专利名称：高光强效益型全光纤反射式光学电流互感器的制作方法
技术领域：
高光强效益型全光纤反射式光学电流互感器
技术领城
本实用新型属于光电技术领域，其涉及一种全光纤反射式光学电沐传 感器，用于以全光纤光学千涉方法测量电流，特别是测量高压输电线路的 电流。
背景技术：
近年来在高电压环境中以全光纤光学方法精确测量电流的技术在电力 工业中正在被广泛研究并将逐步进入应用。与现用的传统技术相比较，光
学测量技术主要的优点为
对电磁干扰不敏感；优异的电气绝缘性能；更大的带宽；更高的动态 范围；重量轻；体积小；更高的精度；安全的运行条件等；
目前其它研究中所用过的全光纤反射式光学电流互感器方案，在光源 发出光束进入探测光路的入射端，并且也就是在被反射而返回的光束离开 探测光路的出射端利用了保偏或非保偏的光纤耦合分光器，其作用是将入 射光部分耦合进入探测光路，并使返回的光部分进入光探测器。这两个过 程导致了作为低相干光源的超辐射发光二极管所提供光强的大量掼失。现 有方案中，仅仅由于光纤耦合器的应用，往返历经全探测光路从而可以将
所感应到的有用信号带回到光电探测器的光强只剩下光源所提供光强的四 分之一以下。
在全光纤反射式光学电流传感器中，宽带，大功率，高稳定性光源的 使用是必不可少的降低前向行进光与背向瑞利散射之间和光束两个正交 偏振传播模之间交叉耦合形成的相干扰动；保证光学电流传感器泉统整体 具有足够高的灵敏度和精度；波长和光强的长期稳定；这几个对总体性能 起关键作用的因素都相当大地依赖于光源本身。因此对于全光纤反射式光 学电流传感器光源的要求是相当苛刻的，其结果是满足这些条件的光源价
格昂贵，结构复杂.而且较难购得。
实际的高压输电线路绝大多数都是三相的，每一相中的电流都需要独 立的测量，即每相都需要装备此类光源的一组光学电流传感器。显然，如 果采用目前研究中所用的全光纤反射式光学电流互感器方案，由于上述光 源所提供光强的大量损失，就只能每组装备一个光源，这将极大的增加造 价，并且会相当大的降低系统的整体可靠性.为降低成本并增大全系统的 整体可靠性，所有各相的光学电流传感器共用一组光源是自然而合理的。 这就进一步要求充分利用上述光源所提供的光强。
为降低成本并增大全系统的整体可靠性，所涉及光学电流传感器和光 学电压传感器共用一组光源同样是合理而实际的选择。这同样要求充分利 用上述光源所提供的光强。
本实用新型在完全达到现有方案中全光纤反射式光学电流互感器所有 性能的前提下对其光路组成结构作出改变，使按照本实用新型构造的新型 全光纤反射式光学电流互感器能够显著地提高其光源的利用效益，克服了 现有方案中的缺点，从而降低全光纤反射式光学电流传感器建造成本并增 大全系统的整体可靠性。
实用新型内容
本实用新型的目的就是提供一种全光纤反射式干涉仪型光学电流传感器。
为了实现本实用新型的目的，提供了一种全光纤反射式干涉仪型光学 电流传感器，用于以全光纤光学干涉方法测量大电流。 一种用全光纤光学 干涉方法测量高压输电线路中电流的高光强效益型全光纤反射式光学电流
互感器，其包括 光电单元； 光纤传输线单元； 光纤电流传感单元；
所述光电单元，光纤传输线单元和光纤电流传感单元依次相i光连接 构成高:光强效益型全光纤反射式光学电流互感器；
其中所述光电单元提供适用于检测的光束，光纤传输线单元将上述光
太从 t电单元正向传输到处于高电压区域中的光纤电流传感单元，光纤电 流传感单元利用上迖光束传感由其光纤所封闭环绕栽流导体中的待测电 流，并且使此光東返E再反向经过光纤传输线单元进入所述光电单元，所
述光电单元检出所述光束中的待测电流信号并将其转换为电信号输出；所 述光电单元还包括一个保偏光学环形器，所述检测光束正向、反向传播路 径中都经过该保偏光学环形器。
