。与广州伟钰光电科技有限公司合作的华中科技大学早在70年代就开始着手在空心线圈互感器方面的研究工作，通过对其在高压大电流、脉冲大电流、焊接电流等方面的应用作了大量分析测试，积累了丰富的经验。

最近国际电工协会已发布电子式电压互感器的标准，以及电子式电流互感器(传感器)的标准。电子式互感器的含义，主要包括光电式互感器，还包括其它各种利用电子测试原理的电压、电流互感器。这充分说明，在电力系统中使用光电式互感器的时机已经到来。

但是，现有的光电互感器，无论是有源型还是无源型均存在明显不足。这种互感器是通过空心线圈(Rogowski线圈)感应电流，再用光电子技术和光纤技术将电流从高压区传输到终端设备。由于该线圈感应到的电流输出为电压量，因此后端需要积分电路将电压转换为电流。作为这种互感器最理想的形式应该是无源型，这样可以大大降低高压区对绝缘的要求，互感器就会具有很多优点，如体积小、重量轻、可靠性高、安全、等等。但Rogowski线圈的输出电压非常低，通常在几毫伏到几百毫伏之间，无法直接驱动现有的光电器件，在实际上无法实现直接通过光电技术将线圈的输出连接到终端设备。而有源型光电互感器在高压区引入电源和地，为处理电路(包括电子电路、光电电路等)供电，目的是将线圈的输出电压放大到能够进行电光转换的幅度。由于在高压区引入了电源和地，就使得整个装置非常复杂，要花费很大代价做好高压绝缘，这将影响光电互感器所应该具有的体积、重量、安全、可靠、电磁兼容等方面的优势。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，采用反射式萨格奈克干涉处理技术，克服温度、振动、电磁干扰等各种环境因素的干扰，无须在高压区引入电源；感应光纤动态范围大、线性度好、自身具有绝缘特性，并可以提高测量精度，降低互感器的体积和重量。

本发明的另一目的在于提供一种反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，其反射膜、传感光纤以及1/4波片均能保持良好的抗环境因素影响、结构上容易实现的优点。

本发明的目的是这样实现的：

一种反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，由光电单元和光纤电流感应单元连接构成；其中，光电单元用于产生用于检测的光信号，光纤电流感应单元利用该光信号检测流过其光纤绕组缠绕的母线中的电流，并返回该光电单元将检测光信号输出。

上述的光电单元至少由光源、单模光纤耦合器、保偏光纤消偏器、光纤偏振器、光相位调制器、振荡源、保偏光纤延迟线以及光电检测器连接构成；光源输出的光信号经过单模光纤耦合器正向传输给保偏光纤消偏器；离开保偏光纤消偏器的光信号进入光纤偏振器；光纤偏振器将该光信号等分为两个正交的线偏振光分别送给光相位调制器；该光相位调制器根据来自振荡源的调制信号对两个正交的线偏振光进行同步调制，然后经过保偏光纤延迟线输出给光纤电流感应单元；从光纤电流感应单元返回的光信号到达光纤偏振器产生萨格奈克干涉，该干涉光经过单模光纤耦合器反向传输给光电检测器；光电检测器将检测信号输出。

所述的振荡源产生的调制信号的振荡频率遵守如下的计算公式为：f＝1/4τ，其中，τ为保偏光纤延迟线的延迟时间。

上述的光电单元还进一步设有由数字解调器、反馈控制电路和光相位调制器组成的闭环光相位调制电路，用于提高电流互感器信噪比和稳定性；其中，光电检测器连接数字解调器，用于经过该数字解调器输出检测结果，同时通过反馈控制电路将反馈控制信号传送给光相位调制器。

所述的数字解调器将光电检测信号解调后得到的信号电压满足如下的公式：V_dm≈J₁(_m)(4VNI)，其中，V_dm为信号电压，J₁为一阶贝塞尔函数，V为光纤的费尔德常数，N为感应光纤线圈的匝数，I为高压电流母线中的电流。

当被测量的为交流信号时，数字解调器连接用于交流检测时滤除高频干扰的滤波器，且该滤波器为通频带为1Hz-10kHz的带通滤波器；而当被测量的为直流信号时，所述的数字解调器连接用于直流检测的滤波器，且该滤波器为通频带为0-10kHz的低通滤波器。

光纤电流感应单元设在电流互感器的高压区，由宽带光纤波片、感应光纤线圈和感应光纤线圈端面镀反射膜组成；其中，宽带光纤波片用于将来自保偏光纤延迟线的线偏振光转换为两个圆偏振光，该两个圆偏振光经过感应光纤线圈到达端面的反射膜，该反射膜将该两个圆偏振光信号全反射，并沿着感应光纤线圈反向传播。

