專利名稱:一種光學(xué)電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型涉及一種用于領(lǐng)糧電力系統(tǒng)高壓大電流的光學(xué)傳麟,屬測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
光學(xué)電流傳自(OCT)是高壓大電流測量的理想器件。從20世紀(jì)60年f^,人們就開始研 究光學(xué)電流傳 。電力工業(yè)用光學(xué)電流傳 —皿用Faraday磁光效應(yīng)原理。經(jīng)過30多年的 研究,取得了很大進(jìn)展,國內(nèi)夕湘繼有多種樣機(jī)掛網(wǎng)試運(yùn)行的報道。但是到目前為止,光學(xué)電流 傳麟長期運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)測量精度卻仍不能達(dá)到電力系統(tǒng)的計量要求,其主要原因是傳 的性能 易鈔卜界環(huán)境因素(如變化的影響。
中國專利號CN 1523618給出了一種光電電流互感器的技術(shù)方案,它采用引入永磁體和參考光 路的方法,補(bǔ)jf^顯度對測量光路中敏感元件的影響。該方法理論上可以消除溫度的影響,但實用 中的不足之處是測量準(zhǔn)確度依賴于永磁體長期運(yùn)行的穩(wěn)定性,對永磁體及參考光路需要嚴(yán)格的電 H屏蔽,對參考通道和測量鵬的一致性要刺艮高。該光電電^5繊經(jīng)過長期運(yùn)行后,其兩個 以及*通道的兩個光路的光學(xué)器件參數(shù)會發(fā)生不一致變化,這將對測量7隹確度產(chǎn)生不容忽
視的影響。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足、提供一種具有長期運(yùn)行穩(wěn)定性和高測量準(zhǔn)確度 的光學(xué)電流傳 。
本實用新型所稱問題是以下述技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種光學(xué)電流傳自,由電流傳感單元和光電處理單元組成,戶腿電流傳感單元包括兩個電 流傳感頭,第一電流傳感頭由沿光路方向依次分布的第一輸入準(zhǔn)直器、第一起偏器、第一磁光元 件、第一檢偏器、第一平行分量輸出準(zhǔn)直器和第一垂直分量輸出準(zhǔn)直器組成;第二電流傳感頭由沿光路方向依次分布的第二輸入準(zhǔn)直器、第二起偏器、第二磁光元件、第二檢偏器、第二平行分 量輸出準(zhǔn)直器和第二垂直分量輸出準(zhǔn)直器組成;針電流傳感頭的輸入準(zhǔn)直器接光源,輸出準(zhǔn)直 器經(jīng)光纖、光纜接光電處理單元的輸入端;所述兩個電流傳感頭的磁光元件對稱分布在通流導(dǎo)體 的兩側(cè),它們的通光方向相互平行并與通流導(dǎo)體相垂直,二者材料不同,且費爾德常數(shù)的比f直與 溫度之間具有單調(diào)的函數(shù)關(guān)系。
上述光學(xué)電流傳自,所述電流傳感頭的磁光元件為薄片狀,其通光長度小于l咖。 上述光學(xué)電流傳感器,所述電流傳感頭的磁光元件的費爾德常數(shù)大于1(Trad/A 。 本實用新型釆用對稱分布于通流導(dǎo)體兩頂啲雙電流傳感頭對高壓電流戰(zhàn)行觀糧,通31)(寸傳感 變比和 鵬因子之間的關(guān)系進(jìn)行精確標(biāo)定,可實時補(bǔ)徵驢對費爾德常數(shù)的影響;電流傳感頭的 磁光元件采用薄片式結(jié)構(gòu),有效降低了材料中的線性雙折射對測量結(jié)果的影響;采用高費爾德常 數(shù)的磁光元件,可提高測量的靈每娘。本實用新型不需要引入外部標(biāo)準(zhǔn)參考源就可補(bǔ)償ag對費 爾德常數(shù)的影響,不僅具有長期運(yùn)行穩(wěn)定性和高測量準(zhǔn)確度,而且體積小、易于加工、適合批量 生產(chǎn)。以下結(jié)合附圖對本實用新型進(jìn)一步說明。
圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖2為電流傳感頭的結(jié)構(gòu)圖3為低壓側(cè)光電處理單元的原理結(jié)構(gòu)圖4為本實施例中光學(xué)電流傳感器的線性度標(biāo)定過程圖5為本實施例中光學(xué)電流傳感器的溫度補(bǔ)償曲線標(biāo)定過程圖6為本實施例中光學(xué)電流傳感器的實時測量溫度補(bǔ)償過程圖。
圖中各標(biāo)號為1、通流導(dǎo)體,2、電流傳感單元,3、第一電流傳感頭,4、第二電流傳感頭, 5、光纖束,6、絕緣子,7、底座,8、光纖連接器,9、光纜,10、光電處理單元,11、第一輸入 準(zhǔn)直器,12、第一起偏器,13、第一磁光元件,14、第一檢偏器,15、第一平行分量輸出準(zhǔn)直器,16、第一垂直分量輸出準(zhǔn)直器,17、第二輸入準(zhǔn)直器,18、第二起偏器,19、第二磁光元件,20、 第二檢偏器,21、第二平行分量輸出準(zhǔn)直器,22、第二垂直分量輸出準(zhǔn)直器。
文中所用符號AXT)、第一電流傳感頭傳感變比,AS(T)、第二電流傳感頭傳感變比,尸m、尸02、 輸入光強(qiáng),A、第一電流傳感頭平行分量輸出光,尸21、第二電流傳感頭平行分量輸出光,仏、A 經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和處理后輸出的電壓信號,A、 A經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和處理后輸出的電壓信號,A、第一電 流傳感頭垂直分量輸出光,A、第二電流傳感頭垂直分量輸出光,"2、 /L經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和處理后輸
出的電壓信號,&、 A經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和處理后輸出的電壓信號,《(:r)、溫度因子,K(T)、第一磁
光元件費爾德常數(shù),K(T)、第二磁光元件費爾德常數(shù),義、第一磁光元件的通光長度,;第 二磁光元件的通光長度,六被測電流,A、輸入光強(qiáng),~第一磁光元件法拉第旋轉(zhuǎn)角,^ 第二磁光元件法拉第旋轉(zhuǎn)角,St、線性雙折射,T、溫度,u。、真空磁導(dǎo)率,h、電流傳感頭與電 流導(dǎo)體中心的間距,B、 h處電流i產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度,H、 h處電流i產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度,《、第 一電流傳感頭平行分量傳感通道的轉(zhuǎn)換系數(shù),l第二電流傳感頭平行分量傳感鵬的轉(zhuǎn)換系數(shù),
f、第一電流傳感頭垂直分量傳感通道的轉(zhuǎn)換系數(shù),y 2'、第二電流傳感頭垂直分量傳感通道的
轉(zhuǎn)換系數(shù),瓜調(diào)制度,A、電流的標(biāo)準(zhǔn)值。
具體實施方式
本實用新型傳感單元2的兩個磁光元件13、 19材料不同(材料相同就無法鵬補(bǔ)償了,溫度 因子將沒意義),為薄片式,具有高費爾德常數(shù)(為了提高測量靈每娘,i^寸于精度很重要);同 時選擇兩個磁光元件13、 19材料,使兩個費爾德常數(shù)的比值與溫度之間具有單調(diào)的函數(shù)關(guān)系;溫 度補(bǔ)償方飽括下列步驟
1、 在實驗室將標(biāo)準(zhǔn)測量通道和本實用新型提出的光學(xué)電流傳感器串聯(lián)接入同一個電流回路, 由標(biāo)準(zhǔn)測M道^i共電流的標(biāo)準(zhǔn)值A(chǔ) 。
2、 計算兩個傳感鵬的傳感變比
"11 " 12"22 — "21
