光學(xué)電流互感器的固定裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種固定裝置，用于將光學(xué)電流互感器的互感單元安裝到導(dǎo)線上。該固定裝置包括：安裝容器，具有彼此垂直的第一臂和第二臂，在第一臂上具有容納導(dǎo)線的凹槽，在第二臂與所述凹槽相反的一側(cè)上具有用于安裝所述互感單元的空腔，其中，所述互感單元被安裝在空腔內(nèi)，使得該互感單元中的磁感應(yīng)介質(zhì)的光軸與導(dǎo)線中的電流方向垂直；至少一個(gè)夾具，用于將導(dǎo)線固定到凹槽上。
【專利說明】光學(xué)電流互感器的固定裝置
[0001]本申請是申請日為2012年8月29日，申請?zhí)枮?01280001221.X，發(fā)明名稱為“電
流測量系統(tǒng)、光學(xué)電流互感器和固定裝置、以及光信號采樣器及其方法”的發(fā)明專利申請的分案申請。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及智能電網(wǎng)的領(lǐng)域，并且更具體地涉及一種用于在智能電網(wǎng)中測量導(dǎo)線(例如，輸電線)中的電流的電流測量系統(tǒng)、在該電流測量系統(tǒng)中使用的光學(xué)電流互感器和光信號采樣器、用于將光學(xué)電流互感器固定到導(dǎo)線上的固定裝置、以及對應(yīng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]在電網(wǎng)中，出于各種目的而需要測量輸電線中的電流。在傳統(tǒng)的電流測量系統(tǒng)中，使用電磁式電流互感器來進(jìn)行電流的測量。然而，電磁式電流互感器存在著諸如絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、安全性能低等缺陷。因此，提出了基于光學(xué)電流互感器的電流測量系統(tǒng)。光學(xué)電流互感器利用法拉第效應(yīng)來進(jìn)行電流的測量，即，利用輸電線中的電流產(chǎn)生的磁場產(chǎn)生與該電流對應(yīng)的光信號，并且通過對該光信號進(jìn)行采樣和處理，來確定所述電流。與電磁式電流互感器相比，光學(xué)電流互感器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性好、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]然而，在傳統(tǒng)的基于光學(xué)電流互感器的電流測量系統(tǒng)中，用于對光信號進(jìn)行采樣的光信號采樣器存在采樣精度低以及相位誤差大等問題，這限制了這種電流測量系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。因此，需要一種新的電流測量系統(tǒng)，其能夠以較高的精度和較小的相位誤差來測量傳輸線路中的電流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]考慮到以上問題而做出了本發(fā)明。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種電流測量系統(tǒng)，其能夠提高對光學(xué)電流互感器輸出的光信號進(jìn)行采樣時(shí)的采樣精度以及減小相位誤差，從而以較高的精度測量導(dǎo)線中的電流。本發(fā)明的另一目的是提供在所述電流測量系統(tǒng)中使用的光學(xué)電流互感器及其固定裝置、光信號采樣器以及對應(yīng)的方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于測量導(dǎo)線中的電流的電流測量系統(tǒng)，包括:光學(xué)電流互感器，利用所述電流產(chǎn)生的磁場，產(chǎn)生與該電流相對應(yīng)的光信號；光信號米樣器和控制器，所述光信號采樣器包括:光電轉(zhuǎn)換接口單元，將所述光信號轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號包括直流分量信號和交流分量信號；直流分量處理單元，從所述電信號中提取直流分量信號；交流分量處理單元，通過將所述電信號與所述直流分量信號相減，從所述電信號中提取交流分量信號；和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，將所述交流分量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字交流分量信號；所述控制器將所述數(shù)字交流分量信號乘以校正系數(shù)，從而獲得所述電流的測量值。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種光學(xué)電流互感器，用于產(chǎn)生與導(dǎo)線中的電流相對應(yīng)的光信號，該光學(xué)電流互感器包括:光發(fā)射器，發(fā)射沿第一方向傳播的光；互感單兀，包括:第一偏振器，其光軸處于第一方向上，所述光穿過該第一偏振器以成為線偏振光；第一反射器，將所述線偏振光從第一方向反射到第二方向；磁感應(yīng)器件，被布置在所述磁場中，其光軸處于第二方向上，所反射的光穿過該磁感應(yīng)器件，使得偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)；第二反射器，將從磁感應(yīng)器件出射的光從第二方向反射到第三方向上；以及第二偏振器，其光軸處于第三方向上，所反射的線偏振光穿過該第二偏振器作為所述光信號；其中所述第一偏振器和所述第二偏振器的偏振方向的夾角為45°，并且所述第二方向與所述第一方向和所述第三方向不同。