本发明采用反射式萨格奈克干涉处理技术，克服了温度、振动、电磁干扰等各种环境因素的干扰，无须在高压区引入电源；本发明采用的感应光纤动态范围大、线性度好、自身具有绝缘特性，并可以提高测量精度，降低互感器的体积和重量。本发明采用光纤端面反射膜作为反射面，该反射膜通过将光纤端面进行研磨后再镀上反射膜，相比于传统的光纤端面研磨后与反射镜粘接所构成的反射体，本发明的反射膜具有抗热胀冷缩以及震动的特点并且其结构易于安装，可降低制造成本。本发明的感应光纤线圈可以采用超低双折射光纤或普通低双折射单模光纤，尤其可以采用圆偏振保持光纤，该圆偏振保持光纤可以改变传统光纤受环境因素影响大、线性双折射起伏大等缺陷，使性能得到改善。

附图说明

图1为本发明的一具体实施例的构成原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明：

参见图1，本发明的反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器包括光电部分和高压传感部分，其中，光电部分是本发明的技术核心。光源1(可以采用SLD[超辐射发光二极管]，其特点是噪声小、光强高、温度稳定性好)的输出光信号经过50:50单模光纤耦合器2正向传输给保偏光纤消偏器3，保偏光纤消偏器3的作用是消除来自光源1的光信号的固有偏振性，使光信号在所有偏振方向都呈现均匀、等幅的性质；然后，光信号进入光纤偏振器4，光纤偏振器4将光信号等分为两个正交的线偏振光信号，并分别沿光纤的x轴和y轴送给光相位调制器7；上述的保偏光纤消偏器3可以集成设置在光纤偏振器4之中。光相位调制器7利用光纤的双折射特性对两个正交的线偏振光进行同步调制，调制信号来自振荡源6，该振荡源6的振荡频率为：f＝1/4τ，其中的τ为保偏光纤延迟线8的时间延迟。本发明的光相位调制器7采用集成光学调制器。由于所述的光相位调制器7中存在寄生的交叉偏振耦合，因此在光纤偏振器4和光相位调制器7之间可以设置一段保偏光纤作为消偏头5，用于抑制交叉偏振耦合。消偏头5可以加工在光相位调制器7的内部作为引出的尾纤。调制后的光信号经过保偏光纤延迟线8送给光纤电流感应部分。

光纤电流感应部分位于电流互感器的高压区，由1/4波片9、感应光纤线圈10、感应光纤线圈端面镀反射膜11组成。其中的1/4波片9采用光纤波片制成，其特点是：光纤波片比其他种类的波片带宽要宽，偏振态转换的质量高能较好抑制由线偏振转换为圆偏振过程中造成的椭圆度，使变换后的光信号接近理想圆偏振，进而降低电流互感器测量误差；由于采用了光纤旋扭技术，该光纤波片比其它波片更具有抗温度、振动影响的性能，能提高电流互感器的稳定性。而且波片是光纤器件，与前后光纤的连接更容易，适合产业化。

感应光纤线圈10为超低双折射光纤或普通低双折射单模光纤，围绕高压电流母线12缠绕若干圈。1/4波片9将来自保偏光纤延迟线8的线偏振光转换为圆偏振光，即x轴的线偏振光转换为右旋圆偏振光、y轴的线偏振光转换为左旋圆偏振光。两个圆偏振光经过感应光纤线圈10到达端面的反射膜11，信号被全反射，并沿着感应光纤线圈10反向传播，左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光、右旋圆偏振光变为左旋圆偏振光。1/4波片9将反向传播的圆偏振光转换为线偏振光，即右旋圆偏振光转换为x轴线偏振光、左旋圆偏振光转换为y轴线偏振光。在此期间，高压电流母线12中的电流通过法拉第效应使两个偏振态的光信号产生一个相位差，且该相位差满足下列公式：

     Δφ＝4VNI      其中，

V为光纤的费尔德常数，N为感应光纤线圈10的匝数，I为高压电流母线12中的电流。

当反向传输的光信号到达光纤偏振器4时，在该光纤偏振器4内部设置的45°偏置接口产生萨格奈克干涉，干涉光经过50∶50单模光纤耦合器2反向传输给光电检测器13，光电检测器13将检测的光强转换为电信号为：

其中，

I_d为检测光强，I_s为光源给出的光强，k为整个光路的损耗，(t)＝_mcos(ω_mt)为光相位调制器的调制信号，V为光纤的费尔德常数，N为感应光纤线圈的匝数。

