CN102253272B - 一种高压交流电电流测量与保护传感器 - Google Patents

Abstract

本发明基于交流磁光调制理论及安培环路定理，采用频谱技术，提出一种集测量与保护两种功能为一体的高压交流电电流传感器，既可以满足一般电流的高精度测量，也可以满足特大电流的高精度测量保护。通过滤波器分别选出2倍频分量(2ω)、4倍频分量(4ω)、8倍频分量(8ω)和10倍频分量(10ω)。将4倍频分量的幅度除以2倍频分量幅度可以用于一般电流的测量；将10倍频分量的幅度除以8倍频分量幅度可以用于特大电流的测量与保护。该发明可以很好的应用于高压电流传感领域。

Description

一种高压交流电电流测量与保护传感器

技术领域

本发明涉及一种高压交流电电流测量与保护传感器，属于光电检测、光电传感和光信息处理的技术领域。

背景技术

磁光学是一门古老而又经久不衰的学科，其在光学检测及光电传感领域的应用越来越广泛；其中应用最多的是法拉第磁光效应，包括电流传感器、磁场传感器、磁光调制器、磁光隔离器、磁光环行器等^[1]遍及光检测、光传感、光通信等多个光学领域。

基于法拉第磁光效应的光学电流传感器(OCT)由于具有绝缘性好、无磁饱和、抗电磁干扰能力强、动态范围大等优点^[2]，有逐渐取代电子式电流传感器的趋势。国内外关于OCT的研究从上世纪70年代开始，1977年英国电力研究中心的A.J.Rogers^[3]、A.M.Smith^[4]和德国A.Papp等人^[5]对全光纤电流传感器做了深入研究。但全光纤型电流传感器由于光纤本身的固有双折射问题难以解决，人们将目光转向了块状玻璃型传感头结构。这种传感器在美国于1980年在1200kV的电网上挂网成功^[6]。我国OCT的研究以1982年在上海召开的”激光工业应用座谈会“为起步，90年代起学术研究趋于活跃。其中哈尔滨工业大学的王政平教授^[7]、华中科技大学的李红斌教授^[8]、西北工业大学的赵建林教授^[9]、西安交大的刘晔教授^[10]等均在OCT领域作出了很多有益的研究。浙江大学的赵渭忠、张守业等人在磁光电流传感材料方面做了很多工作，开发出几种高性能的磁光材料^[11]。

检测精度作为OCT的主要指标一直是大家的努力方向，为了提高检测精度，常见做法是采用高维尔德常数的磁光材料^[11]和多次光路环绕等传感头结构^[7，13]，这类传感器的检测精度较高，但他们的检测范围一般在10KA以下，而如果在50KA量级的特大电流下，他们的磁光调制角度将超过了90度这一正弦函数的单调区域。如Y.N.Ning等人研究的多环路电流传感器约在4KA即达到90°范围^[12]，王政平等人研究的高压电流传感器的灵敏度为6.57×10^-5rad/A，则在24KA的电流值下调制角度即达90°以上^[7]。而大于90度的大调制角度的检测目前还没有相关应用，这就限制了电流的检测范围，做不到大电流的测量与保护。为了提高电流的检测范围，可以使用低维尔德常数的磁光材料等技术手段，但又降低了检测精度。因此，一般电流高精度测量与大电流保护两种功能很难集于一体。鉴于此，本专利从两方面着手，一是采用高Verdet常数的磁光材料和光路环绕等方法以提高电流的检测精度；二是采用频谱分析技术，实现对大于90度的大调制角度进行检测，从而有效提高电流的检测范围，因此可以将测量与保护两者集于一体。随着未来10年国家智能电网的改造与建设，电流与电压等级将不断得到提升，50KA以上的特大电流将不再少见，因此，集测量与保护两种功能为一体的电流传感器将具有较广阔的应用前景。

本发明基于交流磁光调制理论及安培环路定理，提出一种集测量与保护两种功能为一体的高压交流电电流传感器，既可以满足一般电流的高精度测量，也可以满足特大电流的高精度测量与保护。该专利成果的发明可以很好的应用于高压电流传感领域。

参考文献

[1]刘公强，乐志强，沈德芳等.磁光学[M].上海：上海科学技术出版社，2001：36，192～229

[2]Meirong Wang，Jianlin Zhao，Sheng Liu，etal.Optical current sensor immuneto reflection phase shift based on graded-index magneto-opticalglass[J].APPLIED OPTICS.2009，48(32)：6264-6270

[3]A.J.Rogers.Optical Technique for the Measurement of Voltage and Currenton Power Systems[J].Optics and Laser Technology，1977，(12)：273-283

[4]A.M.Smith.Optical Fibers for Current Measurement Applications.Opticsand Laser Technology，1980，(2)：25-29

[5]A.Papp，H.Harms.Magneto-Optical Current Transformerl：Principles[J].Appl ied Optics，1980，19(22)：3729-3734

[6]T.W.Cease，P.Johnston.A Magneto-Optic Current Transformer[J].IEEETrans.on Power Delivery.1990，5(5)：548-555