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了 一種光信號采樣器，用于對光信號進(jìn)行采樣，該光信號采樣器包括:光電轉(zhuǎn)換接口單元，將所述光信號轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號包括直流分量信號和交流分量信號；直流分量處理單元，從所述電信號中提取直流分量信號；交流分量處理單元，通過將所述電信號與所述直流分量信號相減，從所述電信號中提取交流分量信號；和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，將所述交流分量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字交流分量信號。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種固定裝置，用于將光學(xué)電流互感器的互感單元安裝到導(dǎo)線上，該固定裝置包括:安裝容器，具有彼此垂直的第一臂和第二臂，在第一臂上具有容納導(dǎo)線的凹槽，在第二臂與所述凹槽相反的一側(cè)上具有用于安裝所述互感單元的空腔，其中，所述互感單元被安裝在空腔內(nèi)，使得該互感單元中的磁感應(yīng)介質(zhì)的光軸與導(dǎo)線中的電流方向垂直；以及至少一個(gè)夾具，用于將導(dǎo)線固定到凹槽上。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種光信號的采樣方法，用于對光信號進(jìn)行采樣，該光信號采樣方法包括:將所述光信號轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號包括直流分量信號和交流分量信號；從所述電信號中提取直流分量信號；通過將所述電信號與所述直流分量信號相減，從所述電信號中提取交流分量信號；和將所述交流分量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字交流分量信號。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]通過結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它目的、特征、優(yōu)點(diǎn)將會變得更加清楚，其中:
[0012]圖1是法拉第效應(yīng)的示意圖；
[0013]圖2是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電流測量系統(tǒng)的框圖。
[0014]圖3是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光學(xué)電流互感器的圖。
[0015]圖4是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光學(xué)電流互感器的圖。
[0016]圖5是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的光學(xué)電流互感器的圖。
[0017]圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光信號采樣器的框圖。
[0018]圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光信號采樣器的示例電路圖。
[0019]圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于將光學(xué)電流互感器中的互感單元固定到導(dǎo)線上的固定裝置的整體透視圖。
[0020]圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固定裝置的局部放大圖。
[0021]圖10是圖9所示的互感單元安裝容器從斜上方看時(shí)的透視圖。
[0022]圖11是圖9所示的互感單元安裝容器從斜下方看時(shí)的透視圖。
[0023]圖12是安裝了互感單元的互感單元安裝容器從斜下方看時(shí)的透視圖。
[0024]圖13是圖9所示的夾具的透視圖。[0025]圖14是圖9所示的固定片的透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面將參照附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的參考標(biāo)號自始至終表示相同的元件。
[0027]首先，簡要說明本發(fā)明的原理。
[0028]本發(fā)明利用了法拉第效應(yīng)。圖1是法拉第效應(yīng)的示意圖。具體地，當(dāng)線偏振光在介質(zhì)中傳播時(shí)，若平行于光的傳播方向?qū)υ摻橘|(zhì)施加磁場，貝1J光的偏振方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，且偏轉(zhuǎn)角度β與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光在磁場中穿越介質(zhì)的長度d的乘積成正比，SPβ =VXBXd,比例系數(shù)V稱為費(fèi)爾德常數(shù)，其與介質(zhì)性質(zhì)及光的頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)的方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向。
[0029]當(dāng)交流電流在導(dǎo)線(例如電網(wǎng)中的輸電線)中流動時(shí),在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生交變磁場，并且該交變磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨著導(dǎo)線中的交流電流線性變化。本發(fā)明利用這一磁場，基于法拉第效應(yīng)而產(chǎn)生與導(dǎo)線中的電流對應(yīng)的光信號。
[0030]具體地，使光發(fā)射器發(fā)出的光經(jīng)過第一偏振器(起偏器)，以成為線偏振光(其光強(qiáng)設(shè)為Itl),并且使該線偏振光沿著磁場方向穿過磁感應(yīng)介質(zhì)，使得其偏振方向偏轉(zhuǎn)角度β。然后，使從磁感應(yīng)介質(zhì)出射的光穿過第二偏振器(檢偏器)。假設(shè)第一偏振器與第二偏振器的透光軸之間的夾角為Θ，則根據(jù)馬呂斯定律，從第二偏振器出射的光的強(qiáng)度I為:
