专利名称：光学电流互感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力系统高压线路电流测量及控制应用的光学电流互感器的改进，特别是涉及以磁光材料为主要传感器件的光学电流互感器的改进。
背景技术：
电流互感器是电力系统计量和保护控制的重要设备，电磁式电流互感器经过长期发展，其测量稳态电流的精度可达万分之几，甚至更高；可是在短路故障情况下电磁式电流互感器出现严重的磁饱和现象，导致二次输出电流波形失真，不能描述短路电流的过渡过程，这是继电保护误动和拒动的主要原因之一。今后，电力系统的监视与控制将走向全时间过程，从局部走向全局。继电保护的误动和拒动会给电力系统带来灾难性的事故，因此，人们正在构建电力系统安全防御体系，传统的电磁式电流互感器不能反映电网动态过程，迫切需要新型的电流互感器，于是基于法拉第磁光效应的光学电流互感器受到重视，特别是块状光学电流互感器。中国专利号为ZL98235720的实用新型说明书公开了一种具有块状光学传感头的光学电流互感器，其传感头的主体玻璃环外围有前后左右上下对称的5个45度角的反射面，及一个垂直的通光面，被测电流通过的直线导体从主体玻璃环中心的孔穿过，偏振光经过反射面的多次全反射围绕导体一周，偏振光在与其传播方向平行的被测电流的磁场作用下其偏振面发生旋转，从而测量出电流。其优点是没有磁饱和现象，包括短路全过程都能测量出来，但是，其不足之处是长期稳定性不好，如果说新的装置各反射面能够全反射，偏振光全部围绕电一周，但随着时间的推移，反射面的性质会发生变化，致使折射率发生变化，反射的光越来越弱，测量的精度及其可靠性越来越差，所以这类装置一直没有实用。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提高光学电流互感器的传感头的性能稳定性，从而使光学电流互感器能够长期稳定运行，同时还要使光学电流互感器有足够高的测量精度。
本实用新型的技术方案如下光学电流互感器包括光学传感头，光学传感头包括法拉第磁光材料、起偏器、检偏器、光学透镜、光纤，至少有一个所说的光学传感头置于被测电流通过的螺线管内，光学传感头的中心线与螺线管的轴线平行；所说的一个传感头包括一根直的条状的磁光材料，条状的磁光材料的一端依次接有起偏器、输入自聚焦透镜及输入光纤，在条状磁光材料的另一端依次接有检偏器、平行输出自聚焦透镜和平行输出光纤，上述各器件与磁光材料处于同一直线上，该直线即传感器的中心线，检偏器与上述直线垂直连接有垂直输出自聚焦透镜和垂直输出光纤；光学传感头的条状磁光材料的长度小于螺线管的长度，条状磁光材料处于通电螺线管内的稳定的磁场区域中；当光学传感头为两个或两个以上时，各传感头的中心线与螺线管的轴线的距离相等。
为了提高测量精度及稳定性，置于螺线管内的光学传感头为两个或两个以上，可以为以下三种方式置于螺线管内且与螺线管轴线平行的光学传感头至少为两个，其各传感头的条状磁光材料是相同的。
置于螺线管内且与螺线管轴线平行的光学传感头至少为两个，其条状磁光材料的材料有一个是对温度敏感的磁光材料，其余的为相同的对温度敏感度小的磁光材料。
置于螺线管内且与螺线管轴线平行的光学传感头至少有四个，其条状磁光材料的材料至少有两个是同一种对温度敏感的磁光材料，其余的为相同的对温度敏感度小的同一种的磁光材料。