光电单元然后把反向通过光纤传输线单元返回后栽有所感应到待测电 流信号的光束检测出来，并转化为电信号输出到信号数据处理器，经过分 析计算而得到待测电流值。
上迷光电单元包括输出线偏振光的宽带光源、保偏光学环形器、光纤 偏振器、保偏光纤消偏器、光学双折射相位调制器、信号发生器、光电检 测器以及信号数据处理器。
上述光电单元在检测光束正向、反向传播路径中都利用同一个保偏光 学环形器，以显著地提高其宽带光源的使用效益。
由宽带光源发出的线偏振光束正向经过保偏光学环形器传输到光纤偏 振器，从其中出射的线偏振光经保偏光纤45度熔接处后被等分为两个相等 的正交线偏振光进入保偏光纤消偏器，用以抑制上述传播在同一保偏光纤 里的两个正交偏振光之间在行进途中寄生的交叉偏振耦合，随后分别传播 进入光学双折射相位调制器；依照信号发生器给出的调制信号上述光学双 折射相位调制器对两个正交线偏振光进行同步调制，随后经由保偏光纤延 迟线传榆给光纤电流传感单元；通过光纤电流传感单元经反射返回的栽有 待测电流信号的光束在光纤偏振器产生干涉，此干涉光反向通过保偏光学 环形器后传输到光电检测器，在其中转化为电信号输出后再经过信号数据 处理而得到待测电流值。
上述光电单元必要时还可以加上由反馈控制电路，光学双折射相位调 制器而形成的闭环相位调制部分，以提高系统的信噪比和稳定性.
光纤传输线单元的构成为保偏光纤光缆；内置保偏光纤段；高电压 绝缘结构，前两部分合起来在光路中形成保偏光纤延迟线。
保偏光纤光缆将上述光电单元输出的光束从其所在的测控室传输到高 电压绝缘结构所在处；内置保偏光纤段位于高电压绝缘结构内部，将上述
光束认f氐电压端传输到位于高电压区域中的光纤电流传感单元所:述内置
保偏光纤段由几段不同强度的结构和材料形成的光缆所包装保护的光纤相 互连接构成，使探测用的偏振光束在其中传播时既不受各种外应力的扰动， 又能够满足高电压绝缘的要求。高电压绝缘结构使上述光电单元输出的光 束得以由内置于其中的保偏光纤段传输到光纤电流传感单元，同时为处于 高电压区域中的光纤电流传感单元提供良好的绝缘。
光纤电流传感单元处于高电压环境区域中，由光学部分和封装结构组
成，其光学部分由下列光学部件连接组成光学四分之一波片，它可以是 全光纤构成的，也可以用微光学器件构成；基于法拉第磁光效应来感生待 测电流所生成磁场的传感光纤團；在此光纤围端面的反射镜，通常由光纤 端面反射镀膜形成；将分别位于传感光纤團两端的光学四分之一波片和传 感光纤围另一端面的反射镜尽量接近放置，从而使传感光纤襴封附地环绕 高压电流母线导体至少一匝或整数匝以便感生且仅感生待测电流所生成磁 场；其中，光学四分之一波片用于将保偏光纤延迟线传输的两个正交线性
偏振光转换为两个旋转方向相反的圓偏振光，这两个圆偏振光通鴻传感光 纤圉后在反射镜上被全反射，并相互交换旋转方向，然后沿着传感光纤團 反向传播返回。当反向通过光学四分之一波片时，相互交换旋转方向后的
但对换其线:振轴向。 '° 一 "其封装结构用于支撑安放光学部分；构成待测电流通过的导体；防
止和减低外界各种扰动对这些光学部件的干扰。
从安培定律可以得到沿环绕栽电流导体的任意封闭回路对磁场所作
积分值仅由此封闭回路之中穿过的电流值决定
所以由传感光纤圉和位于传感光纤圉两端的光学四分之一波片和反射 镜构成的任意回i^封闭地环绕高压电流母线导体至少一匪或整数嘆就可以 通过感生仅由此栽电流导体中待测电流所生成磁场而确定此待测电流值， 而不受任何传感光纤團外栽电流导体所产生磁场及其它外界杂散磁场的千
扰影响。
由于传感光纤圏封闭地环绕高压栽流母线导体至少一匝或整^L匝而感
生待測电流所生成磁场，传感光纤圈的直径尺寸，几何形状，栽流导体相 对于传感光纤圈的取向和位置，都不影响所测到的待测电流值。