[0031]I=10Cos2 ( θ + β ) (I)
[0032]當(dāng)θ=π/4時(shí)，上式(I)可以寫為:
[0033]I=10Cos2 (31 /4+ β ) =0.5X 10 (l-sin2 β ) (2)
[0034]由于通常偏轉(zhuǎn)角度β很小，因此可以將上式(2)簡化為
[0035]1=0.5X10(l-sin2^ ) ^ 0.5X 10(1-2 β ) =0.510-10(VXBXd) (3)
[0036]根據(jù)式(3)可知，出射光的光強(qiáng)I包括恒定部分(0.5IJ和隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度B線性變化的變化部分(-1tl (VXBXd))。由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B與導(dǎo)線中的電流成正比，因此，出射光包括光強(qiáng)恒定的第一光信號分量和光強(qiáng)隨著導(dǎo)線中的電流線性變化的第二光信號分量。
[0037]通過出射的光信號轉(zhuǎn)換為電信號(例如電壓信號)，可以獲得包括與第一光信號分量對應(yīng)的直流分量信號和與第二光信號分量相對應(yīng)的分量信號的電信號，其中，所述交流分量信號隨著導(dǎo)線中的交流電流而線性變化。繼而，通過從電信號中提取所述交流分量信號并且將其乘以校正系數(shù)，可以確定導(dǎo)線中的交流電流。
[0038]下面，參照附圖來描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電流測量系統(tǒng)。
[0039]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電流測量系統(tǒng)的框圖。如圖2所示，電流測量系統(tǒng)10包括光學(xué)電流互感器11、光信號米樣器12和控制器13。
[0040]光學(xué)電流互感器11利用在導(dǎo)線中傳輸?shù)碾娏鳟a(chǎn)生的磁場，產(chǎn)生與該電流相對應(yīng)的光信號。如上文所述，該光信號包括光強(qiáng)恒定的第一光信號分量和光強(qiáng)隨著導(dǎo)線中的交流電流線性變化的第二光信號分量。
[0041]光信號采樣器12將光學(xué)電流互感器11輸出的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號包括與第一光信號分量對應(yīng)的直流分量信號和與第二光信號分量相對應(yīng)的交流分量信號。所述電信號優(yōu)選為電壓信號。然后，光信號采樣器12從電信號中提取所述交流分量信號。優(yōu)選地，光信號采樣器12將所提取的交流分量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字交流信號。
[0042]控制器13將所述數(shù)字交流信號乘以校正系數(shù)，從而獲得在導(dǎo)線中傳輸?shù)碾娏鞯臏y量值。
[0043]下面，首先詳細(xì)描述光學(xué)電流互感器11。
[0044]圖3示出了光學(xué)電流互感器11的第一實(shí)施例。如圖3所示，光學(xué)電流互感器11包括光發(fā)射器111、第一光纖112、第一準(zhǔn)直透鏡113、第一偏振器114、磁感應(yīng)介質(zhì)115、第二偏振器116、第二準(zhǔn)直透鏡117和第二光纖118。
[0045]第一準(zhǔn)直透鏡113、第一偏振器114、磁感應(yīng)器件115、第二偏振器116和第二準(zhǔn)直透鏡117的光軸在同一條直線上。第一光纖112—端稱合到光發(fā)射器111,另一端位于第一準(zhǔn)直透鏡113的焦點(diǎn)處或焦點(diǎn)附近，第二光纖118 —端位于第二準(zhǔn)直透鏡117的焦點(diǎn)處或焦點(diǎn)附近，另一端連接到光信號采樣器12。[0046]光發(fā)射器111可以是本領(lǐng)域常用的光源，其發(fā)射光束，該光束被稱合到第一光纖112中。第一光纖112將該光束傳導(dǎo)到第一準(zhǔn)直透鏡113的焦點(diǎn)處或焦點(diǎn)附近。第一準(zhǔn)直透鏡113將從第一光纖112出射的光束準(zhǔn)直為平行光束。該平行光束穿過第一偏振器114,從而成為線偏振的平行光。
[0047]磁感應(yīng)器件115被置于導(dǎo)線中的電流所產(chǎn)生的磁場內(nèi)，并且其光軸與磁場方向平行，使得所述線偏振光沿著磁場方向(光軸方向)穿過磁感應(yīng)器件115。磁感應(yīng)器件115例如可以是由菲爾德常數(shù)較大并且溫度穩(wěn)定性好的磁光材料制成的棒狀器件，例如由稀土玻璃制成的玻璃棒。如上文所述，根據(jù)法拉第效應(yīng)，穿過磁感應(yīng)器件115的線偏振光的偏振方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)。
[0048]從磁感應(yīng)器件115出射的光穿過第二偏振器116。如上文所述,相對于從第一偏振期間114出射的光束，從第二偏振器116出射的光束光強(qiáng)發(fā)生了變化，從而形成與導(dǎo)線中的電流對應(yīng)的光信號，該光信號包括光強(qiáng)恒定的第一光信號分量和光強(qiáng)隨著導(dǎo)線中的交流電流線性變化的第二光信號分量。
[0049]所述光束(光信號)被第二準(zhǔn)直透鏡117會聚到其焦點(diǎn)處或者焦點(diǎn)附近，從而被耦合到第二光纖118中。第二光纖118繼而將該光信號傳導(dǎo)到光信號采樣器12。