"u、 i&分別為兩個電流傳感頭平行分量輸出光A、尸21經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和處理后輸出的電壓信號;
"12、 &分別為兩個電流傳感頭垂直分量輸出光月2、尸22經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和處理后輸出的電壓信號。
3、 計算MS因子《(r)=《(T)/尼(T)。
g(r)反映傳感單元的^^信息,和兩個磁光元件13、 19費爾德常數(shù)"T)、 K(T)的關(guān)系為 g(r) = K(T)*厶/( h(T)氺力),義、厶分別為磁光元件13、 19的通光長度,二者相等時, 兩個磁光元件13、 19費爾德常數(shù)K(T)、 K(T)的比值即為《(T)。
4、 將本實用新型提出的光學(xué)電流傳感器的傳感單元2放入溫控箱,依據(jù)電子式電流互感器國 際標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-8和電子式互感器國家標(biāo)準(zhǔn),對光學(xué)電流傳感器施加升溫-降溫-升溫的M^循 環(huán),在實驗室對AXT) — g(r)和&(T)—g(r)進(jìn)行標(biāo)定。
5、 實時測量時計算《(r戶11 一 12承J"~^,由標(biāo)定曲線《(T)一《(r)和&(T)—g(r)
"11 "12 "22 I "21
給出實際的變比A(T)、 A(T),計算被測電流
或?qū)Χ哌M(jìn)行數(shù)字平均可以進(jìn)一步提高測量精度
>丄*麵* ^ii^贈)* ^Zi^L )
2 "11 I "12 "22 I "21
由于傳感單元中的磁光元件為薄片式,材料中的線性雙折射可以忽略,可利用本實用新型所 述的定標(biāo)方法補(bǔ)償驢對費爾德常數(shù)的影響。
為說明線性雙折射的影響,假設(shè)磁光元件13為條狀,其通光長度大于通流導(dǎo)體1的直徑,考 慮較大的統(tǒng)性雙折射時,其輸出為
11 2 《
12 2 ^凡、/L分別為平行分量和垂直分量的f俞出光強(qiáng);^為輸入光強(qiáng);^為與電流成正比的法fe^ 旋轉(zhuǎn)角;S激性雙折射。
可以看出線性雙折射的存在降低傳感靈敏度,帶來較大誤差。線性雙折射是由于磁光 元件在受熱或冷卻過程中內(nèi)應(yīng)力分布不均勻引起的,磁光元件為溫度的不良導(dǎo)體,在溫度 變化過程中材料沿光路方向產(chǎn)生溫差引起內(nèi)應(yīng)力分布不均勻。線性雙折射具有不確定性, 難以進(jìn)行標(biāo)定補(bǔ)償。
因為線性雙折射與材料沿光路方向的長度成正比,所以本實用新型提出的薄片式材料 (長度〈lmm)可以看作一個空間微元,線性雙折射可以忽略。為保證靈敏度,選擇高費爾 德常數(shù)的磁光元件(一般大于10—3rad/A)。
忽略線性雙折射的影響,ms對本實用新型電流傳感頭的影響主要是弓胞磁光元件菲爾德常 數(shù)變化。磁光元件的法fe^旋轉(zhuǎn)角與電流成正比
《=r (r風(fēng)=k (7>0叫=& (2>0 ^
式中,K (T)、 V2 (T)為磁光元件的費爾德常數(shù),是溫度T的函數(shù);i為待測電流;U。為真
空磁導(dǎo)率;h為電流傳感頭3, 4與電流導(dǎo)體1中心的間距;B和H為h處電流i產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng) 度和磁場強(qiáng)度;負(fù)號代表方向相反。
費爾德常數(shù)隨fig變化具有確定的關(guān)系,可以通過實驗室標(biāo)定來補(bǔ)償。
本實用新型傳感單元體積小、易于加工、適合批量生產(chǎn),雙電流傳感頭互為備用,可靠性高。 可以采用數(shù)字平均方法提高測量精度。
本實用新型可以進(jìn)行傳感fflit參數(shù)不一致變化實時校正。