高压栽流母线导体中的电流产生的磁场因法拉第磁光玟应而使上述两 个旋转方向相反的相继正、反向传播圓偏振光相互之间产生一个与待测电
流成正比的位相差
并在光纤偏振器产生千涉，故落在光探测器上的干涉光强为:
如果利用相关法解调，则当此位相差足够小时，它与光探测器輪出电 信号解调后的一阶谐波分量成正比
由于上式中各量中，V及N皆为已知的，J,(O是其中相应的宗:量为(|> m的一阶贝塞尔函数。其中的小(tH^cos(①mt)为光学双折射相位调制器的调
制信号，是已知量，J，(令m)则为已知，故可以从上式求得待测电流值I的值。
所以待测电流值可以从信号数据处理器给出的对应于一阶谐波分量的
电压信号V,读出。
依据上述被光探测器转换为电信号的干涉光强表达式为基础，可以利 用多种不同的信号解调方式求出其中所包含的高压栽流母线导体中;的待测 电流值I,
图1为具有开环相位调制型结构的高光强效益型全光纤反射式光 学电流互感器示意图
图2保偏光学环形器运行示意图
图3为具有闭环相位调制型结构的高光强效益型全光纤反射式光
学电流互感器示意图
图4高光强效益型全光纤反射式光学电流互感器整体结构示意图 标号说明
l.超辐射发光二极管宽带光源
^樣)(備)
2. 保偏光学环形器
3. 在线光纤偏振器
4. 保偏光纤偏振轴45度熔接
5. 光学双折射相位调制器
6. 保偏光纤延迟线(光纤传输线)
7. 保偏光纤偏振轴45度熔接
8. 光纤四分之一波片
9. 传感光纤團10.反射镜11.承栽待测电流的导体12.光探测器13.调制信号发生器14.信号数据处理器15.保偏光纤消偏器16.反馈控制电路17.光电单元18.绝缘柱体底座19.内置保偏光纤段20.绝缘柱体21.封装结构
门1:保偏光学环形器输入输出口，光源发出的光束从门l入射进入保
偏光学环形器；
门2:保偏光学环形器输入输出口 ，光源发出的光束从门2由保偏光学 环形器出射，并进入本图中的光纤起偏器3以及后继探测光路；
门3:保偏光学环形器输入输出C从探测光路终端经反射后返回的光 束由门2反向进入保偏光环形器，从门3出射后落到光探测器上。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例对本实用新型作进一步的详，说明 参见困1，本实用新型所述的千涉仪型全光纤反射式光学电流互感器由
先电单元，光纤传输线单元，.和光纤电流感应单元连接构成；其中，光电 单元提供适用于检測的光束.光纤传输线单元将此光束传输到光纤电流传 感单元，光纤电流传感单元检测由其光纤所环绕栽流导体中的待测电流， 然后光电单元把所感应到待测电流信号的光束检测出来，并经过信号数据 处理器分析处理而得到待测电流值。
光电单元至少由光源l，保偏光学环形器2，在线光纤偏振器3，保偏 光纤消偏器15，光学双折射相位调制器5，调制信号发生器13，光探测器 12连接构成.参见图1及图2，超辐射发光二极管宽带光源输出的线偏振 光经由门1进入保偏光学环形器2，然后从其门2出射并正向传输给在线光 纤偏振器3。在此过程中，在现有技术里光源l输出的线偏振光通过其中所 使用的光纤辆合器时50%的光强被分掉，也就是损失50%的光强。然而在 本实用新型中，光源输出的线偏振光由门1进入保偏光学环形器2然后从 其门2出射的过程不存在被分掉而损失的光强。在由门1进入保偏光学环 形器2随后从门2出射的线偏振光中，除了入射、出射光的偏振方向相对 转动了 90度，表征此光束光学状态的其它参量以及作为探测光束的功能都 没有改变。被光路终端反射镜IO反射而返回的光束将反向通过在线光纤偏 振器3而成为线偏振光，从保偏光学环形器2的门2入射，随后从其门3 出射。除了入射、出射光的偏振方向相对转动了卯度，表征此光束光学状 态的其它参量以及作为探测光束的功能都没有改变，并且不存在因使用光 纤耦合器时被分掉而大量损失的光强。
