CN2403033Y

CN2403033Y - 一种光学电流传感器

Info

Publication number: CN2403033Y
Application number: CN 99254692
Authority: CN
Inventors: 王政平; 康崇; 黄宗军; 孙伟民; 阮顺龄; 梁艺军
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2000-10-25
Anticipated expiration: 2009-12-02

Abstract

一种光学电流传感器,包括光学玻璃传感头、光学入射透镜、起偏器、偏振分束棱镜、输入光纤、信号输出光纤、传感组件壳体、支撑结构、电子线路组件和电子线路机箱;其用于对高压电网电流测量时,具有无爆炸危险,无磁饱和滞后效应;由于是光路输出,无开路的高压危险和不易受电磁干扰,且体积小、重量轻、价格成本低和安全可靠的优点,广泛适用于电力工业及大型工矿企业电网电流的测量。

Description

一种光学电流传感器

一种用于电流计量的光学电流传感器。

目前国内用于电力工业电流计量与线路故障防护的电流互感器均为传统的油浸电磁式电流互感器，用于其它行业的除电磁电流互感器外还有霍尔效应电流互感器。而普遍用于110KV以上电力开关(变电)站的油浸电磁式电流互感器有着严重的缺点：隐藏由爆炸引起灾难性事故的潜在危险；由于大故障电流会导致铁芯磁饱和而无法记录故障电流的实际数值及变化过程；存在铁磁共振效应；铁芯大电感会导致相位滞后且频响受限而无法记录故障电流高频分量，不利于故障分析；当输出端开路时会产生高压危险；且体积、重量均大及价格贵。霍尔效应电流互感器则仅适用于中小电流计量，而且容易受外部电磁场的干扰。

本实用新型的目的就是解决上述两种电流互感器自身无法克服的缺点，提供一种新型的光学电流传感器，其优点是：无爆炸危险隐患；无磁饱和发生；几乎无滞后效应；由于采用光路输出，无开路产生的高压危险；不易受电磁干扰；且体积小、重量轻、价格低。

本实用新型的构成包括光学玻璃传感头[1]、光学入射透镜[2]、起偏器[3]、偏振分束棱镜[4]、输入光纤[5]、信号输出光纤[6]、传感组件壳体[7]、支撑结构[8]、电子线路组件[9]和电子线路机箱[10]，光学玻璃传感头[1]的作用是，依据法拉第效应及偏振光学理论，当偏振光和被测电流载体通过光学玻璃传感头[1]，根据其内部发生的物理过程，可推导出该光学电流传感器输出电压U_out≈2VI，式中V是光学玻璃传感头[1]所采用的玻璃材料的菲尔德常数，I是被测载体电流强度，可见由于光学玻璃传感头[1]的物理作用，使输出电压信号与输入的被测电流信号成正比例关系，该实用新型可实现对被测电流的测量，光学传感头[1]以光学玻璃为原料，加工成中心带有圆孔并具有三个45度反射表面的正方形扁平六面体形状，在三个反射表面镀上单层介质保偏反射膜，以提高温度稳定性及对外磁场的抗干扰能力，光学入射透镜[2]可选用普通光学玻璃透镜，其作用是它将由输入光纤[5]传入的发散光汇聚成平行光，起偏器[3]选用普通光学起偏元件，它的作用是把光学入射透镜[2]传来非偏振光变为线偏振光，送入光学玻璃传感头[1]中，偏振分束棱镜[4]也是光学材料制成，其作用是把由光学玻璃传感头[1]射出的一束线偏振光变为两束偏振态互相正交的光，分别传入两条信号输出光纤[6]，输入光纤[5]和信号输出光纤[6]均采用大口径光纤并外加防护材料