CN207396586U - 一种光纤电流互感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光纤电流互感器，包括全光纤传感环1、保偏光纤2和采集器3，采集器3包括光源4、光纤耦合器5、光纤起偏器6、直波导相位调制器7、保偏光纤延迟环8、光电探测器12、信号调理电路13、A/D转换器14、处理模块15和D/A转换器16，全光纤传感环1包括光纤波片9、保圆传感光纤10和光纤反射镜11。通过光电探测器12、信号调理电路13、A/D转换器14、处理模块15和D/A转换器16形成的闭环反馈环能够对传感光路相位状态进行反馈控制。因此，通过该电流互感器内部各元器件的配合使用以及闭环反馈控制，能够提升光纤电流互感器的检测可靠性，实现高可靠性检测。

Description

一种光纤电流互感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤电流互感器。

背景技术

柔性直流电网系统与交流系统有很大不同，故障有其自身的特点，主要体现在以下几个方面：1)故障电流上升迅速；2)影响范围广；3)故障定位困难；4)直流断路设备技术难度高；5)多种电力电子单元交互影响。柔性直流系统需要采用高速数字测量技术，对于测量系统的响应时间、动态范围、精度要求很高，新型的适用于高压、大容量柔性直流的高速测量关键技术和设备亟待研究。

随着柔性输电系统中直流断路器高速动作及换流阀控装置保护快速动作需求，对全光纤电流互感器的采样率和响应时间提出更高要求，因此研究一种闭环反馈控制的快速响应全光纤电流互感器至关重要，但是，现有的这类电流互感器的检测可靠性均不高，无法实现高可靠性检测。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光纤电流互感器，用以解决现有的光纤电流互感器检测可靠性不高的问题。

为实现上述目的，本实用新型的方案包括一种光纤电流互感器，包括全光纤传感环(1)、保偏光纤(2)和采集器(3)，所述采集器(3)包括光源(4)、光纤耦合器(5)、光纤起偏器(6)、直波导相位调制器(7)、保偏光纤延迟环(8)、光电探测器(12)、信号调理电路(13)、A/D转换器(14)、处理模块(15)和D/A转换器(16)，所述全光纤传感环(1)包括光纤波片(9)、保圆传感光纤(10)和光纤反射镜(11)；光源(4)连接光纤耦合器(5)的光信号输入端，所述光纤耦合器(5)的光信号输入输出端连接所述光纤起偏器(6)，所述光纤起偏器(6)、直波导相位调制器(7)、保偏光纤延迟环(8)、保偏光纤(2)、光纤波片(9)、保圆传感光纤(10)和光纤反射镜(11)沿光路依次连接，其中，光纤起偏器(6)和直波导相位调制器(7)进行45°对轴连接；光纤耦合器(5)的光信号输出端输出连接所述光电探测器(12)，所述光电探测器(12)的输出端连接信号调理电路(13)的输入端，所述信号调理电路(13)、A/D转换器(14)、处理模块(15)和D/A转换器(16)依次电连接，所述D/A转换器(16)的调制信号输出端输出连接所述直波导相位调制器(7)。

本实用新型提供的电流互感器具有闭环反馈控制功能，光源发出的原始光信号经过光纤耦合器和光纤起偏器后变为线偏振光，线偏振光依次经过直波导相位调制器、保偏光纤延迟环和保偏光纤后进入全光纤传感环，经光纤波片变换为圆偏振光进入保圆传感光纤感应一次电流，被光纤反射镜反射后沿原路返回再次受一次电流磁场影响，经过光纤波片的反变换作用变为携带一次电流信息的调制光信号，沿原路返回在光纤起偏器处发生光的干涉，干涉光信号经过光纤耦合器的分光作用后进入光电探测器后变换为模拟电压信号，由电路传导至信号调理电路进行处理，经由A/D转换器转换为数字信号传输至处理模块，经过处理之后一路输出，另一路发送至D/A转换器变为模拟信号送至直波导相位调制器，在模拟信号的作用下对传感光路相位状态进行反馈控制，使系统被伺服控制在零相位状态，形成闭环工作。因此，通过该电流互感器内部各元器件的配合使用以及闭环反馈控制，能够提升光纤电流互感器的检测可靠性，实现高可靠性检测。

所述处理模块(15)为FPGA。

所述直波导相位调制器(7)为铌酸锂光学相位调制器。

所述光源(4)与光纤耦合器(5)之间、所述光纤耦合器(5)与光电探测器(12)之间、所述光纤耦合器(5)与光纤起偏器(6)之间、所述直波导相位调制器(7)与保偏光纤延迟环(8)之间、所述保偏光纤延迟环(8)与光纤波片(9)之间、所述光纤波片(9)与保圆传感光纤(10)之间以及所述保圆传感光纤(10)与光纤反射镜(11)之间均进行0°对轴连接。