4处被等分为两个正交的线偏振光，并分别沿保偏光纤的偏振轴x轴和y轴 传输到光学双折射相位调制器5。用保偏光纤制成的保偏光纤消偏器15被 置放于保偏光纤偏振轴45度熔接4与光学双折射相位调制器5之间，用于 抑制上述传播在同一保偏光纤里的两个正交偏振光之间在行进途中寄生的 交叉偏振耦合。光学双折射相位调制器5在来自调制信号发生器13的调制 信号控制下，利用光纤的双折射性质对上述两个正交线偏振光进行同步调 制。调制信号的振荡频率为f=l/2T，其中T为上述两个正交线偏振光往返通 过保偏光纤延迟线6和传感光纤圏9所用的时间。被调制过的上述两个正 交线偏振光经保偏光纤延迟线6传播到光纤电流传感单元.从光纤电流传 感单元返回的栽有所感应到待测电流信号的光束反向传输到在线光纤偏振
器3并产生千涉，该千涉光束反向经过保鳴光学环形器2传输给光探测器 12，在其中转化为电信号输出到信号数据处理器14后，经过分忻处理而得 到待测电流值。光纤电流传感单元处在全光纤反射式光学电流互感器的高电压环境 区，由光学四分之一沐片8，传感光纤團9，位于传感光纤團9端面的反射 镜10，以及未标画出的封装结构所组成。光学四分之一波片8，它可以是 用全光纤制成，也可以用微光学器件构成，用光纤制成的光学四分之一波 片8具有更大的带宽，能更好地与前后光纤连接，稳定性较好。传感光纤團9由其光纤环绕高压栽流母线导体11若干围，所用的光纤 可以是普通低双折射光纤，也可以是超低双折射光纤或圓保偏光纤。光学 四分之一波片8将出自光纤传输线单元的线偏振光转换为圃偏振光，例如， 将x轴的线偏振光转换为右旋圓偏振光而将y轴的线偏振光转换为左旋圓 偏振光。由于这两个圓偏振光通过传感光纤團后在反射镜上被全反射时会 相互交換旋转方向，然后再沿着传感光纤團反向传播返回，所以当这两个 圓偏振光沿着传感光纤團9先是正向，随后因反射而成为反向传播时，传 感光纤围9所环绕高压栽流母线导体11中的电流产生的磁场因法拉第磁光 效应而使这两个旋转方向相反的圆偏振光相互之间产生一个位相差，其数 值大小满足下式其中V是維尔德(Verdet)常数，N为传感光纤團9环绕裁流母线11的 匝数，I为高压栽流母线导体ll中的待测电流，反向传播的两个旋转方向相反的圃偏振光再经过光学四分之一波片8 而被转換为两个正交线偏振光，并交换光的偏振轴向。当反向传播到达在 线光纤偏振器3时产生干涉.由在线光纤偏振器3输出的干涉光反向经过 保偏光学环形器2后传输到光探测器12，光探测器12所接受的此干涉光的 光强为其中，Id为光探测器12所接受的光强，Is为光源l发出的光强，k为整 个光路的损耗，A<|>=4VNI<j)(t)=(i)mcosi():11t) (3)"为光学双护射相位调制器5的调制信号。因it'匕，高压栽流母线导体U中的待测电流值I可以从(2)中得出。此千涉光的光强随后被光探测器12转换为电信号并输出到信号数据处 理器14。以被光探测器12转换为电信号的干涉光的光强表达式(2)为基础， 可以利用多种不同的信号解调方式求出其中所包含的高压栽流母线导体11 中的待测电流值I。当利用相关法解调基于(2)式得到的信号时，本实施例的信号数椐处 理器14将光探测器12输出的电信号解调后，则当此位相差足够小时，可 以利用其一阶谐波分量得出正比于高压栽流母线导体11中的待测电流值I 的电压信号^cc魂)(碰) (4)其中，V,是信号数据处理器14给出的对应于一阶谐波分量的电压信号， J,Ol)m)是其中相应的宗量为小m的一阶贝塞尔函数。由于调制信号(3)是已知量，J!