护套[11]进行保护，传感组件壳体[7]用来安装固定光学玻璃传感头[1]、光学入射透镜[2]、起偏器[3]和偏振分束棱镜[4]，并对这些组件起保护作用，其制作的材料可选用环氧玻璃丝板，支撑结构[8]选用环氧玻璃丝板材制作，对已装配好的传感组件壳体[7]起支撑固定作用，并组成一体安装在电力行业原有电流互感器一次电流导体罩内，取代旧式电流互感器，对电力行业原有电流互感器相应配套的固定设备均可利用，电子线路组件[9]包括：光源驱动电路[13]、光电探测器[14]、信号处理电路[15]、光源—光纤耦合器[16]、探测器—光纤耦合器[17]、光源[18]和通用电源[19]，光源驱动电路[13]采用了稳流技术其作用是，保证电源电压波动时，提供给光源[18]的驱动电流不发生改变。光电探测器[14]是由一对互相匹配的PIN组件实现，其作用是将信号输出光纤[6]输出的光信号转换为电信号并将其输入到信号处理电路[15]，信号处理电路[15]分别采用了直流(光强)补偿与放大，正交检测、带通滤波技术、使其输出的电压信号U_out与被测电网电流载体[21]的电流信号I成正比关系，并将该电压输出信号U_out送电力网站总控室的电压表[20]，实现电力网路的电流测量，光源—光纤耦合器[16]用来实现光源[18]与输入光纤[5]间的光耦合，探测器—光纤耦合器[17]用来实现光电探测器[14]同信号输出光纤[6]间的光耦合，光源—光纤耦合器[16]用Q9插头[25]及插座[26]将中间钻空制成并装配在电子线路机箱[10]上，探测器—光纤耦合器[17]用Q9插头[25]及插座[26]将中间钻空制成，并将Q9插座[26]焊接于用铜板制成的探测器屏蔽盒上盖板[22]上，上盖板[22]中央钻有与Q9插座[26]外径相同直径的圆孔，用于焊接Q9插座[26]，屏蔽盒四框[23]用长方体铜块掏空中心制成，屏蔽盒下盖板[24]用铜板制成其中央留有直径3mm的过线孔，上盖板[22]，四框[23]及下盖板[24]间用螺丝固定并装配于电子线路机箱[10]上，光源[18]采用了LED，电子线路机箱[10]用来装配电子线路组件[9]，并在其面板上装有电流表[27]，用来监测通过光源[18]的驱动电流，电阻旋钮[28]用来调节驱动电流的大小，电源开关[29]用来控制电子线路组件[9]供电电源的通断，另有一个输出电压调整器电阻[30]用来调整满幅输入电流时的输出电压大小。当光学电流传感器开始工作时，通过电子线路机箱[10]上电流表[27]可以观察到光源驱动电路[13]进入正常工作状态，光源[18]发出的光通过光源—光纤耦合器[16]耦合入输入光纤[5]并通过光学入射透镜[2]转变为平行光，该平行光又通过起偏器[3]变为线偏振光进入光学玻璃传感头[1]内，该偏振光在被测电网电流载体[21]所载电流产生的电磁场作用下，偏振角发生偏转(根据法拉第效应)，由光学玻璃传感头[1]出射的光经偏振分束棱镜[4]分束和检偏后分别耦合进两根信号输出光纤[6]，再经过探测器—光纤耦合器[17]进入光电探测器[14]转换成两个互相正交的电信号送入信号处理电路[15]，经差除和运算并适当放大，滤波后，输出的电压信号U_out与被测电流载体[21]中的电网电流成正比例关系，将该电压输出信号U_out送入电力网站总控室内的电压表[20]，就将测量值显示出来，从而完成了光学电流传感器的测量任务，其电流测量范围为0～600A或0～1200A，因此该实用新型可适用于国内各种电力工业、大型工矿企业用电的电流测量。

