CN201508383U

CN201508383U - 一种用于直流高压输电的光纤直流电流比较仪

Info

Publication number: CN201508383U
Application number: CN2009202283137U
Authority: CN
Inventors: 王乐仁; 雷民; 章述汉
Original assignee: State Grid Electric Power Research Institute
Current assignee: State Grid Electric Power Research Institute
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2019-09-22

Abstract

本实用新型涉及一种用于直流高压输电的光纤直流电流比较仪，由电源、单模光纤与LED激光光源、光纤耦合接头、准直透镜、偏振棱镜、耦合透镜、一次电流光纤传感器、二次电流光纤传感器、后耦合透镜、前耦合透镜、光敏管、电子放大器组成。把二次电流回路放置在地面侧，使光纤传感器依次感受一次电流回路的磁场和二次电流回路的磁场，经磁光效应作用后的线偏振光通过相敏光学检偏器解调得到零磁通信号，用电子放大器把信号变换为电流并注入二次电流绕组，使零磁通状态得到保持，并使一次电流和二次电流达到安匝平衡。相敏光学检偏器的偏振棱镜与它的零输出位置之间有一个负偏角，克服了偏振棱镜正交放置的零检偏器只能输出单极性电信号的缺点。

Description

一种用于直流高压输电的光纤直流电流比较仪

技术领域

本实用新型涉及直流电流比较仪，特别是一种用于直流高压输电的光纤直流电流比较仪，属于直流电流互感器技术领域。

背景技术

目前，500kV及以上直流高压输电线路使用的直流电流互感器主要有磁饱和型和电流比较仪型。磁饱和型使用两台饱和电抗器按串联或并联方式连接，用外部交流电压源驱动，电路中的整流元件保证二次负荷的电流只能有一个方向，驱动电压的正负半波使电抗器在磁饱和和低磁通两种状态下转换，其中低磁通状态时流过电抗器二次绕组的电流与一次直流电流接近安匝平衡，从而实现直流电流的比例变换。电流比较仪型使用伺服电流源向二次绕组注入直流电流实现安匝平衡，伺服电流源根据磁调制器得到的零磁通信号进行反馈控制，随时跟踪一次电流变化，实现直流电流的比例变换。由于一次电流回路在高电位侧，二次电流回路在低电位侧，两个回路之间需要高压隔离。因此，500kV及以上电压等级的直流电流互感器中的绝缘结构部分占了产品成本的很大比例，绝缘结构的隐患也降低了产品的可靠性。光电式电流互感器使用单模光纤或火石玻璃作为法拉第磁光效应的光学介质，当线偏振光通过光介质时，受到同方向磁场作用，光的偏振面发生旋转，旋转角正比于外界磁场沿着偏振光在介质内部路径的线积分，即φ＝V_d∮_LHdl。式中φ为线偏振光偏振面旋转角，V_d为光介质材料的Verdet常数，H为电流所产生的磁场强度，L为光在介质中通过的路径。为了方便地求出线积分，实现真正意义上的电流测量，并防止其它电流磁场的干扰，将传感头设计成能让光束环绕电流形成封闭的环路，根据安培环路定理可得：φ＝V_d∮_LHdl＝V_di。从而测出角φ便可求出电流值。光电式电流互感器采用绝对法测量，受光学介质和光源稳定性影响，长期测量准确度不容易达到实用要求。

发明内容

本实用新型的目的是，消除直流电流互感器绝缘结构的隐患并降低产品成本，同时不影响安匝平衡的实现，并能克服光电式电流互感器长期测量准确度差的缺点，提出一种用于直流高压输电的光纤直流电流比较仪。本发明提供的用于直流高压输电的光纤直流电流比较仪是一种使用磁光效应磁调制器的直流电流比较仪，采用光纤实现高电压隔离，有效地降低了直流电流互感器绝缘结构部分的成本，并消除了绝缘结构的隐患，同时具有足够好的长期测量准确度。

