CN201601016U - 一种光学电流互感器 - Google Patents
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Abstract
一种光学电流互感器，其中：包括发光单元、设置于高压线电流磁场内的传感单元以及光电转换和处理单元，发光单元的光信号输出端通过第一光纤连接传感单元的光信号输入端，传感单元的调制光信号输出端通过第二光纤连接光电转换和处理单元的光信号输入端；其中，传感单元包括用于光信号通过时产生调制的磁光材料透镜。本实用新型是利用磁光材料透镜的磁光特性，通过处于电流磁场内的磁光材料透镜后的光线的光强信号大小将与被测电流大小成线性关系，因此，再经过光电转换和处理单元处理后，即可解调出电信号；本实用新型技术方案不仅适于测量高压线路大电流，测量高压线路小电流时准确度也非常高。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力系统中高压线路电流测量技术领域，尤其涉及一种光学电流互感器。
背景技术
目前，基于法拉第磁光效应的光学电流互感器作为一种新型的电流测量装置，以其频带宽、响应速度快、绝缘相对简单等诸多优点，很好的满足了电力系统的要求，并有取代传统电磁式电流互感器的趋势，具有良好的发展前景。目前光学电流互感器的检测处理方案主要有三种：
1)单探测器的信号检测处理方案，其工作过程是：光学电流互感器低压侧由发光电路发出的直流光强信号通过光纤，进入起偏器变为线偏振光，通过光纤传感头并由检偏器检偏后，耦合进光纤传到低压侧并被光/电转换器接收，再经过交直流分离电路后，原来的直流光信号变成直流电压信号，同时，原来的被一次导线上的电流调制的信号变成交流电压信号，这两路信号经过一个高准确度的模拟除法器执行AC/DC运算(模/数转换)后，得到一个与被测高压线上的电流成正比且与直流光强无关的电压信号，对这个信号进行放大、滤波、移相、缓冲输出处理后，所得到的就是光学电流互感器的模拟计量信号。
2)双探测器的信号检测处理方案，其工作过程是：从光纤传感头得到的光信号与单探测器的信号检测处理方案相同，不同的是在其输出光经过渥拉斯顿棱镜分为两束，且两束光的振动方向与入射光的振动方向成±45度。当被测线路电流为零时，两路输出光强相等。从渥拉斯顿棱镜射出的两束光，通过各自的探测器和放大器后，产生两路输出信号，再经过求差电路和求和电路，得到两个信号的差与和。最后作除法及其它运算，得到待测电流和其它数据。
3)改进的双探测器的信号检测处理方案，其工作过程时：从光纤传感头得到的光信号与双探测器的信号检测处理方案相同，但该方案的明显的优点在于对两路检测信号中的每一路都先进行“去掉直流后再除以直流”的处理，有利于提高系统输出的稳定性。同时方案的另一个明显的优点是具有抑制共模噪声的功能。
上述三种方案解决了传统的电磁式电流互感器在测量高压线路大电流时存在的磁饱和问题，满足了IEC标准的精度要求。在高压线路电流较大时，上述三种光学电流互感器的稳态精度满足了电能质量的要求、动态测量精度满足了继电保护和故障测距的要求，但是，与传统的电磁式电流互感器一样，上述三种光学电流互感器测量高压线路小电流时，由于被测信号的微弱，噪声的偏大，存在测量准确度不能满足要求的问题。为了加快光学电流互感器的实用化进程，使光学电流互感器更早更快的应用在电力系统中，如何提高光学电流互感器对高压线路小电流的测量精度已成为当前必须解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种光学电流互感器，不仅适于测量高压线路大电流，进一步的，其测量高压线路小电流时准确度也非常高。
一种光学电流互感器，其中：包括发光单元、设置于高压线电流磁场内的传感单元以及光电转换和处理单元，发光单元的光信号输出端通过第一光纤连接传感单元的光信号输入端，传感单元的调制光信号输出端通过第二光纤连接光电转换和处理单元的光信号输入端；其中，传感单元包括用于光信号通过时产生调制的磁光材料透镜。
