本發(fā)明涉及一種基于法拉第磁光效應原理的全光纖電流互感器。其適用于GIS的電能計量、繼電保護和電量監(jiān)測。

背景技術(shù)：

電流互感器承擔著電力系統(tǒng)中電流的計量作用。作為GIS的重要組成部分，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器由于其體積龐大、成本高、動態(tài)范圍小、易產(chǎn)生鐵磁諧振、模擬量輸出等不利因素，已不能滿足智能電網(wǎng)對電流互感器低造價、體積小、線性度好、數(shù)字量輸出、安全可靠的要求。有源式電子互感器在126～252kV電壓等級的開關(guān)中應用日益可靠，雖然其具有體積小、數(shù)字量輸出、無磁飽等優(yōu)勢，但由于其結(jié)構(gòu)及原理的限制，在更高電壓等級上的可靠性大大降低，影響智能電網(wǎng)的可靠運行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種全光纖電流互感器及其電流測量方法，效解決傳統(tǒng)電磁式互感器體積大、動態(tài)范圍小、易產(chǎn)生鐵磁諧振、開路產(chǎn)生高壓、模擬量輸出等不利因素，同時解決了有源電子式互感器抗干擾性差、結(jié)構(gòu)復雜、穩(wěn)定性差等弊端。滿足智能電網(wǎng)對電流互感器低能耗、高準確度、安全、可靠的要求。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種基于法拉第磁光效應原理的全光纖電流互感器，包括傳感單元、信號處理單元，以及合并單元，所述合并單元與電氣測量儀器和繼電保護設(shè)備連接，所述傳感單元包括繞制成首尾相接的閉合圓環(huán)的傳感光纖，該傳感光纖的首尾分別熔接有反射鏡和轉(zhuǎn)換光纖，所述信號處理單元內(nèi)設(shè)置有光源，該光源發(fā)出的光被分為兩束光后，經(jīng)轉(zhuǎn)換光纖轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)方向相反的兩束光，經(jīng)在傳感光纖內(nèi)傳輸后，被反射鏡反射。

所述的轉(zhuǎn)換光纖為螺旋結(jié)構(gòu)雙折射光纖，分為遞增雙螺旋段和均勻雙螺旋段。

所述的反射鏡熔接在傳感光纖的末端，與傳感光纖的截面呈45°夾角。

所述傳感光纖安裝在環(huán)形法蘭的U形槽內(nèi)，所述反射鏡和轉(zhuǎn)換光纖在U型槽的切線方向相互平行。

所述反射鏡和轉(zhuǎn)換光纖沿環(huán)形結(jié)構(gòu)的法線方向緊貼布置。

所述轉(zhuǎn)換光纖另一端通過保偏光纖與信號處理單元電連接。

所述的環(huán)形法蘭為金屬材料，上部覆蓋絕緣材料的環(huán)型蓋板，阻斷了環(huán)形法蘭的感應電流。

所述的傳感光纖在保護環(huán)體中的繞制圈數(shù)，是根據(jù)被測電流的大小、互感器要求的精度和環(huán)體的尺寸決定。

所述信號處理單元包括光路模塊、電路模塊、電源模塊和防護外殼，所述光路模塊用于發(fā)射、接收和測量光信號，輸出兩束光的相位差，所述電路模塊用于解析兩束光的相位差，并以此計算電流，并將結(jié)果以數(shù)字信號輸出。

所述光路模塊包括發(fā)射光源的激光發(fā)射器、對光源發(fā)出的光進行耦合的耦合器、將光源分為兩束線性偏振光的起偏器，與起偏器連接的調(diào)制器，對兩束光進行干涉測量的光源探測器。

所述電路模塊包括依次連接的信號處理和數(shù)字輸出，其中，信號處理的輸入端進一步連接有溫度補償，消除溫度對測量偏差影響。

所述的數(shù)字輸出將測量結(jié)構(gòu)按照同步串行方式輸出給合并單元。

所述的防護外殼，由鐵磁材質(zhì)制成，對放入其中的光路模塊、電路模塊、電源模塊具有相應等級的防電磁屏蔽、防水、防潮功能，同時留有安裝及數(shù)據(jù)輸出、輸入接口。