经过光纤反射镜(11)的反射光在光纤起偏器(6)处发生光的干涉，干涉光信号经光电探测器(12)后变换为模拟电压信号，由电路传导至信号调理电路(13)进行滤波放大，经由A/D转换器(14)转换为数字信号之后传输至处理模块(15)，经数字差分解调输出正比于一次电流大小的数字量信号，数字量信号输出至相关的阀控保护装置，同时数字量信号经处理模块(15)生成数字相位阶梯波发送至D/A转换器(16)，变为模拟信号后送至直波导相位调制器(7)，直波导相位调制器(7)在模拟信号的作用下对传感光路相位状态进行反馈控制。

附图说明

图1是光纤电流互感器整体结构框图；

图2是光纤电流互感器结构示意图；

图3是闭环反馈控制的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

本实施例提供的光纤电流互感器具有闭环反馈控制功能。如图1所示，包括全光纤传感环1、保偏光纤2和采集器3三大部分。全光纤传感环1主要完成一次电流的传变，输出偏振信息光，经由保偏光纤2传输至采集器3进行信号处理，输出正比于一次电流大小的数字量的同时生成调制信号及反馈控制信号对全光纤传感系统进行高速闭环反馈控制。

如图2所示，采集器3包括光源4、光纤耦合器5、光纤起偏器6、直波导相位调制器7、保偏光纤延迟环8、光电探测器12、信号调理电路13、A/D转换器14、处理模块15和D/A转换器16，全光纤传感环1包括光纤波片9、保圆传感光纤10和光纤反射镜11。

其中，光源4采用高功率SLD光源。

直波导相位调制器7采用铌酸锂光学相位调制器。

A/D转换器14采用100MHz采样率的高性能A/D转换器，对调理后的高保真模拟信号进行数字化并输出大容量高频采样数据给处理模块15进行后续处理，提高A/D采样率及位数，使每一个光路采样周期有足够多的采样点数，提高光路直采数据的信噪比，降低二次采样数据处理时间，提高系统响应速度及频率响应精度。

处理模块15以FPGA为例，采用高性能FPGA作为数据处理核心单元，一方面通过时序控制提高所有逻辑器件的工作性能及合作效率，另一方面其快速数据处理能力为高速采样及数据传输提供可靠的硬件支撑。

全光纤电流互感器主要通过光器件尾纤熔接及电路连接完成装配。如图2所示，光源4和光电探测器12的尾纤分别与光纤耦合器5的两个端口光纤熔接，其中，根据端口的功能来说，光源4与光纤耦合器5的光信号输入端熔接，具体为0°对轴熔接，光纤耦合器5的光信号输出端输出连接光电探测器12，具体为0°对轴熔接。光纤耦合器5的其他一个端口与光纤起偏器6的输入端光纤熔接，具体为0°对轴熔接，根据功能来说，该端口为光纤耦合器5的光信号输入输出端。光纤起偏器6的输出端光纤与直波导相位调制器7的输入端光纤进行45°对轴熔接，直波导相位调制器7的输出端光纤与保偏光纤延迟环8的输入端光纤进行0°对轴熔接，保偏光纤延迟环8的输出端光纤与保偏光纤2的一端与进行0°对轴熔接，保偏光纤2的另一端与光纤波片9的输入端光纤0°对轴熔接，光纤波片9、保圆传感光纤10和光纤反射镜11依次0°对轴熔接在一起。保圆传感光纤10作用于载流一次导体17。上述中，光纤起偏器6、直波导相位调制器7、保偏光纤延迟环8和光纤波片9有输入端和输出端之分，但是，由于光纤中的光信号有两个方向，所以，上述以输入端和输出端进行描述只是为了方便说明，实质上，这些元器件并没有严格的输入端和输出端之分。

光电探测器12的输出端引脚通过电路与信号调理电路13的输入端连接，将返回光信号转换为电信号送入信号调理电路13中，信号调理电路13、A/D转换器14、FPGA15和D/A转换器16依次连接，通过电路集成在一起。D/A转换器16的调制信号输出端输出连接直波导相位调制器7。

传感光路采用基于铌酸锂光学相位调制器的直线型反射式光路结构，光源4发出的光信号与返回光信号共享光路。选用高消光比的光纤起偏器6将光源4发出的低偏振光变换为高偏振度的线偏振光，选用直波导相位调制器7接收来自D/A转换器16的调制信号，对光路进行反馈控制，使系统工作在闭环高灵敏度状态。选用高功率光源4及接近1：1分光比的光纤耦合器5来提高光路传输信噪比，选用椭圆形保偏光纤制作光纤波片9以提高全光纤电流互感器的温度特性。全光纤传感环1实现对一次大电流的传变，通过保偏光纤2传送光信号返回光纤耦合器5时，经分光作用被光电探测器12接收，选用高速PIN-FET光电探测器组件，将PIN-FET带宽由4M提高到20M，保证一次电流传变过程中的高保真光电信号转换。