所述的光学电流互感器，其中：所述的传感单元还包括起偏器、检偏器，其中，起偏器的光信号输入端连接第一光纤的光信号输出端，起偏器的信号输出端连接磁光材料透镜的光信号输入端，磁光材料透镜的光信号输出端连接检偏器的光信号输入端，检偏器的光信号输出端连接第二光纤的光信号输入端。
所述的光学电流互感器，其中：所述的光电转换和处理单元包括光/电转换器、隔直放大电路、带通滤波电路、包络检波电路、信号输出电路，其中，光/电转换器的光信号输入端连接第二光纤的光信号输出端，光/电转换器的电信号输出端连接隔直放大电路的信号输入端，隔直放大电路的信号输出端连接带通滤波电路的信号输入端，带通滤波电路的信号输出端连接包络检波电路的信号输入端，包络检波电路的信号输出端连接信号输出电路的信号输入端。
所述的光学电流互感器，其中：所述的发光单元包括正弦波振荡电路、偏置电路、发光二极管，其中，正弦波振荡电路的信号输出端连接偏置电路的信号输入端，偏置电路的信号输出端连接发光二极管的信号输入端，发光二极管接设于第一光纤的光信号输入端。
本实用新型采用上述技术方案将达到如下的技术效果：
本实用新型的光学电流互感器，利用磁光材料透镜的磁光特性：通过处于电流磁场内的磁光材料透镜后的光线的光强信号大小将与被测电流大小成线性关系，因此，再经过光电转换和处理单元处理后，即可解调出电信号，再通过后续的数据处理器进行计算处理即可得到被测的电流大小；此外，光电转换和处理单元可将进行光/电转换后的电信号进行隔直放大、滤波、包络检波，可以精确地将光信号转换成对应的电信号，精确度高，适于小电流测量光信号的转换和处理。如上可见，本实用新型的光学电流互感器，通过调制和解调，不仅可精确测量高压线路的大电流信号，还可将微弱的小电流信号调制成对应的光强信号，并经精确的解调处理后的得到准确的对应测量电信号，实现高压线路小电流的精确测量。
附图说明
图1为本实用新型的光学电流互感器的结构框图；
图2为图1所示光学电流互感器的具体结构原理图。
具体实施方式
一种光学电流互感器，如图1所示，包括发光单元、设置于高压线电流磁场内的传感单元以及光电转换和处理单元，发光单元的光信号输出端通过第一光纤连接传感单元的光信号输入端，传感单元的调制光信号输出端通过第二光纤连接光电转换和处理单元的光信号输入端。
发光单元输出高频交流载波光信号，传感单元的原理是根据法拉第电磁效应将含有被测电流大小信息的信号调制在交流高频光信号上，光电转换和处理单元将含有被测电流信息的交流高频调制光信号解调出来，从而获得被测电流大小。
如图2，所述的发光单元包括正弦波振荡电路、偏置电路、发光二极管，其中，正弦波振荡电路的信号输出端连接偏置电路的信号输入端，偏置电路的信号输出端连接发光二极管的信号输入端，发光二极管接设于第一光纤的光信号输入端。由正弦波振荡电路产生稳定的正弦波，通过偏置电路处理后驱动发光二极管发光；偏置电路的设计可以确定发光单元电路的静态工作点，对发光二极管信号进行监视(将偏置电路的静态工作点设置为发光二极管线性工作区的中点左右的值)，可避免正弦波振荡电路输出信号失真。本技术方案中的发光二级管，需要选用其发光强度可随着工作电流线性变化的发光二极管，避免出现非线性失真，避免影响检测精度。
所述的传感单元包括起偏器、磁光材料透镜、检偏器，其中，起偏器的光信号输入端连接第一光纤的光信号输出端，起偏器的信号输出端连接磁光材料透镜的光信号输入端，磁光材料透镜的光信号输出端连接检偏器的光信号输入端，检偏器的光信号输出端连接第二光纤的光信号输入端。发光电路产生的高频载波光信号通过起偏器后转变为高频载波线偏振光，再通过处于被测电流磁场作用下的磁光材料透镜，调制为含有被测电流信息的高频载波线偏振光，并通过检偏器输出，检偏器输出的光强信号的大小将与被测电流大小呈现线性关系。
