CN201876487U

CN201876487U - 一种光学电流测量传感器

Info

Publication number: CN201876487U
Application number: CN2010205479861U
Authority: CN
Inventors: 屈玉福; 贺益聪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2020-09-29

Abstract

一种光学电流测量传感器，包括一个光源，用于产生光线；一个第一光纤用于将光源辐射出的光传导到光学电流测量部件上，光学电流测量部件进一步包括固定外壳，固定外壳包括第一开放端口和第二开放端口，固定外壳的第一开放端口将第一光纤固定于第一光学透镜的前部；外壳中的第一个偏振滤光器接收从第一光学透镜传输过来的光；固定外壳中的磁光棒接收第一偏振滤光器的光；固定外壳中的第二个偏振滤光器接收磁光棒的光；固定外壳中的第二光学透镜接收第二偏振滤光器的光；一个第二光纤用于将光学电流测量部件输出的光传输到一个光电探测器件上，光电探测器件将光信号转换成电信号；一个信号处理单元分析电信号得到被测导电导体上传输的电流值；光学电流测量传感器进一步包括一个校准装置，用于校准所测量的电流值。

Description

一种光学电流测量传感器

技术领域

本发明涉及一种基于偏振探测的法拉第效应光学电流测量传感器。具体涉及一种用于测量高压输电导体的电流的法拉第光学电流传感器，属于电力行业的电流测量和监控领域。

背景技术

随着现代社会对电力需求的不断增长，电力系统的容量、传输距离和传输效率也必须增加，相应的电压等级也越来越高，传统的电磁式电流互感器已逐渐暴露出它的局限性，如绝缘结构复杂，体积重量大，安装运输不便，铁芯严重饱和，内部充矿物油作为绝缘和散热介质，存在突然失效而可能导致燃烧、爆炸的危险。用光纤制作的传感器与传统的各类传感器相比具有一系列的独特优点，如低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、防水火、耐腐蚀、抗电磁干扰、成本低等。光纤本身用作基本传感器，具有高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆等特点；光纤作为传感信号的传输系统，与传统的金属线路相比，具有抗电磁场干扰、可靠性高、安全及可长距离传送等优点；并且便于与计算机连接、与光纤传感系统组成遥测网络；而且光纤传感器结构简单、体积小、重量轻。光学电流测量传感器采用法拉第效应原理，一个偏振入射的光线经过磁场后偏振方向会发生改变，旋转角可以由公式表示为：

β＝V×B×d

β是光线的是旋转角，d是敏感元件的长度，V是玻璃棒的维尔德常数，B是由高压电流的磁场矢量。维尔德常数是由温度和波长决定的。由检测出的通过玻璃棒的偏振方向的大小即可计算得到被测导电导体所传输电流的大小。由于基于法拉第效应的光学电流传感器几乎全由绝缘材料构成，因此在有大量电磁干扰的情形下使用光学电流测量传感器是非常必要的。

另外，在基于法拉第效应的光学电流测量传感器中，光源产生光线，光线在穿越磁光敏感材料之前通过偏振滤波镜或者其他偏振器。但包含光源和检波器的光学电流测量传感器对一些因素敏感，其中包括检测电路的光噪声，光源中的电气噪声，邻近感应器和系统的磁场产生的干扰，传感器装置，导体的形状和直径，传感器生产的误差，温度对维德尔常数的影响，温度对光源和检波器的影响，长期使用后光源和检波器的退化。所有上述提到的因素都会造成光学电流测量传感器测量精度的降低。因此在传感器安装过程中需要对传感器进行校准，以便对光学电流测量传感器的在使用过程中的测量值进行实时校准。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种结构简单、体积小、重量轻、安装简单方便的测量高电压导电导体中传输电流的光学电流测量传感器。