[7]王政平，孙维民.一种新型多环光路光学电流传感器的研究[J].光子学报，1996.25(9)：831-834

[8]李红斌.光学电流传感器传感头的研究[J].光学学报，1997，17(7)：946-949

[9]王美蓉，周王民，赵建林等.基于BGO晶体的反射型法拉第光纤电流传感器[J].光子学报，2008，37(6)：1186-1190

[10]刘晔，王锋，韦兆碧等.光纤电流传感器传感头的结构与原理[J].传感器技术，2002，11：3-9

[11]赵渭忠，张守业，黄敏.用于光纤电流传感器的掺Bi稀土铁石榴石单晶生长与磁光性能[J].光学学报，2000，20(12)：1694-1698

[12]Y.N.Ning，B.C.B.Chu，D.A.Jackson.Miniature Faraday current sensor basedon multiple critical angle reflections in a bulk-optic ring[J].OPTICSLETTERS，1991，16(24)：1996～1998

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提出一种高压交流电电流测量与保护传感器，解决集一般电流测量与特大电流保护两种功能为一体的电流传感器问题。

技术方案：本发明的高压交流电电流测量与保护传感器由激光器、凸透镜、第一光纤、第一自聚焦透镜、第一偏振器、电流传感头、第二偏振器、第二自聚焦透镜、第二光纤、光电探测器、信号处理单元顺序串联连设置连接构成。

电流传感头采用由磁光材料做成的块状结构传感头，中间有一孔洞用于穿过电流导线；传感头采用多次反射式，使入射光线围绕电流导线后，从另一侧输出。

第一偏振器、第二偏振器透光方向互相正交放置。传感头所使用的磁光材料采用顺磁性磁光材料或磁光晶体。

信号处理单元包括滤波器、第一除法器和第二除法器；滤波器的输出端将光强信号中的四倍频信号与二倍频信号送第一除法器，第一除法器将光强信号中的四倍频信号与二倍频信号相除，用于20KA以下电流的测量；滤波器的输出端将光强信号中的十倍频信号与八倍频信号送第二除法器，将光强信号中的十倍频信号与八倍频信号相除，用于50KA以上电流的测量与保护。

有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：

本发明基于交流磁光调制理论及安培环路定理，提出一种集测量与保护两种功能为一体的高压交流电电流传感器，既可以满足一般电流的高精度测量，也可以满足特大电流的高精度测量与保护。该专利成果的发明可以很好的应用于高压电流传感领域。

附图说明

图1是本发明高压交流电电流测量与保护传感器系统结构示意图，

图中有：激光器1、凸透镜2、第一光纤3、第一自聚焦透镜4、第一偏振器5、电流传感头6、第二偏振器7、第二自聚焦透镜8、第二光纤9、光电探测器10、信号处理单元11。

图2信号处理单元示意图，图中有滤波器11.1、第一除法器11.2、第二除法器11.3。

图3相对频谱信号幅度值与调制角关系图(4ω/2ω)。

图4相对频谱信号幅度值与调制角关系图(10ω/8ω)。

具体实施方式

本发明的高压交流电电流测量与保护传感器所用装置如图1和图2所示。图1中激光器1发出的光线经过凸透镜2耦合进入第一传输光纤3后从第一自聚焦透镜4输出，垂直入射至偏振器5后成为线偏振光进入电流传感头6。在传感头中在交流电的调制下携带了调制角信息从输出端出射，通过第二偏振器7后由第二自聚焦透镜8耦合进第二入光纤9，最后由光电探测器10探测光强信号并输出至信号处理单元11。信号处理单元11如图2所示，光电探测器10输出的电信号经过滤波器1，分别选出2倍频分量(2ω)、4倍频分量(4ω)、8倍频分量(8ω)和10倍频分量(10ω)。将4倍频分量的幅度除以2倍频分量幅度可以用于检测一般电流；将10倍频分量的幅度除以8倍频分量幅度可以用于特大电流的检测。

高压交流电i＝i₀sinωt在导线周围产生交变磁场H＝H₀sinωt，产生的交流磁光调制角度为

θ＝θ₀sinωt    (1)

设经过起偏器5后的入射光强为I₀，则根据马吕斯定律，接收光强为：

I＝I₀sin²θ＝I₀sin²(θ₀sinωt)    (2)

由公式(2)相对光强为：

$I^{\′}=I/I_0={\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_0\sin \mathrm{\ωt}\right)=\frac{1-\cos \left({2\mathrm{\θ}}_0\sin \mathrm{\ωt}\right)}{2}---\left(3\right)$

利用贝塞尔函数将公式(3)化简得到：

$I^{\′}=\frac{1}{2}[1-J_0\left({2\mathrm{\θ}}_0\right)-2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{2n}\left({2\mathrm{\θ}}_0\right)\cos 2\mathrm{n\ωt}]---\left(4\right)$