附图1光学电流传感器的系统原理图

附图2光学电流传感器的电子线路组件的线路图

附图3光学传感器的传感组件壳体[7]及支撑结构[8]装配示意图

附图4光学电流传感器的电子线路机箱[10]的装配示意图

附图5光源—光纤耦合器示意图

附图6探测器—光纤耦合器示意图

该实用新型最佳实施例，当将该光学电流传感器安装在110KV以上电力开关(变电)站内时，其处于工作状态时，如附图1所示，被测电网电流载体[21]穿过光学玻璃传感头[1]中心孔，电流产生电磁场，同时由光源[18]发出的光经光源—光纤耦合器[16]耦合进入输入光纤[5]经光学入射透镜[2]和起偏器[3]进入光学玻璃传感头[1]中，该线偏振光在电流产生的磁场的作用下，其偏振面发生偏转(依据法拉第效应)，自光学玻璃传感头[1]出射的光经偏振分束棱镜[4]分束和检偏后分别耦合进两根信号输出光纤[6]，再分别经过探测器—光纤耦合器[17]进入光电探测器[14]，转换成两个互相正交的电信号送入信号处理电路[15]进行信号差除和运算、放大、滤波处理后，输出的电压信号U_out与被测电网电流信号成正比例，实现电网电流的测量。由于该实用新型中不必采用绝缘油绝缘，因此本实用新型用在110KV以上的电网计量中无爆炸危险，由于不需要铁芯，故无磁饱和问题，由光速传播几乎无滞后效应，由于采用光纤实现光路输出，无开路的高压危险，安全性能好。光学玻璃传感头[1]采用ZF-7光学玻璃材料，用长宽为90mm，厚度为10mm光学玻璃材料加工成中心园孔直径Φ70mm，具有三个45度反射面的正方形扁平六面体形状，在三个45度反射表面上镀的单层介质保偏反射膜采用氟化钙单层真空镀膜工艺制作，然后加工完的光学玻璃传感头[1]用环氧103胶粘在传感器组件壳体[7]内，传感组件壳体[7]用M8螺丝固定在支撑结构[8]上，支撑结构[8]采用环氧玻璃丝板材料制成。一根输入光纤[5]和两根信号输出光纤[6]采用400μm芯径的大口径光纤。一根输入光纤[5]光的出射端和两根信号输出光纤[6]的光的入射端用环氧103胶分别粘在三个带孔的环氧树脂块[31]上，并将树脂块[31]用紧固螺丝牢固的固定在传感组件壳体[7]内，三根光纤外面套有塑料材质的护套[11]进行保护，防止损坏。三根光纤的另一端分别与相应安装在电子线路机箱[10]上的光源—光纤耦合器[16]及探测器—光纤耦合器[17]连接，光纤与二耦合器间有热塑管[12]保护，光源[18]采用LED(发光二极管)，LED用环氧103胶粘牢在光源—光纤耦合器[16]中的Q9插座[26]上，保证实现其相互间光的耦合，光电探测器[14]选用OPT101，OPT101各脚及接线用一层绝缘绸布与屏蔽盒下盖板[24]绝缘，下盖板[24]上事先留出的过线孔供导线通过与信号处理电路[15]连线，两根信号输出光纤[6]的出射光端同样用环氧103胶灌封在探测器—光纤耦合器[17]的Q9插头[25]上，保证实现信号输出光纤[6]与光电探测器[14]间的光耦合并实现光电转换，光学入射透镜[2]选用直径10mm，焦距6mm的光学透镜，起偏器[3]选用普通光学偏振片，偏振分束棱镜[4]选用格兰—泰勒棱镜。光源驱动电路[13]采用集成运放OP07[32]做电压比较器，将恒流管3DG12[33]发射集电阻上电压与集成稳压电路7809[34]输出电压比较后，用比较器输出电压控制恒流管3DG12[33]的基极电流，实现稳定光源驱动电流的目的，信号处理电路[15]采用仪表运算放大器INA106[35]做模拟减法器及模拟加法器，用DIV100模拟除法器[36]实现差除和运算，并放大，由此实现光强补偿，用OP07及电阻电容构成50Hz带通滤波电路[37]，实现带通滤波，随后将信号电压输出。通用电源[19]采用4N1C-K一体化集成稳压电源。

该光学电流传感器具有工艺简单，加工成本低，其重量仅为原有油浸电磁式互感器的1/4，使用安全等特点，可以广泛应用于国内电力工业及大型工矿企业，特别是高压电网的用电测量上。

Claims

1.一种光学电流传感器，其特征在于它包括：光学玻璃传感头[1]、光学入射透镜[2]、起偏器[3]、偏振分束棱镜[4]、输入光纤[5]、信号输出光纤[6]、传感组件壳体[7]、支撑结构[8]、电子线路组件[9]和电子线路机箱[10]；其中电子线路组件[9]包括光源驱动电路[13]、光电探测器[14]、信号处理电路[15]、光源—光纤耦合器[16]、探测器—光纤耦合器[17]、光源[18]和通用电源[19]；而光学玻璃传感头[1]、光学入射透镜[2]、起偏器[3]和偏振分束棱镜[4]组装在传感头组件壳体[7]内并与支撑结构[8]相连接，输入光纤[5]光的入射端通过光源—光纤耦合器[16]与光源[18]耦合相连，实现光耦合，其出射光端固定在传感组件壳体[7]上，信号输出光纤[6]光的出射端通过探测器—光纤耦合器[17]与光电探测器[14]相连实现光电转换，而其入射光端固定在传感组件壳体[7]上。

2.如权利要求1所述的一种光学电流传感器，其特征在于其光学玻璃传感头[1]加工成中心带有圆孔具有三个45度反射面的正方形扁平六面体形状，并在三个反射表面上镀有单层介质保偏反射膜。

3.如权利要求1所述的一种光学电流传感器，其特征在于其光源—光纤耦合器[16]采用Q9插头[25]及Q9插座[26]经中心钻孔制成，Q9插座[26]与光源[18]间用环氧103胶粘牢，Q9插头[25]与输入光纤[5]的入射端间除用环氧103胶粘牢外，还用热塑管[12]保护。

4.如权利要求1所述的一种光学电流传感器，其特征在于其探测器—光纤耦合器[17]系由Q9插头[25]、Q9插座[26]、上盖板[22]、框[23]、下盖板[24]制成，Q9插头[25]中央钻孔供粘接光纤之用，信号输出光纤[6]与Q9插头[25]间除用环氧103胶粘牢外，还用热塑管[12]保护，上盖板[22]中心钻有与Q9插座[26]相同直径的圆孔供与Q9插座[26]焊接之用，上述Q9插座[26]四框[23]、上盖板[22]、下盖板[24]之间用螺丝固定并装配于电子线路机箱[10]上。