當(dāng)各電流傳感頭平行分量和垂直分量傳感M參數(shù)不一致時,電流傳感頭平行分量輸出光A、 尸a經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和處理后輸出的電壓信號"u、 &,垂直分量輸出光/^、尸22經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和處理后輸 出的電壓信號&'、化2'分別為<formula>formula see original document page 8</formula>
《、尼、《'、《'分別為電流傳感頭3、 4平行分量和垂直分量傳感通道的轉(zhuǎn)換系數(shù), 和光電檢測器參數(shù)及各光學(xué)器件的耦合情況有關(guān)。
正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時,e" ^反映交流電流i的變化,所以以上四式中第2項為交流分量,
第l項為直流分量,分別設(shè)為 "11DC人 "12DC 、 "21DC 、 ^^22DC o 令
貝盹流傳感頭平行分量仏、^分另鵬垂直分量"2、 ^具有相同的傳感鵬轉(zhuǎn)換系數(shù),稱為通
道具有一致性,即鵬配平。通道配平后才可以依據(jù)差除和運(yùn)算求解電流i:《(T)*
<formula>formula see original document page 8</formula>或i=^(T)* ^丄或i」*a(T)* ^~~^+&(T)* ^^2M。差除和運(yùn)算用于消除
光源光強(qiáng)波動的影響,同時又能解調(diào)暫態(tài)故障時電流的直流分量。
本實用新型還可以減少相鄰相通流導(dǎo)體在暫態(tài)故障大電流時的電磁干擾影響。 電流傳感頭和相鄰相通流導(dǎo)體的距離相等,所受的電磁干擾可看做共模分量,采用求
差運(yùn)算即可抑制。
參看圖l,本實用新型提出的光學(xué)電流傳感器系統(tǒng)包括高壓側(cè)電流傳感單元2、低壓
側(cè)光電處理單元IO、光纖束5和光纜9。光纖束5置于絕緣子6中,通過底座7中的光纖 連接器8和光纜9耦合,光纖束5和光纜9用于傳輸光信號。使用時通流導(dǎo)體l與被測電流導(dǎo)體相連,本實用新型中通流導(dǎo)體l為銅棒。傳感單元2通過絕緣物體固定在通流導(dǎo)體 1上。高壓側(cè)的兩個電流傳感頭3、 4共同構(gòu)成傳感單元2。低壓側(cè)光電處理單元10完成 光電轉(zhuǎn)換、電流信號解調(diào)和溫度補(bǔ)償算法。
參看圖2,兩個電流傳感頭中沿光路方向依次分別分布有輸入準(zhǔn)直器11或17、起偏器12或18、 磁光元件13或19、檢偏器14或20、平行分量輸出準(zhǔn)直器15或21、垂直分量輸出準(zhǔn)直器16或 22;兩個磁光元件13和19材料不同(材料相同就無法f鵬補(bǔ)償了,》鵬因子將沒意義),設(shè)計成 薄片式以抑制線性雙折射的影響,選擇具有高費爾德常數(shù)以期獲得高靈敏度,對稱分布在通流導(dǎo) 體1的兩側(cè),二者通光方向相互平行且與通流導(dǎo)體1相垂直;選擇兩個磁光元件使兩個費爾德常 數(shù)的比值與ag之間具有單調(diào)的函數(shù)關(guān)系,以便進(jìn)行纟鵬補(bǔ)償。磁光元件可采用石榴石晶體(因 其具有高費爾德常數(shù)),截面可以是方形也可以是圓形。磁光元件可選擇稀土鐵石榴石類材料,如 釔鐵石榴石晶體Y3FeA2(YIG)和各種摻雜的釔鐵石榴石晶體,包括鉍摻雜YIG (Bi: YIG)、 禮摻雜YIG (Gd: YIG)、雙摻雜YIG (BiGd: YIG)等。本實施例中磁光元件13為YIG (韋乙鐵 石權(quán)石晶體),截面積為1咖2方形,通光長度為0.5咖;磁光元件19為Gd:YIG (軋摻雜的銳鐵石 榴石晶體),截面積為1咖2方形,通光長度為0.1咖。