采用多个同种磁光材料的光学传感头时，各传感头可以同时工作，其测量信号经过加权，还可以至少留一个不工作，作为备用。采用不同种磁光材料时，利用对温度敏感的磁光材料的传感头的信号对其余的信号进行温度方面的修正。
传感头在螺线管内的固定方式为光学传感头固定在圆柱形绝缘块内，绝缘块装配在螺线管内，绝缘块由至少两个纵向切开的切块粘合而成圆柱，至少在一个切块的切面上靠近圆柱体的中心部位开有与圆柱体轴线平行的槽和垂直的槽，呈T字形，条状磁光材料、起偏器和输入自聚焦透镜以及检偏器和平行输出自聚焦透镜置于平行的槽内，垂直输出自聚焦透镜置于垂直的槽内，条状磁光材料与圆柱体的轴线平行，并粘结固定在槽内。
为了集中引出光纤，在开槽的绝缘块的切面上的两端还各开有垂直于轴线的槽，还在靠近外表开另外一个一端通到绝缘体外的基本平行于轴线的槽，构成日字形的槽，入射光纤、平行输出光纤和垂直输出光纤都经过槽引到同一侧，并从一端引到绝缘块外。上述T形槽的横截面应足够大，能够容下各种光学器件，其余的槽的横截面可以小一些。
本实用新型的有益效果如下1、本实用新型把现有技术的光绕电的传感方式改为电绕光的传感方式，其光路只有一根条状磁光材料，没有各种45度反射，消除了现有技术中反射面随时间推移变性致使偏振光强度变弱而丧失稳定性的缺陷，因此，本实用新型的光学电流互感器的传感头的性能能够保持长期稳定，即该光学电流互感器能够长期稳定运行。
2、其光路元件比块状光学传感头大大减少，所以可靠性提高。
3、由于在螺线管内形成的直线磁场强度大，与直的条状磁光材料的平行度好，偏振光旋转角度大，比块状光学电流互感器的测量精度高。
4、当采用两个或两个以上同种磁光材料的传感头时，运用加权平均的方法提高侧量精度。
5、当采用两个或两个以上具有不同材料磁光材料的光学传感头时，其中有对温度敏感的磁光材料，对温度的影响进行修正，测量精度进一步提高。
6、当采用多个同种磁光材料的传感头，至少一个用于备用时，可以提高运行的可靠性。
图形说明
图1为光学传感头原理简图。
图2为螺线管光学传感头结构示意图。
图3为现场安装的光学电流互感器示意图。
具体实施方式
一种110KV光学电流互感器，见图2、图3，一个光学传感头，包括一根条状磁光材料2，其一端依次连接起偏器7、输入自聚焦透镜6和输入光纤8，其另一端依次连接有检偏器9、平行输出自聚焦透镜10和平行输出光纤11，上述各器件与磁光材料在同一直线上，即各器件的中心线在同一直线上，在检偏器与上述直线垂直地连接垂直自聚焦透镜12和垂直输出光纤13。各器件的连接方式有两种，一种是对准中心线依次用粘接剂(紫外光敏胶)粘接起来；另一种方式是各器件的侧面粘在一个板上，使各器件的中心线处于同一直线上，各器件之间可以有空隙。无论哪种连接方式，与自聚焦透镜相连的光纤都连在自聚焦透镜的焦点上。磁光材料的横断面为正方形或圆形或矩形或菱形或正多边形。磁光材料可以用磁光晶体包括石榴石单晶和尖晶石晶体，也可以采用磁光玻璃，每类又可以采用各种具体型号，磁光玻璃可以用ZF系列、MR系列；石榴石单晶可以用钇铁石榴石单晶系列；尖晶石晶体可以用CdCr2S4、CoCr2S4等。本例选用ZF-7和MR-3磁光玻璃。
被测电流通过的螺线管1，例如可以由矩形或圆形或正方形或多边形断面的母线绕成，其材料可以是铜、铝或钢，其螺距尽量小，即螺线管的母线排列尽量密，可以为一层，也可以为两层或多层并联。本例采用圆形铜线绕一层。螺线管的两端磨平，并各焊接于一个铜制的平法兰15，平法兰15的内径等于螺线管的内径。
