CN1580789A - 一种光电直流电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种光电直流电流传感器，包括敏感元、起偏器、检偏器、转角棱镜及二个输入光自聚焦镜和输出光自聚焦镜，各部件共同构成电流传感头；该电流传感头通过光纤、光缆与光电处理单元相连，光电处理单元包括二个光源、二个光电检测器和放大器以及信号处理单元，光源受控于信号处理单元轮流发光，经过光缆传至电流传感头，被电流信号调制后，分成两路光，经光缆传输至二个光电检测器，将光信号转换变成电信号，再至放大器放大后进入信号处理单元，完成信号处理，输出数字信号至显示装置。本发明通过光路的对称巧妙设计，将被测直流从本底光强中解调，可克服光源的光强随环境温度的漂移，从而获得较高的测量准确度。

Description

一种光电直流电流传感器

技术领域

本发明涉及一种无源式直流电流传感器，它应用于直流输电系统中测量直流电流。

背景技术

直流输电(简称HVDC)具有输电距离远、调节性能好、过电压水平低、线路损耗小等交流输电不可比拟的优点。传统的直流电流测量方法是基于电磁感应原理，用零磁通或磁调制的方法，对绝缘要求高，结构复杂，设备体积大而笨重。易受电磁干扰，造价高。

目前西门子、ABB等国外公司用于直流测量的设备都是采用光学与传统方法混合使用的混合式光学测量方法。这种方法是采用传统的分流器(或空芯线圈)取直流电流信号(或谐波信号)，在高压侧将信号转变成光信号通过光纤传输至低压侧，再进行处理。这种方法要求给工作在高压侧的电光信号转换电路供电，由于高、低压侧之间没有电缆连接，高压侧无法直接从低压端获取电能，只能通过将低压侧的光能传输至高压侧转换成电能后，供给高压侧的信号转换电路，所以，高压侧电路的功耗要尽可能的低，以降低对光源的要求，提高光源的寿命和可靠性。由半导体材料的特性决定，较大功率的半导体激光器，其寿命一般仅在几年左右，远远不能满足电力系统测量传感器的寿命要求(一般要求为30年)，同时其成本非常昂贵。

采用无源式光学方法的直流电流传感器，不需要高压侧的供电电源，寿命长，结构相对简单，是高压条件下测量直流电流的最有发展前途的测量方法。

但是直流无源光学电流传感器存在的一个主要困难是：

在测量交流电流时，直流本底光强可在后续的数据处理系统中从被测量的交流信号中解调，从而获得被测交流信号。而直流电流传感器测量的是直流，本底光强也是直流信号，仅仅用后续的数据处理系统是难以区分的，必须要改进传感单元的结构。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种光电直流电流传感器，该传感器可以克服光源的光强随环境温度的漂移，获得较高的测量准确度。

本发明提供的一种光电直流电流传感器，包括电流传感头、光电处理单元、显示装置和用于光传输的光纤、光缆，其特征在于：电流传感头包括与截流导体垂直的敏感元，分别位于敏感元二端的起偏器和检偏器，位于起偏器端部、输入光方向垂直的第一输入光自聚焦镜和第二输入光自聚焦镜，位于检偏器的端部的转角棱镜，以及分别位于检偏器和转角棱镜上、输出光平行的第一输出光自聚焦镜和第二输出光自聚焦镜；光电处理单元包括二个光源、二个光电探测器和二个放大器以及信号处理单元；二个光源在信号处理单元控制下轮流发光；二路光经过光缆传至电流传感头，被电流信号调制后，分成二路光，经光缆分别传输至二个光电探测器，将光信号转换变成电信号，再分别经二个放大器放大后进入信号处理单元进行数据处理，显示装置用于显示。

本发明通过光路的对称巧妙设计，可以将被测直流从本底光强中解调，采用该方法可以较容易的实现原、副方隔离，绝缘相对简单，体积、重量只是传统的1/6-1/40，无电磁干扰，动态范围大。具体而言，具有以下技术效果：