[0050]可以將第一和第二準(zhǔn)直透鏡、第一和第二偏振器以及磁感應(yīng)器件封裝在一起，以形成互感單元，并且第一光纖和第二光纖分別從互感單元的兩側(cè)伸出。例如，可以使用由優(yōu)選地耐高溫耐腐蝕不透光的透磁材料(例如工程塑料PEEK、ABS等)制成的外殼來進(jìn)行這一封裝。該外殼可以是圓柱體或長方體。該互感單元被布置為使得導(dǎo)線中的電流產(chǎn)生的磁場的方向與磁感應(yīng)器件的光軸方向相同，換言之，使得導(dǎo)線與磁感應(yīng)器件的光軸垂直?？梢允褂酶鶕?jù)本發(fā)明實(shí)施例的固定裝置將所述互感單元固定到導(dǎo)線上。稍后將詳細(xì)描述這一固定
>j-U ρ?α裝直。
[0051]在本實(shí)施例中，由于第一和第二準(zhǔn)直透鏡、第一和第二偏振器以及磁感應(yīng)器件的光軸在同一條直線上，這使得光學(xué)電流互感器(具體地，互感單元)在磁感應(yīng)器件光軸方向上的尺寸較大。為了減小這一尺寸，提出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例和第三實(shí)施例的光學(xué)電流互感器。
[0052]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光學(xué)電流互感器11。該光學(xué)電流互感器與圖3所示的光學(xué)電流互感器大部分相同。在這里，為簡單起見，僅描述二者的不同之處。[0053]除了圖3所示的各個(gè)組件以外，根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光學(xué)電流互感器11 (在互感單元中)還包括第一反射器119和第二反射器120。在本實(shí)施例中，第一準(zhǔn)直透鏡113和第一偏振器114的光軸處于第一方向(同一直線上)，磁感應(yīng)器件115的光軸(即磁場方向)處于第二方向，第二偏振器116和第二準(zhǔn)直透鏡117的光軸處于第三方向(同一直線上)，其中第一方向與第二方向不同，第三方向與第二方向也不同，這使得互感單元的各個(gè)組件的光軸不再處于同一直線上，從而減小了光學(xué)電流互感器(互感單元)在磁感應(yīng)器件的光軸方向上的尺寸。優(yōu)選地，如圖4所不,第一方向和第三方向分別與第二方向垂直,使得準(zhǔn)直透鏡和偏振器的光軸垂直于磁感應(yīng)器件的光軸，以最大程度地減小所述尺寸。
[0054]在本實(shí)施例中，第一反射器119將穿過第一偏振器114的光束的傳播方向從第一方向反射到第二方向上，使得其進(jìn)入磁感應(yīng)器件115。第二反射器120將從磁感應(yīng)器件115出射的光束的傳播方向從第二方向反射到第三方向上，并且穿過第二偏振器116和第二準(zhǔn)直透鏡117，并且被耦合到第二光纖118中。
[0055]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的光學(xué)電流互感器11。該光學(xué)電流互感器與圖4所示的光學(xué)電流互感器區(qū)別在于第一偏振器114與第一反射器119的相對位置以及第二偏振器116和第二反射器120的相對位置。在這里，僅對二者的不同之處進(jìn)行描述。
[0056]在本實(shí)施例中，第一準(zhǔn)直透鏡113的光軸處于第一方向上(同一直線上)，第一和第二偏振器114和116以及磁感應(yīng)器件115的光軸處于第二方向上(同一直線上),第二準(zhǔn)直透鏡的光軸處于第三方向上(同一直線上)，其中第一方向與第二方向不同，第三方向與第二方向也不同。同樣，這減小了互感單元在磁感應(yīng)器件的光軸方向上的尺寸。優(yōu)選地，如圖5所不，第一方向和第三方向分別與第二方向垂直，使得準(zhǔn)直透鏡的光軸與偏振器和磁感應(yīng)器件的光軸垂直，以最大程度地減小所述尺寸。
[0057]在本實(shí)施例中，第一反射器119將從第一準(zhǔn)直透鏡113出射的光束的傳播方向從第一方向反射到第二方向上，使其穿過第一偏振器114、磁感應(yīng)器件115和第二偏振器116。然后，該光束被第二反射器120從第二方向反射到第三方向上，從而穿過第二準(zhǔn)直透鏡117,繼而稱合到第二光纖118中。
[0058]在上文中描述了光學(xué)電流互感器的多個(gè)實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，可以對這些實(shí)施例進(jìn)行各種修改，而不背離本發(fā)明的范圍。例如，在上文中使用了光纖，這是因?yàn)楣饫w具有良好的撓性，并且允許遠(yuǎn)距離傳導(dǎo)光，但是也可以使用其他光傳導(dǎo)介質(zhì)來傳導(dǎo)光。此外，在上述實(shí)施例中使用了第一和第二準(zhǔn)直透鏡，但是在光發(fā)射器發(fā)射平行光的情況下，也可以省略它們之一或全部。此外，在使用線偏振光源的情況下，還可以省略第一偏振器。
[0059]如上所述，光信號采樣器12將光學(xué)電流互感器11輸出的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，從該電信號中提取交流分量信號，并且優(yōu)選地將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字交流信號。下面，參照圖6來描述光信號米樣器12。
[0060]如圖6所不，光信號米樣器12包括光電轉(zhuǎn)換接口單兀121、直流分量處理單兀122、交流分量處理單元123和A/D轉(zhuǎn)換單元124。
[0061]光電轉(zhuǎn)換接口單元121接收第二光纖118傳導(dǎo)的光信號，將該光信號轉(zhuǎn)換為電信號，例如電壓信號，并且將其提供給直流分量處理單元122和交流分量處理單元123。例如，光電轉(zhuǎn)換接口單元121可以包括接收所述光信號并且將其轉(zhuǎn)換為電流信號的光電轉(zhuǎn)換電路(未示出)以及將所述電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的電流電壓轉(zhuǎn)換電路(未示出)。如上文所述，該電信號包括直流分量信號和交流分量信號，其中該交流分量信號與導(dǎo)線(輸電線)中的電流成線性關(guān)系。