用圆柱形绝缘块3把光学传感头固定在螺线管1内，绝缘块的材料可以为环氧树脂、橡胶或尼龙，本例采用尼龙，圆柱形绝缘块由纵向切开的多块粘合而成，至少在一个切块的切面上开槽安放光学传感头，本例分为两个半圆柱，在一块的切面上的中心附近开一个平行于圆柱体轴线的平行槽4，在靠近圆柱表面处再开一个平行槽，在相应于检偏器位置开垂直槽5，两端各开一个垂直槽，构成日字形槽，槽4和槽5是容纳光学器件的，其横断面为矩形，且断面比光学器件的断面大，其余的槽只容纳细的光纤，可以是小而浅的沟槽。把传感头与光学玻璃直线连接的部分置于平行槽4内，条状光学玻璃应平行于圆柱体的轴线，且用硅胶粘接固定在槽内，垂直自聚焦透镜置于垂直的槽5内，输入光纤8、平行输出光纤11和垂直输出光纤13都经垂直的各槽引向靠表面的平行槽，并经该槽引向圆柱形绝缘块的一端，引到绝缘块外。把两半圆柱用硅橡胶粘合成圆柱体，装配到螺线管内。为了使两个半圆柱接合准确，在一个半圆柱的接合面上设有定位孔23，例如可以是3个孔，而另一个半圆柱的接合面上设有三个与孔相配合的定位柱24。利用尼龙的弹性，可以很好的装配到螺线管内，并保持传感头特别是条状磁光材料平行于螺线管的轴线。
如果在半圆柱的绝缘块的切面上只开槽4和槽5构成T字形的槽，则光纤从粘接面向一端集中引向绝缘块外；为了减少光纤的直径，在粘接面内应为裸光纤。
为了防振和增加弹性，还可以在尼龙绝缘块3的外面套一个环氧树脂筒14，在筒与尼龙绝缘块之间的空隙填充硅橡胶，环氧树脂筒装配在螺线管内，可以用纸条对称地塞紧。
圆柱形绝缘块的长度等于螺线管焊接的平法兰15外缘的长度，平法兰相应于绝缘块3开槽引出光纤处设有构槽16。平法兰的外面接带凸杆的汇流盘18(即带凸杆的法兰)，平法兰及汇流盘各有8个孔，其中4个孔用螺栓把平法兰和汇流盘连接，另外4个孔用于加固，即把长度等于两个平法兰内表面距离的环氧树脂棒17装在两平法兰15之间，棒的两端面有螺孔，用螺钉把棒和法兰连接。
装配好的光学电流互感器下面有底座箱22，中间有绝缘子21，上面为壳体19，三者之间可以用法兰连接(图中未画出)，壳体的上部是水平的圆筒状，两端盖中心有孔供汇流盘的凸杆穿出，两端盖至少有一个是活动盖，用螺钉固定在圆筒上，以便装入螺线管传感头等。两端盖的外面还有压盖20，一端的压盖的孔径大于汇流盘的凸杆直径，并且装有绝缘套25，绝缘套的内径与汇流盘的凸杆配合，绝缘套的外径为粗细两段，细段在压盖的孔内，粗段在端盖孔内及壳体内，绝缘套使该端的汇流盘与壳体绝缘，并限制汇流盘轴向移动。另一端不装绝缘套，压盖孔与凸杆配合，该端汇流盘与壳体密切接触，使壳体与被测线路处于等电位。壳体的下部为一小段竖直的管，下端为法兰。从构槽16引出的光纤在壳体下部分别连接绝缘子21的中心的光纤进入底座箱22，其输入光纤接光源，光源可以是发光二极管或激光器，平行输出光纤和垂直输出光纤分别接光电转换器。光源、光电转换器可以装在底座箱内，也可以装在控制室内，光纤接头置于底座箱内。应用时将光学电流互感器安装在构架上，用螺栓将底座箱上的地角孔固定在构架的平台上；通过汇流盘的凸杆将光学电流互感器串联在被测线路上。
光源发出的光经由输入光纤，再经过输入自聚焦透镜变为平行光，平行光经过起偏器后变成偏振光，经过条状光学玻璃在被测线路电流的磁场作用下其偏振面发生旋转，经过检偏器转换为平行和垂直两个光强信号，经平行自聚焦透镜和平行输出光纤、垂直自聚焦透镜和垂直输出光纤后在各自的光电转换器输出电压信号。电压信号输入到工控机，进行信号处理。当垂直输出电压信号为JS、平行输出电压信号为JP时，则被测线路的电流为i=22·V··JP-JSJP+JS]]>