本实用新型的技术解决方案是，采用电源和单模光纤，其特征在于，由电源和单模光纤与LED激光光源、光纤耦合接头、准直透镜、偏振棱镜、耦合透镜、一次电流光纤传感器、二次电流光纤传感器、后耦合透镜、前耦合透镜、光敏管、电子放大器组成；其中，电源分别与LED激光光源和电子放大器连接，LED激光光源与由光纤耦合接头、准直透镜、偏振棱镜、耦合透镜成轴向依次排列构成的偏振光发生器配连，偏振光发生器通过配有光纤耦合接头的单模光纤与一次电流光纤传感器配连，电子放大器的输入端与由光敏管、前耦合透镜、偏振棱镜、后耦合透镜成轴向依次排列构成的相敏光学检偏器配连，二次电流光纤传感器的输入端连接一次电流光纤传感器的输出端，二次电流光纤传感器的输出端通过光纤耦合接头与相敏光学检偏器配接，二次电流光纤传感器的电流线圈配接电子放大器的输出端。

其特征在于，相敏光学检偏器的偏振棱镜与它的零输出位置之间有一个负偏角。

其特征在于，一次电流光纤传感器由多匝单模光纤围绕一次电流导体组成。

其特征在于，二次电流光纤传感器采用圆环状螺线管。

本实用新型的工作过程是，把二次电流回路放置在地面侧，使用单模光纤作为法拉第磁光效应的光学介质，使光纤传感器依次感受一次电流回路的磁场和二次电流回路的磁场，经磁光效应作用后的线偏振光通过相敏光学检偏器解调得到零磁通信号，用电子放大器把信号变换为电流并注入二次电流绕组，使零磁通状态得到保持，并使一次电流和二次电流达到安匝平衡。相敏光学检偏器的偏振棱镜与它的零输出位置之间有一个负偏角，在相敏光学检偏器的输出端叠加适当的反偏置电压或电流，使输出为零，于是可检测的磁光效应旋转角延伸到负角，在等安匝测量区间具有相敏性，克服了偏振棱镜正交放置的零检偏器只能输出单极性电信号的缺点。

本实用新型的优点是，把零磁通的检测变成零偏振角的检测，取消了高压直流电流互感器一次绕组和二次绕组之间的高压绝缘结构，从而大幅度降低500kV及以上电压等级的直流电流互感器的产品成本；套管和光纤属于自恢复绝缘结构，承受过电压后仍然可以安全运行，从而有效地提高了设备的可靠性及安全性。

附图说明

图1、本实用新型的基本结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对本实用新型的实施例作进一步描述。

如图1所示，本实用新型采用由电源1、LED激光光源2、光纤耦合接头3、7、12、准直透镜4、偏振棱镜5、14、耦合透镜6、单模光纤8、一次电流光纤传感器9、二次电流光纤传感器11、后耦合透镜13、前耦合透镜15、光敏管16、电子放大器17组成。其中，电源1分别与LED激光光源2、电子放大器17连接，给LED激光光源2、电子放大器17提供工作电源。LED激光光源2与由光纤耦合接头3、准直透镜4、偏振棱镜5、耦合透镜6成轴向依次排列构成的偏振光发生器配连，偏振光发生器通过配有光纤耦合接头7的单模光纤8与一次电流光纤传感器9配连。电子放大器17的输入端与由光敏管16、前耦合透镜15、偏振棱镜14、后耦合透镜13、光纤耦合接头12成轴向依次排列构成的相敏光学检偏器配连，二次电流光纤传感器11的输入端连接一次电流光纤传感器9的输出端，二次电流光纤传感器11的输出端与相敏光学检偏器的光纤耦合接头12配接，二次电流光纤传感器11的电流线圈一端连接电子放大器17的输出端，二次电流光纤传感器11的电流线圈的另一端连接电子放大器17的控制端，一次电流光纤传感器9由多匝单模光纤8围绕一次电流导体10组成。二次电流光纤传感器11采用圆环状螺线管，二次电流光纤传感器11的电流线圈绕在圆环状螺线管上。