所述的光电转换和处理单元包括光/电转换器、隔直放大电路、带通滤波电路、包络检波电路、信号输出电路，其中，光/电转换器的光信号输入端连接第二光纤的光信号输出端，光/电转换器的电信号输出端连接隔直放大电路的信号输入端，隔直放大电路的信号输出端连接带通滤波电路的信号输入端，带通滤波电路的信号输出端连接包络检波电路的信号输入端，包络检波电路的信号输出端连接信号输出电路的信号输入端。光/电转换器先将通过检偏器输出的高频调制光信号转换为高频调制电信号，隔直放大电路对该高频调制电信号滤除直流和工频电流分量，然后，由设置合适的等效品质因数的带通滤波电路滤波处理，即可滤掉带通以外的噪声，避免造成信号失真；接着由包络检波电路将送来的被测信号进行解调，这里，同时应避免发光二极管死区电压的影响；最后由信号输出电路实现信号的输出。
此外，光/电转换器的选择要与发光二极管相对应，同时还应有足够的带宽；光电转换和处理单元的输出信号通过后续电路放大处理后由数据处理器与标准电压信号进行比较，从而确定输出信号的误差及灵敏度。
本实用新型是为解决高光学电流互感器高压线路小电流时的测量精度，提出将调制解调技术应用在光学电流互感器的检测电路中，通过将调制解调技术应用在光学电流互感器的检测电路中，从而实现光学电流互感器在小电流时的测量精度的提高。
首先分析调制解调电路的应用在光学电流互感器检测电路中的可行性进行分析，首先通过对光电探测器和电器元器件的性质进行分析，发现当频率小于1000HZ时，噪声功率随着频率的升高而迅速降低，1000HZ后噪声功率趋于平缓，可见采用调制技术将调制在1000HZ以上的检测电路中是可以降低噪声的。
同时采用调制解调技术还具有以下优点：调制光信号可以减少自然光或者杂散光的对检测结果的影响；调制光信号可以消除光电探测器的暗电流对检测结果的影响。
本实用新型还提出了采用单探测器的包络检波解调方法进行解调，其抗噪声能力较强，信噪比增益为2。
采用调制技术不仅从元器件的噪声谱特性上减小了噪声的影响，而且在包络检波过程中，对于待测信号而言，信噪比也提高了。
综上可见，本实用新型的光学电流互感器，通过调制和解调，不仅可精确测量高压线路的大电流信号，还可将微弱的小电流信号调制成对应的光强信号，并经精确的解调处理后的得到准确的对应测量电信号，实现高压线路小电流的精确测量。
Claims (4)
1.一种光学电流互感器，其特征在于：包括发光单元、设置于高压线电流磁场内的传感单元以及光电转换和处理单元，发光单元的光信号输出端通过第一光纤连接传感单元的光信号输入端，传感单元的调制光信号输出端通过第二光纤连接光电转换和处理单元的光信号输入端；其中，传感单元包括用于光信号通过时产生调制的磁光材料透镜。
2.如权利要求1所述的光学电流互感器，其特征在于：所述的传感单元还包括起偏器、检偏器，其中，起偏器的光信号输入端连接第一光纤的光信号输出端，起偏器的信号输出端连接磁光材料透镜的光信号输入端，磁光材料透镜的光信号输出端连接检偏器的光信号输入端，检偏器的光信号输出端连接第二光纤的光信号输入端。
3.如权利要求1或2所述的光学电流互感器，其特征在于：所述的光电转换和处理单元包括光/电转换器、隔直放大电路、带通滤波电路、包络检波电路、信号输出电路，其中，光/电转换器的光信号输入端连接第二光纤的光信号输出端，光/电转换器的电信号输出端连接隔直放大电路的信号输入端，隔直放大电路的信号输出端连接带通滤波电路的信号输入端，带通滤波电路的信号输出端连接包络检波电路的信号输入端，包络检波电路的信号输出端连接信号输出电路的信号输入端。
4.如权利要求3所述的光学电流互感器，其特征在于：所述的发光单元包括正弦波振荡电路、偏置电路、发光二极管，其中，正弦波振荡电路的信号输出端连接偏置电路的信号输入端，偏置电路的信号输出端连接发光二极管的信号输入端，发光二极管接设于第一光纤的光信号输入端。
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