(1)采用光学方法测量直流，因而绝缘简单，可靠性高，无磁饱和问题。

(2)提出了一种新型光路结构，即双光源双输出结构，通过光路的对称巧妙设计，将被测直流从本底光强中解调，并且可以克服光源的光强随环境温度的漂移，从而获得较高的测量准确度。

附图说明

图1为本发明的光电直流电流传感器的结构示意图；

图2为图1中的电流传感头的结构示意图；

图3为光电处理单元的结构示意图；

图4为数据处理流程图。

具体实施方式

本发明的结构如图1所示，包括电流传感头2、光电处理单元7、显示装置8以及用于光传输的光纤4、光缆6。

如图2所示，电流传感头2包括与截流导体垂直的敏感元9，敏感元的二端分别设有起偏器12和检偏器13。在起偏器12的端部设有第一输入光自聚焦镜10和第二输入光自聚焦镜11，二个聚焦镜的输入光方向垂直。检偏器13的端部设有转角棱镜14，在检偏器13和转角棱镜14上分别设有二个输出光自聚焦镜15、16，二个自聚焦镜15、16的输出光相互平行。

输入光自聚焦镜的作用是将光纤中传输的光转换成平行光，输出光自聚焦镜的作用是将输出光耦合进光纤中传输；起偏器12的作用是将平行光变成偏振光，检偏器13的作用是将与被测信号成正比的偏振角度的变化转化为光强的变化。

光电处理单元7如图3所示，二个受信号处理单元27控制的基准电源17、18通过二个驱动电路19、20使两只发光二极管21、22(下面简称LED1、LED2)轮流发光。二路光经过光缆传至电流传感头2，被电流信号调制后，分成两路光，经光缆传输至二个光电探测器23、24将光信号转换变成电信号，再至放大器25、26放大后进入信号处理单元27，完成图4中的运算功能后输出。信号处理单元27可以用DSP芯片编程完成运算，也可以用模拟器件完成相关的运算。

光电处理单元7内的LED1、LED2将光束输入至光缆6，经光纤连接盒5将光传至光纤4，光纤4外套有复合绝缘体伞裙3，光束由光纤输入至电流传感头2，电流传感头2套在截流导体1上。使用时将被测导体与载流导体1串联连接，当有电流通过时，光束通过电流传感头2获得被测电流的信息，此光束即被调制，被调制的光经光纤、光缆再传至光电处理单元7内的光电探测器解调，经信号处理单元27处理后将此电信号输至显示装置8显示被测电流值。

使用时，将被测导体与位于传感器内的载流导体1串联连接，位于光电处理单元7内的两光源轮流发光分别将光强为I₁、I₂的两光束通过光纤、光缆分别通入敏感元9。根据法拉第磁光效应原理，当载流导体1通以电流时，被测电流信息对敏感元9中传输的光进行调制，调制后的光在信号处理单元中进行解调、处理，将被测直流电流信息从本底光强中解调，可准确测出被测电流大小。具体说明如下：

敏感元9采用具有法拉第磁光效应的磁光材料，如重火石玻璃，典型的如牌号为ZF6的重火石玻璃，用于测量被测导体产生的磁场大小，这个磁场大小是与被测电流大小直接成比例关系的。其原理是：线偏振光的偏振面在正比于被测电流的磁场作用下转动一个角度r，此角度正比于被测电流，检测出该角度大小即可检测出被测电流即：

式中v为敏感材料的费尔德常数，k为标定系数。

图2中，LED1、LED2在直流驱动下分别发出的直流光束经各自的自聚焦镜10、11准直后进入起偏器12；起偏器12是将平行光变为线偏振光的器件；再通过磁光材料制成的敏感元9、检偏器13，将偏振面旋转角度的大小转变为光强的大小；反射棱镜14，将输出光中的一束光反射后经16输出。LED1发出光束经调制后自第一输出光自聚焦镜15输出光强为I₁₁，自第二输出光自聚焦镜16输出光强为I₁₂；LED2发出光束经调制后自聚焦镜15输出光强为I₂₁，自聚焦镜16输出光强为I₂₂。