其中，V为磁光材料的Verdet常数。
为了提高精度，在螺线管内可以在圆柱形绝缘块装两个或多个光学传感器，具体方式如下(1)在螺线管内设置两个光学传感头，其条状磁光材料2为相同的材料，例如可以是ZF-7光学玻璃，绝缘块3用尼龙，由两个半圆柱构成，在同一块的切面上，以中心线为轴对称地在两侧开日字形槽，并且对称地放置两个光学传感头A和B；两个传感头的输入光纤可以接同一个光源，也可以分别接光源，平行和垂直输出光纤各接一个光电转换器，其信号分别为JAS、JAP和JBS、JBP，在底座的线路板进行加权平均，可以提高测量精度。
被测电流的计算公式如下i=12·V·(JAP+JBP)-(JAS+JBS)(JAP+JBP)+(JAS+JBS)]]>其中，V为磁光材料的Verdet常数。JAS是光学传感头A的垂直输出电压信号，JAP是光学传感头A的平行输出电压信号，JBS是光学传感头B的垂直输出电压信号，JBP是光学传感头B的平行输出电压信号。
如果需要，可在螺线管内设置两个以上具有同种磁光材料的传感头，更能够提高测量精度。还可以把一个或几个传感头作为备用，即平时不投入运行，当其中有的传感头出现故障损坏，不发出信号或信号明显反常时，自动切换备用的传感头投入运行。
(2)在螺线管内设置两个传感头，其磁光材料不同，其中一个是对温度敏感的顺磁性磁光材料，例如选用MR-3磁光玻璃；另一个为对温度敏感度小的磁光材料，例如选用ZF-7磁光玻璃，其绝缘块3同样采用两个半圆柱形的尼龙块，在两个切块的切面上分别开日字形槽，放置光学传感头，两半圆柱粘接成圆柱形之后，两个光学传感头呈脸对脸形式(即以粘接面对称布置)，其输入光纤可以接一个光源，也可以各接一个光源，其四个输出光纤各接一个光电转换器，温度敏感的传感头的输出为JTS和JTP，另一个输出为JOS和JOP，在底座箱内的线路板对各输出信号进行分析、比较和计算。
具体方法如下①在光学电流互感器安装于线路之前，将其置于温度控制箱内，光学电流互感器的螺线管通过一个固定的电流，例如100安培，测出温度系数K与修正系数R之间的变化曲线，即通过调节温度控制箱内的温度T从零下40摄氏度到零上60摄氏度的范围内变化时，计算出各温度点下的修正系数R和温度系数K，并且绘制成R-K的关系曲线。其中，修正系数R的计算公式为R=JTP-JTSJTP+JTS·JOP+JOSJOS-JOS]]>温度系数K的计算公式为
K=200·JTP+JTSJTP-JTS.]]>其中，JTS是温度敏感的传感头的垂直输出电压信号，JTP是温度敏感的传感头的平行输出电压信号，JOS是对温度敏感度小的传感头的垂直输出电压信号，JOP是对温度敏感度小的传感头的平行输出电压信号。
②将光学电流互感器安装于线路之后，按照修正系数R的计算公式计算出R③根据①所绘制的R-K关系曲线和②所计算出的修正系数R，得到相应的温度系数K④根据温度系数K计算出线路的电流值，计算公式如下i=1K·JTP-JTSJTP+JTS]]>这样，就可以得到经过修正的高精度电流测量值。