由光纖束5進(jìn)入電流傳感頭3、 4的輸入光尸M、尸。2經(jīng)輸入準(zhǔn)直器11、 17變?yōu)槠叫泄猓?起偏器12、 18將平行光變?yōu)榫€偏振光,根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)原理,在通流導(dǎo)體1產(chǎn)生的 磁場作用下,線偏振光通過磁光元件13、 19后其偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)的角度稱為法 拉第旋轉(zhuǎn)角^、 ^,與電流成比例
2油
& = r2 (r)(一邵2 = r2 (r)//。(-邵2 = -r2 (r)A。 ^ /2 。
檢偏器14、 20的兩個透光軸與起偏器12、 18的透光軸之間的夾角分別為±45° ,將 角度值轉(zhuǎn)化為平行分量輸出光強(qiáng)尸u、 ^和垂直分量輸出光強(qiáng)/i2、尸22:
尸廣,(l + sin2《)
9<formula>formula see original document page 10</formula>尸u、尸21和尸12、尸22經(jīng)平行分量輸出準(zhǔn)直器15、 21和垂直分量輸出準(zhǔn)直器16、 22耦合進(jìn) 入光纖束5。
參看圖3,低壓側(cè)光電處理單元包括光源和信號處理部分。本實施例中光源采用波長 為1550 nm的激光器(LD),光源驅(qū)動電路為恒流輸出以減少光強(qiáng)的波動。信號處理部分 包括四個光電檢測器、四個前置放大和濾波電路和數(shù)字處理系統(tǒng)。數(shù)字處理系統(tǒng)由微處理 器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、存儲模塊、顯示模塊和通信模塊構(gòu)成。
光源發(fā)出的光經(jīng)過光纜9傳送到底座7的光纖連接器8,經(jīng)分光后分別由光纖束5中 的兩根上行光纖傳送到傳感單元2,成為電流傳感頭3、 4的輸入光^、尸。2。
由傳感單元2輸出的四路光信號尸u、尸21和尸12、尸22經(jīng)光纖束5和光纜9傳送給四個光 電檢測器,光電檢測器將光信號轉(zhuǎn)換為和光強(qiáng)成比例的電信號,再經(jīng)過前置放大和濾波后 輸出電壓信號"u、 "21和"12、 "22。數(shù)字處理系統(tǒng)將"u、 "21和化、"22進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,由微 處理器對相應(yīng)的數(shù)字信號進(jìn)行電流信息的解調(diào)和溫度補(bǔ)償算法,并完成信息的存儲、顯示 和通信功能。微處理器可以采用DSP芯片,也可以采用工控機(jī)。
參看圖4,光學(xué)電流傳感器在出廠試驗之前完成實驗室標(biāo)定工作。具體的標(biāo)定內(nèi)容包 括線性度標(biāo)定和溫度補(bǔ)償曲線標(biāo)定。
調(diào)節(jié)大電流信號發(fā)生器,使待測電流在額定值的5% 120%范圍內(nèi)變化,標(biāo)準(zhǔn)測量通道 和光學(xué)電流傳感器同步測量,對光學(xué)電流傳感器進(jìn)行線性度標(biāo)定。具體歩驟如下 (1)由標(biāo)準(zhǔn)測量通道的輸出乘以標(biāo)準(zhǔn)通道的變比計算電流的標(biāo)準(zhǔn)值力
標(biāo)準(zhǔn)通道的各部件需要經(jīng)過嚴(yán)格的溯源,而且標(biāo)準(zhǔn)通道的精度必須滿足微小誤差原則, 即與被校驗測量通道的測量誤差相比可以忽略,則標(biāo)準(zhǔn)通道的測量結(jié)果可作為"真值"來
10對待。在本實施例中,標(biāo)準(zhǔn)通道的整體測量誤差不大于被校驗通道的測量誤差的五分之一。 (2)由信號處理單元計算光學(xué)電流傳感器的調(diào)制度
每個電流傳感頭作為檢偏器的偏振棱鏡的兩個透光軸與起偏器的透光軸之間的夾角分 別為±45° ,由信號處理單元測得電流傳感頭3、 4的輸出信號分別為(" 、 "2)和(&、 〃22),求得調(diào)制度見'
附j(luò)
附2
一 w12
+ "12
—M21
"21+ M22