电源1向LED激光光源2和电子放大器17提供稳定的直流工作电源，使它们能正常运行。LED激光光源2发出的激光通过光纤耦合接头3发射到准直透镜4，变成平行光束，再通过偏振棱镜5变成线偏振光，线偏振光在耦合透镜6聚焦并经光纤耦合接头7进入单模光纤8传输。一次电流光纤传感器9由多匝单模光纤8围绕一次电流导体10组成，光纤中的线偏振光在一次电流磁场作用下其偏振面发生旋转，再继续沿光纤进入二次电流光纤传感器11，二次电流在圆环状螺线管中产生磁场，磁场作用在位于圆环轴线上的多匝光纤上，发生第二次磁光效应，受过二次磁光效应作用的线偏振光经过光纤耦合接头12和后耦合透镜13变为平行光束，再经过与零输出位置之间有一个负偏角(接近正交放置)的偏振棱镜14后，输出的光强与旋转角正弦的平方成正比，随后再经过前耦合透镜15和光敏管16把光强转换为光电流信号，加上相敏偏置后得到零磁通电信号，电子放大器17把零磁通电信号放大送到二次电流光纤传感器11的电流线圈。形成闭环控制后，线偏振光的偏振面在两次磁光效应中的旋转角大小相等，方向相反，测量得到的二次电流值乘上电流比即等于一次电流值。

本实用新型实施例的额定一次电流3000A，额定二次电流0.5A，峰值输出5A。LED激光光源2使用波长850nm的发光二极管，通过恒流源驱动使光功率恒定，以减小由于相敏偏置引入的零位误差。一次电流光纤传感器9和二次电流光纤传感器11使用长度接近相等的光纤，弯曲半径也接近相等，以减小由于光纤的弯曲和老化产生的零位漂移。一次电流光纤传感器9通过增加光纤匝数提高磁光效应的灵敏度，二次电流光纤传感器11在光纤长度和二次电流确定后通过增加二次电流线圈匝数提高磁光效应的灵敏度，同时选用优质光敏管提高检偏灵敏度，以利于减小噪声干扰。调节偏振棱镜与它的零输出位置之间的负偏角和反偏电压，使二次电流安匝等于一次电流安匝时，检偏器电压输出为零，当二次电流安匝大于一次电流安匝但不超过一次电流安匝的105％时，检偏器能输出反向电压信号。二次电流伺服系统的电流增益大于1000，理论静态误差小于0.1％。

Claims

1.一种用于直流高压输电的光纤直流电流比较仪，采用电源和单模光纤，其特征在于，由电源(1)和单模光纤(8)与LED激光光源(2)、光纤耦合接头(3)、(7)、(12)、准直透镜(4)、偏振棱镜(5)、(14)、耦合透镜(6)、一次电流光纤传感器(9)、二次电流光纤传感器(11)、后耦合透镜(13)、前耦合透镜(15)、光敏管(16)、电子放大器(17)组成；其中，电源(1)分别与LED激光光源(2)和电子放大器(17)连接，LED激光光源(2)与由光纤耦合接头(3)、准直透镜(4)、偏振棱镜(5)、耦合透镜(6)成轴向依次排列接构成的偏振光发生器配连，偏振光发生器通过配有光纤耦合接头(7)的单模光纤(8)与一次电流光纤传感器(9)配连，电子放大器(17)的输入端与由光敏管(16)、前耦合透镜(15)、偏振棱镜(14)、后耦合透镜(13)成轴向依次排列构成的相敏光学检偏器配连，二次电流光纤传感器的输入端连接一次电流光纤传感器(9)的输出端，二次电流光纤传感器(11)的输出端通过光纤耦合接头(12)与相敏光学检偏器配接，二次电流光纤传感器(11)的电流线圈一端配接电子放大器(17)的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种用于直流高压输电的光纤直流电流比较仪，其特征在于，相敏光学检偏器的偏振棱镜(5)与它的零输出位置之间有一个负偏角。

3.根据权利要求1所述的一种用于直流高压输电的光纤直流电流比较仪，其特征在于，一次电流光纤传感器(9)由多匝单模光纤(8)围绕一次电流导体(10)组成。

4.根据权利要求1所述的一种用于直流高压输电的光纤直流电流比较仪，其特征在于，二次电流光纤传感器(11)采用圆环状螺线管。