(3)在螺线管内设置四个光学传感头，其中两个是采用对温度敏感度小的磁光材料，例如可以采用ZF-7光学玻璃，另外两个采用对温度敏感的磁光材料，例如可以采用MR-3光学玻璃，绝缘块3为尼龙两半圆柱形，每个半圆柱切面上以中心线为对称，在两侧放置两个传感头，各传感头的中心线平行于圆柱的轴线，且到轴线的距离相等。两个半圆柱粘成圆柱后，呈以粘接切面为对称的状态。其输入光纤可以接同一个光源，也可以各自接光源，8根输出光纤各接一个光电转换器，其中两个对温度敏感度小的传感头的垂直、平行输出信号各自进行加权平均处理，两个对温度敏感的传感头的垂直、平行输出信号也分别进行加权平均处理，用以上对信号的处理方法进行修正。
如果需要，螺线管内可以设置更多的传感头，只需把绝缘块的圆柱形等分成更多的块，在切面上开日字形槽放置传感头，再粘接成圆柱形即可。
每种光学传感头都用一部分运行，进行加权平均处理，提高测量精度；另一部分作为备用，当运行中的光学传感头出现故障时自动切换备用的光学传感头投入运行，从而提高互感器的长期运行可靠性。
这些信号处理方法都是公知的技术，不细述。
值得提出的是，如果用光导纤维取代本实用新型中的条状光学玻璃，也可以取得较好的效果。
本实用新型也可以用在其他电压等级的线路上，如6KV、10KV、220KV、330KV、500KV、750KV等，区别仅在于绝缘子不同，其他均相同。
注本实用新型所称输入自聚焦透镜、平行输出自聚焦透镜和垂直输出自聚焦透镜是以其所起作用而命名，其实是同一种自聚焦透镜。
本实用新型所说的对圆柱形绝缘块沿轴向切开的切块，只是对分块的形状的描述，并非一定要切开，可以直接做出二分之一或三分之一圆柱，粘接成圆柱。
权利要求1.一种光学电流互感器，包括光学传感头，光学传感头包括法拉第磁光材料、起偏器、检偏器、光学透镜、光纤，其特征在于至少有一个所说的光学传感头置于被测电流通过的螺线管(1)内，光学传感头的中心线与螺线管的轴线平行；所说的一个传感头包括一根直的条状法拉第磁光材料(2)，条状的法拉第磁光材料的一端依次接有起偏器(7)、输入自聚焦透镜(6)及输入光纤(8)，在条状法拉第磁光材料的另一端依次接有检偏器(9)、平行输出自聚焦透镜(10)和平行输出光纤(11)，上述各器件与条状法拉第磁光材料处于同一直线上，该直线即传感头的中心线，检偏器与上述直线垂直连接有垂直输出自聚焦透镜(12)和垂直输出光纤(13)；光学传感头的条状磁光材料的长度小于螺线管的长度，条状磁光材料处于通电螺线管内的稳定的磁场区域中；当光学传感头为两个或两个以上时，各传感头的中心线与螺线管的轴线的距离相等。
2.根据权利要求1所述的光学电流互感器，其特征在于置于螺线管内且与螺线管轴线平行的光学传感头至少为两个，各传感头的条状磁光材料是相同的。
3.根据权利要求1所述的光学电流互感器，其特征在于置于螺线管内且与螺线管轴线平行的光学传感头至少为两个，其条状磁光材料的材料有一个是对温度敏感的磁光材料，其余的为对温度敏感度小的同一种磁光材料。
4.根据权利要求1所述的光学电流互感器，其特征在于置于螺线管内且与螺线管轴线平行的光学传感头至少有四个，其条状磁光材料的材料至少有两个是同一种对温度敏感的磁光材料，其余的为相同的对温度敏感度小的一种的磁光材料。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的光学电流互感器，其特征在于光学传感头固定在圆柱形绝缘块(3)内，绝缘块(3)装配在螺线管(1)内，绝缘块由至少两个纵向切开的切块粘合而成圆柱，至少在一个切块的切面上靠近圆柱体的中心部位开有与圆柱体轴线平行的槽(4)和垂直的槽(5)，呈T字形，条状磁光材料(2)、起偏器(7)和输入自聚焦透镜(6)以及检偏器(9)和平行输出自聚焦透镜置于平行的槽(4)内，垂直输出自聚焦透镜置于垂直的槽(5)内，条状磁光材料与圆柱体的轴线平行，并粘结固定在槽内。