(命m)則为已知，故可以从(4)式得到待测电流值I的值.为去除光源1功率波动对待测电流值I造成的影响，可以利用信号数据处理器14同时测出的对应于一阶和二阶谐波分量的电压信号V,(WnO与 V2(2 m)，并利用对应的J,(小m)， J2((|>m)，得到不受光源输出光强波动影响的待测电流值I的值1f5、本实用新型可以用于对交流电流的测量，也可以应用于对直流电流的 测量。图4给出本实用新型所述的全光纤反射式光学电流传感器各个单元分 布设置的示意图.光电单元17全部置放于测控室内部，由处于室外的光纤 传输线单元中的保偏光纤光缆6将上述光电单元输出的光束传输到高压绝 缘柱体结构底座18，再由内置保偏光纤段19经由高压i^柱体20结构内 部传输到光纤电流感应单元中的光学四分之一波片8，随后进入环绕栽流导 体ll的传感光纤圏9和反射镜10。处于高电压环境中的所有光学部分都置
休U的传感光汁圓9和反射镜iO。处于高电庄环境-中的所有光学部分都置放于封装結构:i之中，聂后应说明的是以上实施例仅用以说明本实用新型，而并非限制本 实用新型；因此尽管本说明书参照上述的各个实施例时，对本实用新型已 进行了详细地说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本 实用新型进行修改或者等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围 的技术方案及其改进，均应涵盖在本实用新型的范围当中。
权利要求1.一种用全光纤光学干涉方法测量高压输电线路中电流的高光强效益型全光纤反射式光学电流互感器，其特征在于，包括光电单元；光纤传输线单元；光纤电流传感单元；所述光电单元，光纤传输线单元和光纤电流传感单元依次相互光连接构成高光强效益型全光纤反射式光学电流互感器；其中所述光电单元提供适用于检测的光束，光纤传输线单元将上述光束从光电单元正向传输到处于高电压区域中的光纤电流传感单元，光纤电流传感单元利用上述光束传感由其光纤所封闭环绕的载流导体中的待测电流，并且使此光束返回再反向经过光纤传输线单元进入所述光电单元，所述光电单元检出所述光束中的待测电流信号并将其转换为电信号输出；所述光电单元还包括一个保偏光学环形器，所述检测光束正向、反向传播路径中都经过该保偏光学环形器。
2.根据权利要求1所述的高光强效益型全光纤反射式光学电流互感器， 其特征在于所述光电单元包括依次光连接的输出线偏振光的宽带光源， 保偏光学环形器、光纤偏振器、保偏光纤消偏器、光学双折射相位调制器、 调制信号发生器、光探测器以及信号数据处理器。
3.根据权利要求1所述的高光强效益型全光纤反射式光学电流互感器， 其特征在于所述发出线偏振光的宽带光源和光纤偏振器之间以及光纤偏 振器与光探测器之间设有保偏光学环形器；由宽带光源发出的线偏振光束 正向从保偏光学环形器门1输入其中再由其门2输出到光纤偏振器；而通 过光纤传输线单元及光纤电流传感单元经反射返回的载有待测电流信号的 光束通过门2反向进入保偏光学环形器后从其门3输出而传输到光探测器。
4.根据权利要求1所述的高光强效益型全光纤反射式光学电流互感器， 其特征在于所述光电单元可以包括由光学双折射相位调制器，调制信号 发生器，光探测器以及信号数据处理器构成的开环光学相位调制结构；也 可以包括由反馈控制电路，光学双折射相位调制器，调制信号发生器，光探测器以及信号数据处理器而形成的闭环光学相位调制结构。
5. 根据权利要求2所述的高光强效益型全光纤反射式光学电流互感器 中的光电单元，其特征在于所述光学双折射相位调制器可以用电光晶体 与光纤以及相应的光耦合器件等结合形成的集成光学器件构成。