数字解调器15、反馈控制电路14和光相位调制器7组成了闭环光相位调制电路，使电流互感器具有更好的信噪比和稳定性。

本发明既可应用于交流电流检测，也可应用于直流电流检测。当用于交流检测时，滤波器16采用带通滤波器，通频带从1Hz到10kHz，有效滤除了温度引起的低频干扰以及外界引入的高频干扰；当用于直流检测时，滤波器16为低通滤波器，通频带从直流到10kHz。处理器17对检测到的电流进行放大、校正，输出准确的电流测量值。本发明可根据电力系统终端计量和保护设备的需要同时给出模拟和数字两种输出形式。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1、一种反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，其特征在于：它至少由光电单元和光纤电流感应单元连接构成；其中，光电单元用于产生用于检测的光信号，光纤电流感应单元利用该光信号检测流过其光纤绕组缠绕的母线中的电流，并返回该光电单元将检测光信号输出；所述的光电单元至少由光源、单模光纤耦合器、保偏光纤消偏器、光纤偏振器、光相位调制器、振荡源、保偏光纤延迟线以及光电检测器连接构成；光源输出的光信号经过单模光纤耦合器正向传输给保偏光纤消偏器；离开保偏光纤消偏器的光信号进入光纤偏振器；光纤偏振器将该光信号等分为两个正交的线偏振光分别送给光相位调制器；该光相位调制器根据来自振荡源的调制信号对两个正交的线偏振光进行同步调制，然后经过保偏光纤延迟线输出给光纤电流感应单元；从光纤电流感应单元返回的光信号到达光纤偏振器产生萨格奈克干涉，该干涉光经过单模光纤耦合器反向传输给光电检测器；光电检测器将检测信号输出。

2、根据权利要求1所述的反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，其特征在于：所述的振荡源产生的调制信号的振荡频率遵守如下的计算公式：

f＝1/4τ

其中，τ为保偏光纤延迟线的延迟时间。

3、根据权利要求1所述的反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，其特征在于：所述的光纤偏振器和光相位调制器之间设有消偏头，该消偏头由保偏光纤构成，用于抑制交叉偏振耦合。

4、根据权利要求1所述的反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，其特征在于：所述的光电单元还进一步设有由数字解调器、反馈控制电路和光相位调制器组成的闭环光相位调制电路，用于提高电流互感器信噪比和稳定性；其中，光电检测器连接数字解调器，用于经过该数字解调器输出检测结果，同时通过反馈控制电路将反馈控制信号传送给光相位调制器。

5、根据权利要求1或4所述的反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，其特征在于：光电检测器依据如下的公式将检测的光强转换为电信号：

其中，

I_d为检测光强，I_s为光源给出的光强，k为整个光路的损耗，(t)＝_mcos(ω_mt)为光相位调制器的调制信号，V为光纤的费尔德常数，N为感应光纤线圈的匝数。

6、根据权利要求1或4所述的反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，其特征在于：所述的数字解调器将光电检测信号解调后得到的信号电压满足如下的公式：

V_dm≈J₁(_m)(4VNI)其中，

V_dm为信号电压，J₁为一阶贝塞尔函数，V为光纤的费尔德常数，N为感应光纤线圈的匝数，I为高压电流母线中的电流。

7、根据权利要求4所述的反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，其特征在于：所述的数字解调器进一步连接有用于交流检测时滤除高频干扰的滤波器，且该滤波器为通频带为1Hz-10kHz的带通滤波器。

8、根据权利要求4所述的反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，其特征在于：所述的数字解调器进一步连接有用于直流检测的滤波器，且该滤波器为通频带为0-10kHz的低通滤波器。

9、根据权利要求7或8所述的反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，其特征在于：所述的滤波器还进一步连接有对检测到的电流进行放大、校正，并输出准确的电流测量值的处理器。

10、根据权利要求1所述的反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，其特征在于：所述的光纤电流感应单元设在电流互感器的高压区，至少由λ/4波片，其中λ为光纤中传递的光信号的波长、感应光纤线圈和感应光纤线圈端面镀反射膜组成；其中，λ/4波片用于将来自保偏光纤延迟线的线偏振光转换为两个圆偏振光，该两个圆偏振光经过感应光纤线圈到达端面的反射膜，该反射膜将该两个圆偏振光信号全反射，并沿着感应光纤线圈反向传播。

11、根据权利要求10所述的反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，其特征在于：所述的λ/4波片为宽带光纤波片。

12、根据权利要求10所述的反射式萨格奈克干涉仪型全光纤电流互感器，其特征在于：所述的感应光纤线圈为超低双折射光纤或普通低双折射单模光纤或圆偏振保持光纤，该光纤围绕高压电流母线至少缠绕一匝。

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