一種全光纖電流互感器的電流測量方法，光源發(fā)出的連續(xù)光被分為兩束偏振方向相互垂直的光，轉(zhuǎn)換光纖接收到該光后，將該兩束垂直線性偏振光轉(zhuǎn)換成左旋和右旋橢圓偏振光，經(jīng)過在傳感光纖中繞圓周傳播，該兩路偏振光被反射鏡反射，同時兩束橢圓偏振光的旋轉(zhuǎn)方向也被 逆轉(zhuǎn)；兩路反射光回到轉(zhuǎn)換光纖處，被轉(zhuǎn)換為兩路互相垂直的線性偏振光束，最后恢復為兩路互相垂直的偏振光，該兩束光被傳回信號處理單元后，信號處理單元據(jù)此計算得到電流。

所述信號處理單元根據(jù)返回的兩束光的相位差計算得到相位差。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：全光纖電流互感器能耗低、成本低、測量準確、性能穩(wěn)定、安全可靠，易于安裝維護，避免了電磁式互感器能耗高、容易產(chǎn)生開路和爆炸危險的不足，同時消除了電子式互感器穩(wěn)定相差、易受電磁場干擾的缺點。

【附圖說明】

圖1示出了本發(fā)明中傳感單元的結(jié)構(gòu)圖。

圖2示出了本發(fā)明中傳感單元A-A結(jié)構(gòu)圖。

圖3所示為本發(fā)明中全光纖電流互感器的系統(tǒng)圖。

圖中:1、環(huán)型蓋板；2、環(huán)型法蘭；3、傳感光纖；4、轉(zhuǎn)換光纖；5、反射鏡；6、保偏光纖。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖及具體實例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

一種基于法拉第磁光效應原理的全光纖電流互感器，它主要由傳感單元、信號處理單元和合并單元三部分組成。所述傳感單元采用法拉第磁光效應原理，用于感應被測導體的電流，并生成光強信號并攜帶Faraday旋光角的數(shù)據(jù)信息。所述信號處理單元主要完成對傳感單元光信號的輸入、輸出光信號的解析、數(shù)字化處理、溫度補償?shù)?，并按照?guī)定的同步串行方式進行輸出。所述合并單元完成對信號處理單元信息的同步和并列邏輯，并傳輸給電氣測量儀器和繼電保護設(shè)備。

圖1、2所示為本發(fā)明中傳感單元的結(jié)構(gòu)圖，所述傳感單元為圓環(huán)型結(jié)構(gòu)，其主要由環(huán)型蓋板1、環(huán)型法蘭2、傳感光纖3、轉(zhuǎn)換光纖4、反射鏡5和保偏光纖6組成，根據(jù)被測的額定 電流、動穩(wěn)定電流、測量精度及環(huán)型法蘭2的U型槽尺寸，計算出傳感光纖3的長度，在傳感光纖3的一端熔接反射鏡5，使反射鏡5與光纖的截面成45°夾角。傳感光纖3的另一端與轉(zhuǎn)換光纖4熔接，使兩根光纖的纖芯對正。同時將轉(zhuǎn)換光纖4的另一端與保偏光纖6熔接，熔接時使兩者的纖芯對正。在熔接完成后，將其繞制成首尾相接的閉合圓環(huán)并固定在環(huán)型法蘭U型槽中，并使反射鏡5和轉(zhuǎn)換光纖3在U型槽的切線方向相互平行，并沿環(huán)形結(jié)構(gòu)的切線方向緊貼布置，保偏光纖6作為傳感單元的引出端從環(huán)型法蘭2的出口引出，與后續(xù)的數(shù)據(jù)處理單元連接。

所述的轉(zhuǎn)換光纖為螺旋結(jié)構(gòu)雙折射光纖，分為遞增雙螺旋段和均勻雙螺旋段，將線性偏振光轉(zhuǎn)換為橢圓偏振光；所述環(huán)形法蘭為金屬材料，中間開設(shè)有U型槽，傳感光纖、反射鏡、轉(zhuǎn)換光纖繞制的圓環(huán)固定在U型槽中，所述環(huán)形蓋板為絕緣材料，起到對外殼感應電流有阻斷的作用，兩者配合后對放在其中的光器件起到保護作用。