[0062]直流分量處理單元122接收所述電信號，并且從該電信號中提取所述直流分量信號。具體地，直流分量處理單元122可以包括濾波電路(未示出)，其通過從所述電信號中濾除交流分量信號來提取直流分量信號。例如，所述濾波電路可以是低通濾波電路，其可以通過將所述電信號中頻率大于IHz的分量濾除來提取直流分量信號。所述直流分量信號被輸出到交流分量處理單元123和A/D轉(zhuǎn)換單元124。
[0063]交流分量處理單元123接收所述電信號和直流分量信號，并且通過從所述電信號中減去直流分量信號而獲得所述交流分量信號。具體地，交流分量處理電路123可以包括差分放大電路(未示出)，用于執(zhí)行上述電信號的相減。優(yōu)選地，該差分放大電路還放大所獲得的交流分量信號。更優(yōu)選地，直流分量處理單元123還可以包括一個(gè)或多個(gè)放大電路，用于進(jìn)一步放大從差分電路輸出的交流分量信號。
[0064]A/D轉(zhuǎn)換單元124將所述交流分量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字交流分量信號，并且將其輸出到控制器13以進(jìn)行后續(xù)處理。在某些情況下，例如在進(jìn)行下文所述的老化校正時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換單元124還可以將所述直流分量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字直流分量信號以供使用。
[0065]圖7示出了光信號采樣器12的一種示例實(shí)現(xiàn)方式。如圖7所示，光電轉(zhuǎn)換接口單元121包括光電轉(zhuǎn)換電路Pl和電流電壓轉(zhuǎn)換電路。光電轉(zhuǎn)換電路Pl可以是光電二極管，其接收第二光纖118傳送的光信號，并且將其轉(zhuǎn)換為電流信號。電流電壓轉(zhuǎn)換電路包括運(yùn)算放大器Ul、電阻器Rl和電容器Cl，其中，電阻器Rl和電容器Cl并聯(lián)連接在運(yùn)算放大器Ul的反相輸入端和輸出端之間，運(yùn)算放大器的同相輸入端接地。該轉(zhuǎn)換電路將所述電流信號轉(zhuǎn)換成具有較大幅值的電壓信號Vtl，其中該電壓信號為直流電壓分量信號Vdc和隨著導(dǎo)線中的電流線性改變的交流電壓分量信號Vac的疊加，即V^Vdc+Vac。
[0066]直流分量處理單元122包括運(yùn)算放大器U4、電阻器R8和R9、電容器C3和C4。電阻器R8和電容器C3被連接以形成第一級低通濾波電路，電阻器R9和電容器C4被連接以形成第二級低通濾波電路。通過適當(dāng)?shù)剡x擇電阻器R8和R9的電阻值以及電容器C3和C4的電容值，可以選擇各個(gè)濾波電路的截止頻率，從而對光電轉(zhuǎn)換接口單元121輸出的電壓信號Vtl進(jìn)行低通濾波，以便濾除該電壓信號中的交流電壓分量信號Vac。在本實(shí)施例中，通過所述濾波電路濾除例如頻率>1Ηζ的交流電壓分量信號，從而保留直流電壓分量信號Vdc。該直流電壓分量信號Udc被施加到運(yùn)算放大器U4的同相端。運(yùn)算放大器U4的反相端與輸出端相連接以形成電壓跟隨器，其將所述直流電壓分量信號Vdc輸出到交流分量處理單元123和A/D轉(zhuǎn)換單元124。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，盡管在本示例使用了兩級低通濾波電路，但是根據(jù)設(shè)計(jì)需要等因素，也可以采用一級或者更多級低通濾波電路。
[0067]交流分量處理電路123包括差分放大電路，并且還優(yōu)選地包括反相濾波放大電路。差分放大電路包括運(yùn)算放大器U2以及電阻器R2、R3、R4和R5，其中R3與R5電阻相等，R2與R4電阻相等。光電轉(zhuǎn)換接口單元121輸出的電信號V。經(jīng)由電阻器R2而輸入到運(yùn)算放大器U2的反相端，直流分量處理單元122輸出的直流電壓分量信號Vdc經(jīng)由電阻器R4而輸入到運(yùn)算放大器U2的同相端。該差分放大電路的輸出(即，運(yùn)算放大器U2的輸出)為:
[0068]^r(K) - vd^) =I 4 )
K，A0[0069]在R3與R2相等的情況下，該差分放大電路通過將所述電壓信號與直流電壓信號相減，獲得交流電壓分量信號。優(yōu)選地，令R3大于R2,使得該差分放大電路放大通過上述相減獲得的交流電壓分量信號。
[0070]反相濾波放大電路包括運(yùn)算放大器U3、電阻器R6和R7以及電容器C2，其中，運(yùn)算放大器U2輸出的交流電壓分量信號經(jīng)由電阻器R6連接到運(yùn)算放大器U3的反相端，U3的同相端接地，電容器C2和電阻器R7并聯(lián)在運(yùn)算放大器U3的反相輸入端和輸出端之間。該反相濾波放大電路用于濾除所述交流電壓分量信號中由于干擾等引起的高頻分量，例如頻率大于5kHz的頻率分量，并且對濾波后的交流電壓分量信號進(jìn)行放大，然后將放大后的交流電壓分量信號(nVac，η為總放大倍數(shù))輸出到A/D轉(zhuǎn)換單元124。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，盡管圖7示出了一個(gè)反相濾波放大電路，但是根據(jù)設(shè)計(jì)需要，也可以不設(shè)置該電路，或者可以設(shè)置更多個(gè)反相濾波放大電路。然而，根據(jù)導(dǎo)線中的電流的大小，應(yīng)當(dāng)合理地選擇差分放大電路和反相濾波放大電路的總放大倍數(shù)n，使得最終輸出的交流電壓分量信號nVac處于A/D轉(zhuǎn)換單元124的轉(zhuǎn)換電壓范圍內(nèi)。
[0071]A/D轉(zhuǎn)換單元124將所述交流電壓分量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字交流分量信號，并將其提供給控制器13。在某些情況下，例如在進(jìn)行下文所述的老化校正時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換單元124還可以將所述直流電壓分量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字直流分量信號以供使用。