本发明涉及一种光学电流测量传感器，所述传感器包括：一个光源，一个光电探测器，两段传输光纤，一个光学电流测量部件，一个信号处理单元以及一个校准装置。所述光学电流测量部件包含两个光学透镜，两个光学透镜支架，两个偏振滤波器，一个玻璃棒，两个光纤固定器，两个密封元件和一个固定外壳，所述固定外壳有两个相对的开放端口。

所述光源是一个LED或者白炽灯光源，用于给所述光学电流测量传感器提供光线；

一根第一光纤作为光导管将光源辐射的光传导到本发明所述的光学电流测量部件中；

一个光学电流测量部件，所述光学电流部件进一步包括：

一个固定外壳有一个第一开放端口和一个第二开放端口，第二开放端口在第一开放端口相对的一侧；

一个第一密封元件固定于所述固定外壳的第一端口，并且有一个用来接收第一光纤的孔；

一个第一光纤固定器用于将所述第一光纤固定于所述固定外壳；

一个第一光学透镜支架安装于所述固定外壳中，用于将所述第一光学透镜安装于固定外壳中，并且有一个第一接收部接收所述第一光纤固定器，保证所述第一光纤和第一光学透镜有一个合理的光学配置；

一个第一偏振滤波器安装于所述固定外壳中，并且在所述第一透镜的后面；

一个接收和密封在上述固定外壳中的玻璃棒，接收来自第一偏振滤波器的光，玻璃棒由具有磁光特性的材料制成；

一个第二偏振滤波器安装在所述固定外壳中，用于接收来自玻璃棒的光；

一个第二光学透镜支架安装于所述固定外壳中，用于将所述第二光学透镜安装于固定外壳中，并且有一个第二接收部；

一个第二光纤固定器用于将所述第二光纤固定于所述固定外壳中，所述第二光纤固定器被所述第二光学透镜支架的第二接收部接收；

一个第二密封元件固定于所述固定外壳的第二端口，并且有一个用来接收第二光纤的孔；

第一密封盖和第二密封盖分别可移动地连接于所述固定外壳的第一端口和第二端口，所述第一密封盖和第二密封盖分别有一个接收所述第一光纤和第二光纤的孔；

一根第二光纤作为光导管将从光学电流测量部件输出的光传导到光电探测器件上；

一个光电探测器件，用于将从第二光纤传输过来的光转换为电信号；

一个信号处理单元，用于处理所述从光电探测器件传输来的电信号，从而测量出流动于被测高压导电导体的电流值；

校准装置，提供一个电流测量系统，用来为所述光学电流测量传感器执行校准测量，并且提供一个第一通信方式。校准用来消除信号衰减，比如，由陈旧的或者损坏的元件造成的衰减，并且能补偿由其他辐射电场源产生的干扰，比如其他电缆的干扰。当传感器被放置在大量导电电缆中的一个特殊的电缆中时，系统可以校准用以消除来自大量导电电缆的其余部分的影响。当系统第一次安装时执行校准，并且能够补偿装置或者元件的衰退。

在开始测量和对使用光学电流测量传感器的变电站进行监控之前，一个校准装置用来更精确地测定导电导体中的电流。上述校准装置周期或者非周期地测量导电导体中的高电压流，通过测量电信号的交流和直流部分重新计算校准常量。校准装置首先测定光信号的交流部分，然后周期性地测定光信号的直流部分，通过将测得的直流部分与上述周期测定的直流部分相比即可得光学电流测量传感器的校准常量。校准常量与测得的交流部分相乘即可得到被测导电导体所传输电流的大小。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明结构简单、体积小、重量轻，并且抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆；