圖3所示為本發(fā)明中全光纖電流互感器的系統(tǒng)圖，整系統(tǒng)按功能劃分為3部分，分別是傳感單元、信號處理單元、合并單元。傳感單元采用法拉第磁光效應原理，用于感應被測導體的電流，并生成光強信號攜帶Faraday旋光角的數(shù)據(jù)信息。信號處理單元主要完成對傳感單元光信號的輸入、輸出光信號的解析、數(shù)字化處理等，并按照規(guī)定的同步串行方式進行輸出。合并單元完成對信號處理單元信息的同步、切換或并列邏輯，并傳輸給電氣測量儀器和繼電保護設(shè)備。

所述的信號處理單元主要由光路模塊、電路模塊、電源模塊和防護外殼組成。光路模塊完成光信號的發(fā)射、接收、測量及輸出，電路模塊接收光路模塊數(shù)據(jù)信息，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。

所述的光路模塊，主要由激光發(fā)射器、耦合器、偏振器、光電探測器等光學器件組成，對傳感單元發(fā)射兩束線性偏振光，同時對反射回來的兩束線性偏振光，采用Sagnac干涉原理， 測量出兩束偏振光的相位差。

所述的電路模塊，通過對相位差的解析，對應出被測電流，將測量結(jié)果按照同步串行方式輸出給合并單元。

所述的電源模塊，是將外部供給的電源，轉(zhuǎn)換成各電子元器件所需的電流量或電壓量。

所述的防護外殼，由鐵磁材質(zhì)制成，對放入其中的光路模塊、電路模塊、電源模塊具有相應等級的防電磁屏蔽、防水、防潮功能，同時留有安裝及數(shù)據(jù)輸出、輸入接口。

在圖3中，全光纖電流互感器測量電流的實現(xiàn)過程如下：數(shù)據(jù)處理單元中的光源在工作情況下，發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過耦合器后，由起偏器起偏為兩束線性偏振光，經(jīng)調(diào)制器完成相位調(diào)制并分成兩束偏振方向相互垂直的光，經(jīng)過保偏光纖輸出；在傳感單元的傳感光纖前端，轉(zhuǎn)換光纖將兩束垂直線性偏振光轉(zhuǎn)換成左旋和右旋橢圓偏振光，橢圓偏振光在傳感光纖中繞圓周傳播；兩路偏振光繞著導體轉(zhuǎn)了幾圈后，在傳感光纖的終點有一個反射鏡，對兩束光進行反射，同時兩束橢圓偏振光的旋轉(zhuǎn)方向也被逆轉(zhuǎn)；兩路光回到轉(zhuǎn)換光纖處，轉(zhuǎn)換光纖再將它們轉(zhuǎn)為兩路互相垂直的線性偏振光束，由保偏光纖傳回偏振器，恢復為兩路互相垂直的偏振光，兩束光波在光源探測器處發(fā)生相干疊加。

當導體中無電流時，兩束光的相對傳播速度相同，在光電探測器處相干疊加時沒有相位差；當導體中有電流時，在通電導體周圍會產(chǎn)生電磁場，在電磁場的作用下，圍繞著載流導體的兩束橢圓偏振光波，由于法拉第磁致旋光效應原理，載流導體形成的電磁場使一路橢圓偏振光減速，另一路橢圓偏振光加速，傳感光纖終點的反射鏡，將兩路光信號反射回去，由于逆轉(zhuǎn)使兩束橢圓偏振光的加速、減速的效應得到了加倍，此時兩束光的傳播速度發(fā)生相對變化，即出現(xiàn)相位差。

兩路光信號的相位差與被測電流有嚴格的對應關(guān)系，通過測量兩束光的相位差對應出被測電流的大小，并將測量信息采用數(shù)字量輸出給合并單元，合并單元對數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)字量信 息按照IEC61850-9-2LE規(guī)約進行數(shù)字量轉(zhuǎn)換,輸出給繼電保護系統(tǒng)和電流測量計量儀表。

在實際應用時，傳感單元為單相結(jié)構(gòu)，每相分別安裝在被測電流的外部，數(shù)據(jù)處理單元與傳感單元一一對應，放置在就地或智能柜內(nèi)，合并單元為三相共用式,放置在智能控制柜或保護室內(nèi)。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選方式對本發(fā)明所作的詳細說明，不能認定本發(fā)明的實施方式僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的任何簡單修改及等效結(jié)構(gòu)變換或修飾，均屬于本發(fā)明所提交的權(quán)利要求書確定的專利保護范圍。