[0072]應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，圖7所示的實(shí)現(xiàn)方式僅僅是示例性的，而不是限制性的，除了該實(shí)現(xiàn)方式以外，所述光信號采樣器還可以采用其他實(shí)現(xiàn)方式。例如，在圖7中，盡管運(yùn)算放大器U1、U2和U3的同相端以及電容器C3和C4的一端被示出為接地，但是它們也可以連接到低電壓，例如接近O的電壓。此外，光電轉(zhuǎn)換接口單元、直流分量處理單元和交流分量處理單元也不限于圖7所示的電路，也可以采用其它類型的電路，只要該電路能夠?qū)崿F(xiàn)參照圖6描述的各個(gè)單元的功能即可。
[0073]控制器13將光信號采樣器12輸出的數(shù)字交流分量信號乘以校正系數(shù)，由此獲得導(dǎo)線中的電流的測量值(數(shù)字值)。
[0074]在一個(gè)實(shí)施例中，如下確定校正系數(shù)。具體地，根據(jù)上文所述可知，交流分量處理單元123輸出的交流電壓分量信號隨著導(dǎo)線中的電流線性變化。換言之，該交流電壓分量信號為導(dǎo)線中的電流被放大K倍之后獲得的信號。因此，可以確定導(dǎo)線中的電流與該交流電壓分量信號的比率K，作為所述校正系數(shù)，然后通過將A/D轉(zhuǎn)換單元124輸出的數(shù)字交流分量信號乘以K來求得導(dǎo)線中的電流的測量值(數(shù)字值)。
[0075]由于在電流測量系統(tǒng)安裝完成之后比率K就已經(jīng)被確定且保持不變，因此可以通過以下標(biāo)定過程來預(yù)先確定K:使電流流過導(dǎo)線，然后分別利用經(jīng)過校正的標(biāo)準(zhǔn)電流測量系統(tǒng)和未經(jīng)校正的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電流測量系統(tǒng)來測量該電流；假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)電流測量系統(tǒng)的測量結(jié)果為，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電流測量系統(tǒng)的測量結(jié)果(即，從交流分量處理電路或從A/D轉(zhuǎn)換單元輸出的信號)為I3?，則可替換地，可以使已知的標(biāo)準(zhǔn)電流“_流過導(dǎo)線，然后使用未經(jīng)校正的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電流測量系統(tǒng)來測量該電流，假設(shè)測量結(jié)果(即，從交流分量處理電路或從A/D轉(zhuǎn)換單元輸出的信號)為I3?，則K=i
該校正系數(shù)K可以被預(yù)先存儲在控制器13中。
[0076]在替換實(shí)施例中，除了利用上述K進(jìn)行初步的校正以外，還考慮元件老化對測量結(jié)果造成的影響而對測量結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的校正。具體地，隨著時(shí)間的流逝，電流測量系統(tǒng)中的元件會發(fā)生老化，這使得該系統(tǒng)的測量結(jié)果變得不夠準(zhǔn)確。因此，在每次測量電流時(shí)，還優(yōu)選地進(jìn)行老化校正，以消除元件老化對測量結(jié)果帶來的不利影響。具體地，在每次測量電流時(shí)，控制器13可以計(jì)算從A/D轉(zhuǎn)換單元124輸出的數(shù)字交流分量信號的有效值與數(shù)字直流分量信號的比率，作為用于校正老化影響的系數(shù)K’，然后將所述數(shù)字交流分量信號乘以K和系數(shù)K’，以獲得導(dǎo)線中的電流的測量值。換言之，在本實(shí)施例中，使用K與K’之積作為所述校正系數(shù)。
[0077]通過使用圖6所示的光信號采樣器或者該采樣器使用的光信號采樣方法，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的電流測量系統(tǒng)能夠提高對光學(xué)電流互感器輸出的光信號進(jìn)行采樣時(shí)的采樣精度和減小相位誤差，從而以較高的精度測量導(dǎo)線中的電流。
[0078]下面，將參照圖8描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于將圖3至圖5所示的光學(xué)電流互感器的互感單元安裝到導(dǎo)線(例如，電網(wǎng)中的輸電線)上的固定裝置(圖3至圖5所示的其他部件可以位于該固定裝置之外)。該固定裝置可以由諸如純鐵、低碳鋼、鐵鋁合金、鐵硅合金、鐵鎳合金、鐵鈷合金、鐵氧體材料、鎳、鈷之類的透磁材料制成，以使得磁場能夠透過該裝置而達(dá)到磁感應(yīng)器件處。此外，如上文所述，所述互感單元可以被封裝為圓柱體或長方體以便于安裝。
[0079]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固定裝置的整體透視圖。圖9示出了該固定裝置的局部放大圖。如圖8和圖9所示，固定裝置90包括空心導(dǎo)管91、空心圓柱形底座92、空心彎管93和94、互感單元安裝容器95、夾具96和97、以及固定片98和99。
[0080]空心導(dǎo)管91 一端開口，另一端例如通過螺絲連接或者通過焊接而連接到空心圓柱形底座92。空心彎管93和94具有一定的弧度，使得光纖能夠在其中穿過而不會有大的彎角，從而造成光的損失，其中每根彎管一端連接到空心圓柱形底座92的、與空心導(dǎo)管91所連接的一側(cè)相反的另一側(cè)，另一端連接到互感單元安裝容器95?；ジ袉卧惭b容器95的空腔(稍后描述)、空心導(dǎo)管91、空心圓柱形底座92和空心彎管93和94的內(nèi)部空間彼此連通，使得從互感單元延伸出的第一光纖和第二光纖可以分別經(jīng)由彎管93和94而從導(dǎo)管91伸出，并且連接到位于固定裝置外部的光發(fā)射器或光信號采樣器。