(2)本发明安装简单，输电系统在工作过程中即可安装，无需断闸、干扰用户的正常用电需求。

附图说明

图1是光学电流测量部件的横截面示意图；

图2是光学电流测量部件的放大截面示意图；

图3显示了光学电流测量部件外壳上的一个凹槽；

图4是光学电流测量部件的一个末端的示意图；

图5是光学电流测量部件的另一个末端的示意图；

图6是光学电流测量传感器的系统原理示意图；

图7是探测系统示意图，图6所示的系统的一部分。

具体实施方式

图1是光学电流测量部件10的横截面示意图，图2是图1中的光学电流测量部件10的放大示意图。光学电流测量部件10由一个有第一端口和第二端口的椭圆型外壳12组成；分别定义为14和16。第一个密封元件18安装在外壳12的第一端口14上，第一个密封元件18有一个用来接收第一光纤20的孔。第一光纤固定器22安装在外壳12中。第一光纤固定器22有一个接收第一光纤20的孔。第一透镜支架23支撑第一光学透镜24并且有一个接收第一光纤20和第一光纤固定设备22的接收部件25。第一偏振滤波器26安装在第一光学透镜24后面。玻璃棒28(玻璃材料可能是FR6或BK7)安装在第一偏振滤波器26后面。玻璃棒28的另外一端，第二个偏振滤波器随后安装在其后。第二光学透镜支架31支撑第二个光学透镜32与第二个偏振滤波器30连续。第二个光学透镜支架31有接收第二光纤固定器34的接收单元。第二个密封元件36有一个接收第二光纤38的孔，并安装在外壳12的第二端口。

两个光纤20、38通过第一个和第二个密封元件18、36分别嵌入到第一个和第二个光纤固定器22、34中。光纤20、38通过两个传感器外壳40、42分别固定在外壳12上。传感器外壳40、42使光纤20、38固定，并且使光学电流测量部件10密封。

用来浇铸传感器外壳比较好的材料是能够禁得起温度从-40℃到250℃变化的塑料材料，并且有电绝缘性能。而且400nm到1000nm的光不能透过该种材料。具有上述性能的材料可能是塑料比如说Ultem或者Peek。

所述固定外壳12进一步包括一个塑料外翼，为方便使用塑料条或者其他固定方式将光学电流测量部件10安装到导电导体50上。

图3是光学电流测量部件10的侧视图，描述了光学电流测量部件10中固定外壳12上与玻璃棒28平行的凹槽46。凹槽46有一个用来提高固定光学电流测量部件10到导电导体上的平面端面或者圆形端面。凹槽46嵌入在外壳中，用来使玻璃棒尽可能靠近电子导体并且使光学电流测量部件10与电子导体成90度角。凹槽46的宽度可以是任意的，但最好是与玻璃棒28的长度相同或者更短一点。固定端44可能嵌入在凹槽46的延伸处。

图4是光学电流测量部件10的一个端口14的示意图。这个图描述了第一偏振滤波器26安装在固定外壳12中的位置。

图5是图4所示的光学电流测量部件10的另外一端的示意图。这个图进一步描述了安装在固定外壳12与第一个偏振滤波器成旋转45度角的第二个偏振滤波器30。两个偏振滤波器被平行固定，图4和图5中所示的偏振滤波器是方形的，也可能是别的形状，只要两个偏振滤波器的偏振面旋转45度即可。

图6是利用磁光材料的法拉第效应制成的光学电流测量传感器的原理示意图。该传感器包括一个光源46，该光源可能是一个荧光灯泡或一个LED光源。从光源发出的光46通过第一光纤48引导进入到光学电流测量部件10中，光学电流测量部件10包括两个偏振滤波器26、30和一个磁光材料，两个偏振滤波器26、30平行固定，并且偏振面有45度的夹角。光学电流测量部件10固定在一个有高压电流流动的导电导体50上。光学电流测量部件10的输出端杯连接到第二光纤52上，第二光纤52连接到一个探测系统54上，探测系统54将模拟光信号转换成数字信号。探测系统54的数字信号被提供给信号处理单元56执行数据的计算。校准装置58安装在导电导体50上是为了方便校准。校准装置58连接到电流测量系统60，电流测量系统60为信号处理单元56提供额外的数据信号。