(3)光學(xué)電流傳感器各傳感通道的變比為 訓(xùn)=仏
&(T)=_/y處
參看圖5,將光學(xué)電流傳感器的傳感單元2放入溫控箱,依據(jù)電子式電流互感器國際 標(biāo)準(zhǔn)iec60044-8和電子式互感器國家標(biāo)準(zhǔn),對光學(xué)電流傳感器施加升溫-降溫-升溫的溫 度循環(huán),對光學(xué)電流傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償曲線標(biāo)定。具體步驟如下
(1) 對于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各溫度點重復(fù)圖4中的各步驟,計算傳感通道的變比A^(r)和 ^(r )。
(2) 計算溫度因子g(r) = a(t則t)。
(3) 在實驗室對a(t)—和&(t)—進(jìn)行標(biāo)定。
參看圖6, (1)由信號處理單元測得電流傳感頭3、 4的輸出信號分別為("n、
和("21、 "22),實時計算《(r" ^i^*^z^l。
(2) 由標(biāo)定曲線《(t)一g(r)和&(t)--《("給出實際的變比a(t)、 ^(t)。
(3) 計算被測電流
聘)* ^~~^或>柳*或 <formula>formula see original document page 12</formula>
權(quán)利要求1、一種光學(xué)電流傳感器,其特征是,它由電流傳感單元(2)和光電處理單元(10)組成,所述電流傳感單元(2)包括兩個電流傳感頭,其中,第一電流傳感頭(3)由沿光路方向依次分布的第一輸入準(zhǔn)直器(11)、第一起偏器(12)、第一磁光元件(13)、第一檢偏器(14)、第一平行分量輸出準(zhǔn)直器(15)和第一垂直分量輸出準(zhǔn)直器(16)組成;第二電流傳感頭(4)由沿光路方向依次分布的第二輸入準(zhǔn)直器(17)、第二起偏器(18)、第二磁光元件(19)、第二檢偏器(20)、第二平行分量輸出準(zhǔn)直器(21)和第二垂直分量輸出準(zhǔn)直器(22)組成;每個電流傳感頭的輸入準(zhǔn)直器接光源,輸出準(zhǔn)直器經(jīng)光纖、光纜接光電處理單元(10)的輸入端;所述兩個電流傳感頭的磁光元件對稱分布在通流導(dǎo)體(1)的兩側(cè),它們的通光方向相互平行并與通流導(dǎo)體(1)相垂直,兩者材料不同,且兩者費爾德常數(shù)的比值與溫度之間具有單調(diào)的函數(shù)關(guān)系。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述光學(xué)電流傳感器,其特征是,所述電流傳感頭的磁光元件為薄片狀,其通光長度小于l咖。
3、 根據(jù)權(quán)禾腰求l所述光學(xué)電流傳繊,其特征是,所述電流傳感頭的磁光元件的費爾德常數(shù)大于10—3rad/A。
專利摘要一種光學(xué)電流傳感器,屬測量技術(shù)領(lǐng)域,用于解決高壓電流測量問題。其技術(shù)方案是它由電流傳感單元和光電處理單元組成,所述電流傳感單元包括兩個電流傳感頭,兩個電流傳感頭的磁光元件為薄片式,對稱分布在通流導(dǎo)體的兩側(cè),它們的通光方向相互平行并與通流導(dǎo)體相垂直,二者材料不同,且費爾德常數(shù)的比值與溫度之間具有單調(diào)的函數(shù)關(guān)系。本實用新型不需要引入外部標(biāo)準(zhǔn)參考源就可補(bǔ)償溫度對費爾德常數(shù)的影響,不僅具有長期運(yùn)行穩(wěn)定性和高測量準(zhǔn)確度,而且體積小、易于加工、適合批量生產(chǎn)。
文檔編號G01R15/24GK201281724SQ20082010564
公開日2009年7月29日 申請日期2008年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月28日
發(fā)明者于文斌, 尚秋峰, 張國慶, 楊以涵, 王貴忠, 郭志忠 申請人:華北電力大學(xué)(保定)