[0081]互感單元安裝容器95具有彼此垂直的第一臂和第二臂，在第一臂上具有用于容納導(dǎo)線的弧形凹槽，在第二臂的與所述凹槽相反的一側(cè)上具有用于安裝所述互感單元的空腔(圖中未示出)，其中，所述互感單元被安裝在空腔內(nèi)，使得該互感單元中的磁感應(yīng)介質(zhì)的光軸與導(dǎo)線中的電流方向垂直。稍后將詳細(xì)描述互感單元安裝容器95。
[0082]夾具96和97分別與互感單元安裝容器95配合，從而將導(dǎo)線與互感單元安裝容器95固定到一起。
[0083]固定片98和99例如通過螺絲連接而分別被安裝到互感單元安裝容器95上，其分別用于限定夾具96和97的位置，使得夾具96和97相對于互感單元安裝容器95只能沿著將導(dǎo)線壓緊到容器95上的方向或相反方向滑動。
[0084]下面將詳細(xì)描述互感單元安裝容器95。圖10示出了當(dāng)從斜上方看時(shí)互感單元安裝容器95的透視圖。圖11示出了當(dāng)從斜下方看時(shí)互感單元安裝容器95的透視圖。圖12是當(dāng)從斜下方看時(shí)安裝了互感單元的互感單元安裝容器95的透視圖。
[0085]如圖10所示，互感單元安裝容器95具有彼此垂直的第一臂951和第二臂952。在第一臂951上具有弧形凹槽9511，該凹槽從第一臂951的一端延伸到另一端，使得導(dǎo)線能夠被容納在該凹槽中。優(yōu)選地，在凹槽9511中形成螺紋，例如波浪形螺紋，以增大導(dǎo)線與凹槽之間的摩擦系數(shù)，防止二者發(fā)生相對滑動。在第一臂951的與導(dǎo)線延伸方向垂直的每個(gè)端面上還具有螺孔9512 (圖10僅示出了一個(gè)端面)，用于通過螺絲連接將固定片98或99固定到該端面上。優(yōu)選地，在第一臂951的兩端、與凹槽9511相反的一側(cè)還分別形成凹槽9513 (參見圖11)。
[0086]如圖11所示，在第二臂952的與凹槽9511相反的一側(cè)上形成空腔9521，光學(xué)電流互感器的互感單元被安裝在該空腔中。優(yōu)選地，在空腔9521的中間形成凸起的平臺，并且在該平臺上設(shè)置四個(gè)螺絲座9522，使得當(dāng)垂直于固定在第一臂951的凹槽9511中的導(dǎo)線而在空腔9521中安裝互感單元時(shí)，如圖12所示，可以利用兩個(gè)壓片9523將互感單元固定于空腔9511的底面，每個(gè)壓片通過螺絲而被固定在兩個(gè)螺絲座上。所述壓片可以由純鐵、低碳鋼、鐵鋁合金、鐵硅合金、鐵鎳合金、鐵鈷合金、鐵氧體材料、鎳、鈷等材料制成。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識至IJ，也可以不設(shè)置所述平臺，而是只通過螺絲座和壓片或者其他常用的固定結(jié)構(gòu)來將互感單元安裝在空腔中。
[0087]互感單元安裝容器95還具有用于封閉空腔9521的蓋板(未示出)，其可以例如通過螺絲等而被固定到第二臂952上，從而將互感元件封裝在空腔9521中。該蓋板還例如通過焊接等與空心彎管93和94相連，使得空腔9521與空心導(dǎo)管91、空心圓柱形連接座92和空心彎管93和94的內(nèi)部空間彼此連通。
[0088]下面將詳細(xì)描述夾具96和97。由于這兩個(gè)夾具結(jié)構(gòu)相同，因此在這里以夾具96為例來進(jìn)行描述。
[0089]圖13示出了夾具96的透視圖。如圖13所示，夾具96包括第一側(cè)部961、第二側(cè)部962以及連接這兩個(gè)側(cè)部的連接部963，第一側(cè)部、第二側(cè)部和連接部形成U型結(jié)構(gòu)。在第一側(cè)部961上設(shè)置有螺桿964，其可以相對于第二側(cè)部962擰入或擰出。該螺桿優(yōu)選地具有環(huán)形把手9641，以便于用手?jǐn)Q動該螺桿。此外，優(yōu)選地，在第二側(cè)部962的面對第一側(cè)部961的一側(cè)形成弧形凹槽965，其與凹槽9511相配合，從而將導(dǎo)線限制于這兩個(gè)凹槽內(nèi)。凹槽965最好也具有螺紋，以增大與導(dǎo)線之間的摩擦系數(shù)。當(dāng)與互感單元安裝容器95組裝在一起時(shí)，如圖10所示，互感單元安裝容器95的第一臂951位于夾具96的第一側(cè)部961和第二側(cè)部962之間，使得當(dāng)朝向第二側(cè)部962擰入螺桿964時(shí)，置于凹槽965和凹槽9511之間的導(dǎo)線被夾緊，從而將互感單元安裝容器95和導(dǎo)線固定到一起。以同樣的方式，將夾具97關(guān)于第二臂952與夾具96對稱地安裝在第一臂951的另一部位。這樣，通過兩個(gè)夾具將互感單元安裝容器固定到導(dǎo)線上，使得導(dǎo)線與安裝容器之間不會發(fā)生晃動。如上文所述，在安裝容器的第一臂9511上還優(yōu)選地設(shè)置了兩個(gè)凹槽9513，每個(gè)凹槽被設(shè)計(jì)為當(dāng)對應(yīng)夾具上的螺桿分別朝向該夾具的第二臂擰入時(shí)，螺桿的頭部進(jìn)入該凹槽，這能夠防止安裝容器95相對于導(dǎo)線發(fā)生相對滑動。
[0090]下面將詳細(xì)描述固定片98和99。由于這兩個(gè)固定片結(jié)構(gòu)相同，因此為簡單起見，在這里只對固定片98進(jìn)行描述。圖14示出了固定片98的透視圖。固定片98包括呈L型的兩臂981和982，在其一臂981上設(shè)置有與螺孔9512相配合的螺孔983，使得可以通過螺絲連接將固定片98安裝到安裝容器95上，其中，臂981的尺寸被設(shè)計(jì)當(dāng)該固定片98被安裝到安裝容器95上時(shí)不會遮擋凹槽9511。固定片98的另一臂982被設(shè)計(jì)為當(dāng)該固定片被安裝到安裝容器95上時(shí)與安裝容器95的第一臂951隔開一定間隔，使得可以將夾具96的連接部置于該間隔內(nèi)，從而將夾具96限制為只能沿著將導(dǎo)線壓緊到容器95上的方向或相反方向滑動。