光源4发出的原始光信号经过光纤耦合器5和光纤起偏器6后变为线偏振光，线偏振光依次经过直波导相位调制器7、保偏光纤延迟环8、保偏光纤2后进入全光纤传感环1，经光纤波片9变换为圆偏振光后进入传感光纤10感应一次电流，被光纤反射镜11反射后沿原路返回再次受一次电流磁场影响，经过光纤波片9的反变换作用变为携带一次电流信息的调制光信号，沿原路返回通过保偏光纤2、保偏光纤延迟环8和直波导相位调制器7后在光纤起偏器6处发生光的干涉，干涉光信号经过光纤耦合器5的分光作用进入光电探测器12后变换为模拟电压信号，由电路传导至信号调理电路13进行滤波放大，经由100M采样率A/D转换器14转换为数字信号传输至高性能FPGA15，经数字差分解调输出正比于一次电流大小的原始高频数字量，高频数字量经过向下重采样及滤波输出100kHz数字信息至阀控保护装置，即经A/D转换器14输出的高频采样数据通过FPGA15的数字差分解调、滤波器的向下重采样实现100kHz高速采样及数据输出。同时经FPGA15生成数字相位阶梯波发送至D/A转换器16变为模拟信号，最后送至直波导相位调制器7，直波导相位调制器7在模拟信号的作用下对传感光路相位状态进行反馈控制，使系统被伺服控制在零相位状态，形成闭环工作。闭环反馈控制的控制原理如图3所示。将FPGA15及D/A转换器16作为反馈回路，通过设计反馈系数及控制算法，提高反馈控制的速度与精度，使系统始终稳定在高灵敏度工作状态，形成闭环控制，保证了全光纤电流互感器在复杂环境下的高精度电流传变。

采集器3选用高速A/D转换器14，将采样率由10M提高到100M，增加了采样点数，更快的捕捉光路返回信号的变化。为了缩短D/A转换器16建立时间，选用建立时间更短的D/A转换器，减少了闭环反馈信号作用的延迟，提高了闭环反馈控制速度。选用性能更强，资源更多的高性能FPGA15，通过空间换时间的方法，缩短了整个系统的闭环反馈周期，提高了系统的闭环反馈速度，缩短了信号处理时间。优化了模拟电路设计，通过合理的元件选型，电路设计，布局布线，降低模拟电路的噪声，在此基础上，增加模拟信号回路的前向增益。提高闭环反馈算法中反馈通道的数字增益，优化数字滤波器设计，减小滤波延迟时间。

因此，基于数字方波调制技术，采用直波导相位调制器7对系统进行相位调制，改变系统工作点，降低原始高频信号解调难度，提高系统测量灵敏度，输出满足标准要求的数字信号，提供给阀控保护装置。另外，直波导相位调制器7集成在采集器3内，信号调制解调全部在采集器3内完成，一、二次之间无需调制电缆，提高了互感器抗干扰能力。

本实用新型提供的快速响应全光纤电流互感器基于高速数据采集传输技术及快速反馈控制系统，快速响应一次电流变化，具备抗干扰能力强、测量精度高、动态范围大、频率响应范围宽、可靠性高、阶跃响应延迟小等优点，满足新一代智能变电站对高速测量设备的需求。

以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种光纤电流互感器，其特征在于，包括全光纤传感环(1)、保偏光纤(2)和采集器(3)，所述采集器(3)包括光源(4)、光纤耦合器(5)、光纤起偏器(6)、直波导相位调制器(7)、保偏光纤延迟环(8)、光电探测器(12)、信号调理电路(13)、A/D转换器(14)、处理模块(15)和D/A转换器(16)，所述全光纤传感环(1)包括光纤波片(9)、保圆传感光纤(10)和光纤反射镜(11)；光源(4)连接光纤耦合器(5)的光信号输入端，所述光纤耦合器(5)的光信号输入输出端连接所述光纤起偏器(6)，所述光纤起偏器(6)、直波导相位调制器(7)、保偏光纤延迟环(8)、保偏光纤(2)、光纤波片(9)、保圆传感光纤(10)和光纤反射镜(11)沿光路依次连接，其中，光纤起偏器(6)和直波导相位调制器(7)进行45°对轴连接；光纤耦合器(5)的光信号输出端输出连接所述光电探测器(12)，所述光电探测器(12)的输出端连接信号调理电路(13)的输入端，所述信号调理电路(13)、A/D转换器(14)、处理模块(15)和D/A转换器(16)依次电连接，所述D/A转换器(16)的调制信号输出端输出连接所述直波导相位调制器(7)。

2.根据权利要求1所述的光纤电流互感器，其特征在于，所述处理模块(15)为FPGA。

3.根据权利要求1所述的光纤电流互感器，其特征在于，所述直波导相位调制器(7)为铌酸锂光学相位调制器。

4.根据权利要求1所述的光纤电流互感器，其特征在于，所述光源(4)与光纤耦合器(5)之间、所述光纤耦合器(5)与光电探测器(12)之间、所述光纤耦合器(5)与光纤起偏器(6)之间、所述直波导相位调制器(7)与保偏光纤延迟环(8)之间、所述保偏光纤延迟环(8)与光纤波片(9)之间、所述光纤波片(9)与保圆传感光纤(10)之间以及所述保圆传感光纤(10)与光纤反射镜(11)之间均进行0°对轴连接。