6.根据权利要求5所述的光学电流互感器，其特征在于在开槽的绝缘块的切面上的两端还各开有垂直于轴线的槽，还在靠近外表开另外一个一端通到绝缘体外的基本平行于轴线的槽，构成日字形的槽，入射光纤、平行输出光纤和垂直输出光纤都经过槽引到同一侧，并从一端引到绝缘块外；绝缘块的材料为环氧树脂、橡胶或尼龙之中的任一种。
7.根据权利要求6所述的光学电流互感器，其特征在于在圆柱形绝缘块的外面还有一个环氧树脂筒(14)，在环氧树脂筒与绝缘块之间充填硅橡胶，环氧树脂筒装在螺线管内。
8.根据权利要求1、2、3、4、6、7中任一项所述的光学电流互感器，其特征在于螺线管的两端磨成平面，各焊接有一个平法兰(15)，位于绝缘块光纤引出处的平法兰的外面设有沟槽(16)，光纤从沟槽引出，平法兰的一部分孔用来加固，即两个平法兰之间置环氧树脂棒(17)，棒的两端各有螺孔，以螺钉把法兰压紧在环氧树脂棒上，平法兰的另一部分孔与带凸杆的汇流盘(18)连接。
9.根据权利要求5所述的光学电流互感器，其特征在于螺线管的两端磨成平面，各焊接有一个平法兰(15)，位于绝缘块光纤引出处的平法兰的外面设有沟槽(16)，光纤从沟槽引出，平法兰的一部分孔用来加固，即两个平法兰之间置环氧树脂棒(17)，棒的两端各有螺孔，以螺钉把法兰压紧在环氧树脂棒上，平法兰的另一部分孔与带凸杆的汇流盘(18)连接。
10.根据权利要求1或2或3或4所述的光学电流互感器，其特征在于所说的磁光材料为光学玻璃、石榴石单晶及尖晶石晶体中的任一类，且为每类中的任一种，所说的对温度敏感的磁光材料为顺磁性磁光材料；光学传感头的条状磁光材料的横断面为正方形、圆形、矩形、菱形、正多边形之中的任一种。
11.根据权利要求1所述的光学电流互感器，其特征在于通电螺线管为一层或多层并联螺线管，螺距很小；螺线管的材料为铜、铝或钢之中的任一种，螺线管线的横断面为圆形、矩形、多边形或正方形之中的任一种。
专利摘要一种应用于电力系统高压线路电流测量及控制的光学电流互感器，以条状磁光材料为主要传感元件的传感头置于被测电流通过的螺线管内，并与螺线管的轴线平行，传感头的条状磁光材料的长度小于螺线管的长度，条状磁光材料处于螺线管内的稳定磁场区域中。一个传感头有一根条状磁光材料，其一端依次连接起偏器、自聚焦透镜和输入光纤，另一端依次连接检偏器、平行自聚焦透镜、平行输出光纤、垂直自聚焦透镜和垂直输出光纤。由于光路为直线形，避免了现有技术中块状传感头多次45度反射，克服了随时间推移反射面变性而导致反射的光强变弱而丧失稳定性的缺陷。本实用新型的光学电流互感器的传感头性能能够保持长期稳定，即该光学电流互感器能够长期稳定地运行。由于通电螺线管内的磁场强大，且磁场方向与条状磁光材料的平行度好，通过条状磁光材料的偏振光旋转角大，所以测量精度高。
文档编号G01R15/00GK2752926SQ200420112010
公开日2006年1月18日 申请日期2004年11月3日 优先权日2004年11月3日
发明者杨以涵, 郭志忠, 李岩松, 张国庆, 于文斌 申请人:郭志忠, 李岩松, 张国庆