其中，J_2n(2θ₀)为第一类贝塞尔函数。

由公式(4)可见，光强信号中包含直流分量以及频率为2nω(n＝1、2、3……)的一系列交流分量，交流分量的幅度即为交流分量系数的绝对值。

将4ω分量幅度除以2ω分量，得到相对比值与调制角度的关系，如图3所示，该比值在140度范围内是单调增加的，因此可以用作140度以内调制角的检测，此时可以用作一般电流的检测。将10ω分量幅度除以8ω分量幅度，得到相对比值与调制角度的关系，如图4所示，该比值在340度范围内是单调增加的，因此可以用作340度以内调制角的检测，此时可以用作特大电流的测量保护。

由于采用相除的信号处理技术，还可以消除光源发光功率不稳定和光吸收等因素的影响。

实施例1

本发明的一种高压交流电电流测量与保护传感器所用装置如图1和图2所示。图1中激光器1发出的光线经过凸透镜2耦合进入第一传输光纤3后从第一自聚焦透镜4输出，垂直入射至第一偏振器5后成为线偏振光进入电流传感头6。在传感头中在交流电的调制下携带了调制角信息从输出端出射，通过第二偏振器7后由第二自聚焦透镜8耦合进入第二光纤9，最后由光电探测器10探测光强信号并输出至信号处理单元11。信号处理单元11如图2所示，光电探测器10输出的电信号经过滤波器11.1，分别选出2倍频分量(2ω)、4倍频分量(4ω)、8倍频分量(8ω)和10倍频分量(10ω)。将4倍频分量的幅度除以2倍频分量幅度可以用于检测一般电流；将10倍频分量的幅度除以8倍频分量幅度可以用于特大电流的检测。

当高压交流电为i＝i₀sinωt时，在导线周围产生交变磁场H＝H₀sinωt，传感头内线偏振光的磁光调制角度为θ＝θ₀sinωt。当电流为一般电流时，通过测量相对频谱幅度值(4ω/2ω)值的大小，根据图3中相对频谱幅度值(4ω/2ω)值与调制角度θ₀的关系得出θ₀的大小，再根据法拉第效应原理θ＝VLH(θ为法拉第旋转角，V为磁光材料的维尔德常数，L为光路长度，H为磁场强度)，得出H₀的大小，最后由安培环路定理

得出一般电流i₀的大小，从而完成一般电流的测量。

实施例2

本发明的一种高压交流电电流测量与保护传感器所用装置如图1和图2所示。图1中激光器1发出的光线经过凸透镜2耦合进入传输光纤3后从自聚焦透镜4输出，垂直入射至偏振器5后成为线偏振光进入电流传感头6。在传感头中在交流电的调制下携带了调制角信息从输出端出射，通过偏振器7后由自聚焦透镜8耦合进入光纤9，最后由光电探测器10探测光强信号并输出至信号处理单元11。信号处理单元11如图2所示，光电探测器10输出的电信号经过滤波器11.1，分别选出2倍频分量(2ω)、4倍频分量(4ω)、8倍频分量(8ω)和10倍频分量(10ω)。将4倍频分量的幅度除以2倍频分量幅度可以用于检测一般电流；将10倍频分量的幅度除以8倍频分量幅度可以用于特大电流的检测。

当高压交流电为i＝i₀sinωt时，在导线周围产生交变磁场H＝H₀sinωt，传感头内线偏振光的磁光调制角度为θ＝θ₀sinωt。当电流为特大电流时，通过测量相对频谱幅度值(10ω/8ω)值的大小，根据图4中相对频谱幅度值(10ω/8ω)值与调制角度θ₀的关系得出θ₀的大小，再根据法拉第效应原理θ＝VLH(θ为法拉第旋转角，V为磁光材料的维尔德常数，L为光路长度，H为磁场强度)，得出H₀的大小，最后由安培环路定理

得出特大电流i₀的大小，从而完成特大电流的测量与保护。

Claims (2)

1.一种高压交流电电流测量与保护传感器，其特征在于该传感器由激光器(1)、凸透镜(2)、第一光纤(3)、第一自聚焦透镜(4)、第一偏振器(5)、电流传感头(6)、第二偏振器(7)、第二自聚焦透镜(8)、第二光纤(9)、光电探测器(10)、信号处理单元(11)顺序串联连设置连接构成；

所述电流传感头(6)采用由磁光材料做成的块状结构传感头，中间有一孔洞用于穿过电流导线；传感头采用多次反射式，使入射光线围绕电流导线后，从另一侧输出；

所述第一偏振器(5)、第二偏振器(7)透光方向互相正交放置；

所述信号处理单元(11)包括滤波器(11.1)、第一除法器(11.2)和第二除法器(11.3)；滤波器(11.1)的输出端将光强信号中的四倍频信号与二倍频信号送第一除法器(11.2)，第一除法器(11.2)将光强信号中的四倍频信号与二倍频信号相除，用于20KA以下电流的测量；滤波器(11.1)的输出端将光强信号中的十倍频信号与八倍频信号送第二除法器(11.3)，将光强信号中的十倍频信号与八倍频信号相除，用于50KA以上电流的测量与保护。

2.如权利要求1所述的高压交流电电流测量与保护传感器，其特征在于传感头所使用的磁光材料采用顺磁性磁光材料或磁光晶体。

Images