6. 根据权利要求1或2所述的高光强效益型全光纤反射式光学电流互 感器，其特征在于所述信号数据处理单元为将通过光纤电流传感单元经 反射返回的载有待测电流信号并传输到光探测器的干涉光光强转化为电信号并处理输出的信号数据处理单元；其中，V是维尔德常数，N为传感光纤圏环绕栽流母线的匝数，Id为光 探测器所接受的光强，Is为光源发出的光强，k为整个光路的损耗，其中的 <|)(t)= (j)mCOS((Dmt)为光学双折射相位调制器的调制信号；式中I作为高压载流母线导体中的待测电流可利用上式通过各种信号 解调方法分析处理而得出；式中I作为载流母线导体中的待测电流可以是直流电流，也可以是交流 电流。
7.根据权利要求2或4所述的高光强效益型全光纤反射式光学电流互 感器，其特征在于利用相关法解调，在待测电流导致的位相差足够小时， 所述信号数据处理器为依据下式将来自光探测器的电信号解调并利用其一阶谐波分量得出正比于载流 母线导体中待测电流值I的电压值的信号数据处理器；其中，V,是信号数据处理器给出的对应于一阶谐波分量的电压信号，J, (化)是其中相应的宗量为(l)m的一阶贝塞尔函数。
8.根据权利要求1所述的高光强效益型全光纤反射式光学电流互感器， 其特征在于所述光纤传输线单元包括保偏光纤光缆；内置保偏光纤段； 高电压绝缘结构，前两部分合起来在光路中形成保偏光纤延迟线；保偏光纤光缆将上述光电单元输出的光束从其所在的测控室传输到高电压绝缘结 构所在处；位于高电压绝缘结构内部的内置保偏光纤段将上述光束从低电fW,(A,)(疆) 压端传输到位于高电压区域中的光纤电流传感单元；所迷内置保偏光纤跌 由几段不同强度的结构和材料形成的光缆所包装保护的光纤相互连接构 成。
9. 根据权利要求1所述的高光强效益型全光纤反射式光学电流互感 器，其特征在于所述光纤电流传感单元处于高电压环境区域中，其包括 光学部分和封装结构，所述光学部分由下列光学部件光连接组成光学四 分之一波片，它可以是全光纤构成的，也可以用微光学器件构成；用以感 生待测电流所生成磁场的传感光纤圏和在此传感光纤圈端面的反射镜；分 别位于传感光纤圏两端的光学.四分之一 波片和传感光纤圏另一端面的反射 镜应该尽量接近地放置，从而使传感光纤圈封闭地环绕高电压载流母线导 体至少一匝或整数匝；其封装结构用于支撑安放光学部件。
10. 根据权利要求1所述的高光强效益型全光纤反射式光学电流互感 器，其特征在于所述全光纤反射式光学电流传感器各个单元分布设置为 光电单元全部置放于测控室内部，由处于室外的光纤传输线单元中的保偏 光纤光缆将上述光电单元输出的光束传输到高压绝缘柱体給构底座，再由 内置保偏光纤段经由高压绝缘柱体结构内部传输到光纤电流感应单元中的 光学四分之一波片，随后进入环绕载流导体的传感光纤圈和反射镜，被反射后沿着传感光纤圈反向传播；处于高电压环境中的所有光学部分都置放 于封装结构之中。
专利摘要本实用新型给出一种用全光纤光学干涉方法测量高压输电线路中电流的高光强效益型全光纤反射式光学电流传感器和方法，可以在有杂散电磁场，温度及振动等干扰因素的高电压环境中精确地测量电流。由产生探测光束，并且将返回的所感应到的待测电流信号检测并处理输出的光电单元，将此光束传输到光纤传输线单元和位于高电压区域中感应待测电流的光纤传感单元相连接构成。在光电单元中使用保偏光学环形器提高了宽带光源的效益。高压载流母线导体中的电流产生的磁场因法拉第磁光效应而使作为探测光束的两个旋转方向相反的圆偏振光相互之间产生一个与待测电流成正比的位相差，对由此位相差决定的干涉光强作分析处理就可以得到待测电流值。
文档编号G01R15/24GK201047858SQ20072015363
公开日2008年4月16日 申请日期2007年5月23日 优先权日2007年5月23日
发明者湾世伟 申请人:湾世伟