[0091]上文所述的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固定裝置只是示例性的，而不是限制性的。根據(jù)實(shí)際需要，也可以對其進(jìn)行做出各種改變，而不背離本發(fā)明的范圍。例如，在上述實(shí)施例中使用了螺絲連接來連接多個(gè)部件，但是也可以用焊接、鉚接之類的其它方式來連接相應(yīng)部件。在螺絲連接的情況下，所使用的螺絲/螺孔/螺絲座的數(shù)量也可以根據(jù)實(shí)際需要自由地選擇。另外，在上述實(shí)施例中，使用固定片來限制夾具的滑動方向，但是也可以使用其它結(jié)構(gòu)(例如滑軌)將夾具裝配在安裝容器上并且限制其滑動方向。此外，在圖8至圖14中還示出了很多結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)，根據(jù)實(shí)際需要，也可以省略或修改這些細(xì)節(jié)。
[0092]相對于傳統(tǒng)的用于光學(xué)電流互感器的固定裝置，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固定裝置至少具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0093]1.在傳統(tǒng)的固定裝置中，常常使用單個(gè)夾具將互感器固定到導(dǎo)線上，這使得導(dǎo)線與互感器之間可能發(fā)生相對晃動和相對滑動，從而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在本發(fā)明中，使用了兩個(gè)夾具來固定互感單元，并且在容納導(dǎo)線的凹槽內(nèi)設(shè)計(jì)了螺紋，這使得導(dǎo)線與互感單元之間不會發(fā)生相對晃動和相對滑動，提高了測量精度。
[0094]2.在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固定裝置中，在夾具上設(shè)置了螺桿964來調(diào)整該夾具的第二側(cè)部與安裝容器95之間的間距，這使得能夠在夾具和安裝容器95之間固定不同直徑的導(dǎo)線，從而使根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固定裝置可以適用于不同國家和地區(qū)的輸電線。
[0095]3.在傳統(tǒng)的固定裝置中，在將電流測量系統(tǒng)的光學(xué)電流互感器安裝到輸電線上之后，該測量系統(tǒng)的各種線路與輸電線出現(xiàn)交叉，這使得相與相之間的干擾增大。相比之下，當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固定裝置將互感單元固定于輸電線上時(shí)，互感單元以及整個(gè)電流測量系統(tǒng)都位于輸電線(導(dǎo)線)的一側(cè)，例如，互感單元以及整個(gè)電流測量系統(tǒng)可以位于水平輸電線的下方，使得整個(gè)電流測量系統(tǒng)的線路都不與輸電線交叉，從而顯著減小了輸電線相與相之間的干擾。
[0096]4.在傳統(tǒng)的固定裝置中，常常使用塑料夾子來固定互感單元。隨著塑料的老化，或者當(dāng)天氣變化時(shí)，塑料夾子會發(fā)生形變，導(dǎo)致互感單元發(fā)生松動，這不僅使互感單元易于受損，還會影響測量效果。在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固定裝置中，利用螺絲和例如純鐵、低碳鋼、鐵鋁合金、鐵硅合金、鐵鎳合金、鐵鈷合金、鐵氧體材料、鎳、鈷等材料制成的壓片將互感單元固定于安裝容器上，使得互感單元位置牢固，避免了上述問題。此外，空閑彎管93和94的弧度被設(shè)計(jì)為使得光纖能夠安全順暢地走線，避免由于光纖的意外折斷而使測量系統(tǒng)發(fā)生故障。
[0097]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的示例實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不背離權(quán)利要求及其等價(jià)物中限定的本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以對這些示例實(shí)施例做出各種形式和細(xì)節(jié)上的變化。
【權(quán)利要求】
1.一種固定裝置，用于將光學(xué)電流互感器的互感單元安裝到導(dǎo)線上，該固定裝置包括: 安裝容器，具有彼此垂直的第一臂和第二臂，在第一臂上具有容納導(dǎo)線的凹槽，在第二臂與所述凹槽相反的一側(cè)上具有用于安裝所述互感單元的空腔，其中，所述互感單元被安裝在空腔內(nèi)，使得該互感單元中的磁感應(yīng)介質(zhì)的光軸與導(dǎo)線中的電流方向垂直； 至少一個(gè)夾具，用于將導(dǎo)線固定到凹槽上。
2.如權(quán)利要求1所述的固定裝置，其中，所述凹槽具有螺紋。
3.如權(quán)利要求1所述的固定裝置，其中，所述至少一個(gè)夾具具有由第一側(cè)部、第二側(cè)部以及連接第一側(cè)部和第二側(cè)部的連接部構(gòu)成的U型結(jié)構(gòu)，所述安裝容器的第一臂位于夾具的第一側(cè)部和第二側(cè)部之間，使得導(dǎo)線被夾在第一臂和第二側(cè)部之間， 其中，在第一側(cè)部上設(shè)置有螺桿，當(dāng)朝向第二側(cè)部擰入該螺桿時(shí)，第二側(cè)部與安裝容器的第一臂之間的間距減小，使得所述導(dǎo)線被夾緊。
4.如權(quán)利要求3所述的固定裝置，其中，在安裝容器的第一臂的面對螺桿的端面上設(shè)置有凹槽，使得螺桿的頭部被限制在凹槽內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的固定裝置，還包括第一空心彎管和第二空心彎管，其分別連接到所述空腔，使得從互感單元伸出的兩根光纖分別經(jīng)由所述空心彎管而延伸。
【文檔編號】G01R1/04GK103837716SQ201410095022
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月29日
【發(fā)明者】屈玉福 申請人:北京恒信創(chuàng)光電技術(shù)有限公司