所述信号处理单元56比较、存储和计算来自探测系统54和电流测量系统60的数据。

该系统的校准要求信号处理单元56能比较来自检测系统54和电流测量系统60的数据，并能存储这些数据。标定数据采集结束后，来自探测系统54和电流测量系统60的数据分别被累加起来，来自电流测量系统60的累加值除以来自探测系统54的累加值即可得光学电流测量传感器的标定值，这个标定值存储在信号处理单元56中。然后，电流测量系统60和校准测量单元58可以被拆掉，光学电流测量传感器开始正常工作。

光学电流测量传感器的原理示意图如图6所示，其包含一个光源46，和一个光学电流测量部件10和一个光学探测系统54，这些器件敏感光源46中的电子噪声，探测系统54的光噪声以及来自相邻导体或系统形成的磁场干扰。光学电流测量部件10的安装和装备以及被测导体的形状和直径都会对传感器的测量精度有影响。该传感器也可能在世界的不同地方使用，使用温度有很大的变化，温度变化也可能影响探测系统54中光源46和检测电路的正常工作。另外，光源46、检测系统54以及系统中的其他组件也可能随着使用时间的增加和产品生命期的限制而老化。一个精确的测量依赖于一个稳定的光源和补偿因子的确定，包括光源输出的变化记录，探测系统的长期波动以及周围环境的温度波动都需要被实时测定和补偿。

图7是信号处理单元中探测系统54的原理示意图。探测系统包括一个光敏感元件64，敏感元件64将从第二光纤52传导到探测系统54的光转换成电信号，电信号包括交流和直流分量，信号被分成两路分别提供给两个放大器66和68。从66放大器放大的信号被输送到直流分离器70，直流分离器70从放大的信号中分离出直流分量。从68放大器放大的信号被输送到交流分离器72，交流分离器72从放大的信号中分离出交流分量。模拟信号处理单元74将转换后的直流分量和交流分量转换成数字信号。测得的直流信号与传感器标定时的直流信号值相比再乘以测得的交流信号值即可得当前被测导电导体中的电流值。

Claims

1.一种光学电流测量传感器，其特征在于包括下列部分：

一个光源；

一根第一光纤，作为光导管将从光源辐射出的光传导到光学电流测量部件上；

一个光学电流测量部件用于测量高压导电导体的电流；

一根第二光纤，作为光导管将从光学电流测量部件输出的光传导到光电探测器件上；

一个信号处理单元，用于处理所述从光电探测器件传输来的电信号，从而测量出流动于被测高压导电导体的电流值。

2.根据权利要求1所述的光学电流测量传感器，其特征在于：进一步包含一个校准装置，用于标定所述测量电流的值。

3.根据权利要求1所述的光学电流测量传感器，其特征在于：

光学电流测量部件包括：

第一密封盖和第二密封盖分别可移动地连接于所述固定外壳的第一端口和第二端口，所述第一密封盖和第二密封盖分别有一个接收所述第一光纤和第二光纤的孔。

4.根据权利要求3所述的光学电流测量传感器，其特征在于：所述第一偏振滤波器和第二偏振滤波器被平行地固定，并且所述第一偏振滤波器的偏振面相对于第二偏振滤波器的偏振面旋转45度。

5.根据权利要求3所述的光学电流测量传感器，其特征在于：所述玻璃棒是由材料FR6或BK7制成。

6.根据权利要求3所述的光学电流测量传感器，其特征在于：所述固定外壳是由波长范围至少从400nm到1000nm不透光的材料制成。

7.根据权利要求3所述的光学电流测量传感器，其特征在于：所述光学电流测量部件进一步包括所述固定外壳上的一个凹槽，所述凹槽的长度与固定于所述固定外壳的所述玻璃棒的长度相近，所述凹槽为方便与被测导电导体相连。

8.根据权利要求3所述的光学电流测量传感器，其特征在于：所述光学电流测量部件进一步包括至少一个从固定外壳延伸的塑料外翼，所述塑料外翼为方便将光学电流测量部件安装到椭圆型的导电导体上。