直流驱动电路轮流驱动两光源LED1，LED2发光，经光纤传输后，两光束进入起偏器12，两光束经起偏器后均变为线偏振光，此光束经敏感元9，依据磁光效应，在磁场作用下，光束的偏振面将转动一个角度r(r正比于磁场大小，而磁场又正比于被测直流电流)，然后被转动一个偏振角度r的光束进入检偏器13将r的变化转变为光强的变化，一路光经自聚焦镜15输出，另一路光经反射棱镜14反射后从自聚焦镜16输出。

为将被测直流信号与驱动光源的直流信号分开，采用以下计算步骤，求出正比于直流电流信号的角度r。

LED1的输入光调制后再经检偏器13及自聚焦镜15后输出为：

$I_{11}=\frac{a{I}_1}{4}(1+\sin 2r),$

LED1输入光调制后经检偏器13、反射棱镜14、自聚焦镜16输出为：

$I_{12}=\frac{b{I}_1}{4}(1-\sin 2r)$

LED2的输入光调制后经检偏器13及自聚焦镜15后输出为：

$I_{21}=\frac{a{I}_2}{4}(1+\sin 2r)$

LED2的输入光调制后经检偏器13、反射棱镜14、自聚焦镜16输出为：

$I_{22}=\frac{b{I}_2}{4}(1-\sin 2r)$

上式中a为入射光经自聚焦镜10、起偏器12、敏感元9、检偏器13、聚焦镜15的光传输途径的总的损耗系数。

上式中b为入射光经自聚焦镜11、起偏器12、敏感元9、检偏器13、反射棱镜14、聚焦镜16的光传输途径的总的损耗系数。经数学变换，可得到

$\frac{\sqrt{I_{11}.I_{22}}-\sqrt{I_{12}.I_{21}}}{\sqrt{I_{11}.I_{22}}+\sqrt{I_{12}.I_{21}}}=\frac{\sqrt{a.b.I_1.I_2}}{\sqrt{a.b.I_1.I_2}}.\frac{2\sin 2r}{2}=\sin 2r...\left(2\right)$

按照以上数据处理流程求出sin2r及r，并经过与标准电流的比对，确定比例系数k后，将k和r的大小代入(1)式，即可得到被测电流i。数据处理流程如图4所示。

Claims (2)

1、一种光电电流传感器，包括电流传感头、光电处理单元、显示装置和用于光传输的光纤、光缆，其特征在于：

电流传感头(2)包括与截流导体垂直的敏感元(9)，分别位于敏感元(9)二端的起偏器(12)和检偏器(13)，位于起偏器(12)端部、输入光方向垂直的第一输入光自聚焦镜(10)和第二输入光自聚焦镜(11)，位于检偏器(13)的端部的转角棱镜(14)，以及分别位于检偏器(13)和转角棱镜(14)上、输出光平行的第一输出光自聚焦镜(15)和第二输出光自聚焦镜(16)；

光电处理单元(7)包括二个光源(21、22)、二个光电探测器(23、24)和二个放大器(25、26)以及信号处理单元(27)；二个光源(21、22)在信号处理单元(27)控制下轮流发光；二路光经过光缆传至电流传感头(2)，被电流信号调制后，分成两路光，经光缆分别传输至二个光电探测器(23、24)，将光信号转换变成电信号，再分别经二个放大器(25、26)放大后进入信号处理单元(27)进行数据处理，显示装置(8)用于显示。

2.根据权利要求1所述的光电电流传感器，其特征在于：所述信号处理单元(27)按照下面的计算公式得到与被测电流i相关的偏振旋转角r的大小，再通过与标准电流的比对和标定，确定比例系数k后，得到被测电流i的大小：

$\frac{\sqrt{I_{11}\·I_{22}}-\sqrt{I_{12}\·I_{21}}}{\sqrt{I_{11}\·I_{22}}+\sqrt{I_{12}\·I_{21}}}=\frac{\sqrt{a\·b\·I_1\·I_2}}{\sqrt{a\·b\·I_1\·I_2}}\·\frac{2\sin 2r}{2}=\sin 2r$

其中，I₁、I₂为二个光源(21、22)发出光束的光强，I₁₁、I₁₂、I₂₁、I₂₂分别为这二束光经调制后自第一、第二输出光自聚焦镜(15、16)输出光强。

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