一种中点耦合式光纤电流互感器的制造方法
【专利摘要】一种中点耦合式光纤电流互感器，采用双线同向绕法绕制光纤线圈，使得传感光纤线圈的第一部分与第二部分在一起，经历相同的温度变化，能够消除温度漂移。其次在线圈的传感光纤中点处耦合一个半波片，并将位于传感线圈输入端口的一个1/4波片的耦合角度旋转90°，则使光纤电流互感器消除了对环境振动的敏感性。与现有的技术相比，本实用新型的有益效果是：消除了对环境振动的敏感性以及环境中温度扰动产生的温度漂移。在较强外界振动下能够对100～1000A范围的电流进行稳定测量，电流测量精度达到0.2级；在-50℃～50℃温度变化范围内基本消除了温度漂移。简单结构，降低了工艺难度，有效地减少了互感器的制造成本。
【专利说明】一种中点耦合式光纤电流互感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种互感器领域，尤其涉及一种中点耦合式光纤电流互感器。
【背景技术】
[0002]随着电力工业的迅猛发展，萨格奈克干涉式光纤电流互感器因其在高电压和大电流测量领域中的潜力，得到了研究者的广泛关注。与传统的电磁式电流互感器相比，光纤电流互感器具备诸多优势:不含铁心，故无磁饱和现象；采用光纤作为传感介质，电绝缘性高，抗电磁干扰能力强，不存在开路危险；体积小，质量小，因此拥有广阔的市场应用前景。
[0003]然而，目前萨格奈克干涉式光纤电流互感器并未得到广泛的工程应用，其重要原因之一是这种互感器对环境振动的敏感性以及环境中温度扰动产生的温度漂移。由于采用了类似萨格奈克干涉仪的光路结构，当光通过光纤环形腔发生干涉时，环境的振动或晃动将使环形腔具有瞬时角速度，该角速度将引起萨格奈克干涉效应，萨格奈克干涉产生的相位差与法拉第效应产生的相位差耦合在一起无法分离，从而造成电流测量中的误差。环境振动越剧烈，产生的误差越大；另一方面，光纤线圈中的温度扰动将引起附加相移，进而产生电流互感器的偏置误差，除非采用良好的绝热结构或设计，否则该误差无法消除。为了解决该问题，国内外学者和研究人员先后提出和验证了许多针对萨格奈克干涉式光纤电流互感器的改进方案，如采用退火二氧化硅光纤线圈、扭转光纤、椭圆双折射光纤、镜反射式光纤电流互感器、对称型光纤电流互感器等。但是以上这些方案仍存在结构过于复杂、造价昂贵、对材料和工艺要求严苛的缺点。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供一种中点耦合式光纤电流互感器，采用双线同向绕法绕制光纤线圈，使得传感光纤线圈的第一部分与第二部分在一起，它们经历相同的温度变化，能够消除温度漂移。其次在线圈的传感光纤中点处耦合一个半波片，并将位于传感线圈输入端口的一个1/4波片的耦合角度旋转90°，则使光纤电流互感器消除了对环境振动的敏感性。
[0005]为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现:
[0006]一种中点耦合式光纤电流互感器，包括SLD超辐射发光激光二极管光源、PIN探测器、光纤组件、放大器、A/D模/数转换器、D/A数/模转换器、FPGA现场可编程门阵列、电流导线、半波片，所述的光纤组件包括光纤耦合器、Y型波导、传感光纤线圈一、传感光纤线圈二、两个1/4波片；所述的SLD超福射发光激光二极管光源与光纤稱合器连接,光纤稱合器一端与Y型波导连接，两个1/4波片设置在传感光纤线圈一、传感光纤线圈二入口端，Y型波导的后面；半波片设置在传感光纤线圈一、传感光纤线圈二中点处，传感光纤线圈一、传感光纤线圈二缠绕在待测电流导线上；PIN探测器输入端与光纤耦合器连接，输出端与放大器连接，放大器与A/D模/转换器、FPGA现场可编程门阵列、D/A数/模转换器依次连接，D/A数/模转换器与Y型波导连接，FPGA现场可编程门阵列输出数字信号；所述的传感光纤线圈一、传感光纤线圈二双线同向绕在电流导线上形成光纤线圈。
[0007]所述的两个1/4波片中其中一个水平旋转90°。
[0008]所述的PIN探测器为P型-本征型-N型硅光电二极管探测器。
[0009]与现有的技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0010]与传统的光纤电流互感器相比，本实用新型消除了对环境振动的敏感性以及环境中温度扰动产生的温度漂移。在较强外界振动下(400HZ，20g，g为重力加速度)能够对100?1000A范围的电流进行稳定测量，电流测量精度达到0.2级；在-50°C?50°C温度变化范围内基本消除了温度漂移。由于仅改变传感光纤线圈结构，保持了相对简单的结构，降低了工艺难度，有效地减少了互感器的制造成本。根据国际电工标准IEC60044-8，本实用新型的电流测量精度达到0.2级，为高性能的干涉式光纤电流互感器的设计和制造提供了新的思路和方向。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本实用新型的结构框图。
[0012]图2是中点耦合式光纤电流互感器绕制示意图。
[0013]图3是传感光纤线圈截面示意图。
[0014]1-SLD超辐射发光激光二极管光源 2-PIN探测器 3_光纤耦合器 4_放大器5-A/D模/数转换器6-FPGA现场可编程门阵列7-D/A数/模转换器8-Y型波导9-1/4波片10-电流导线11-半波片12-传感光纤线圈一 13-传感光纤线圈二
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进一步说明:
[0016]如图1所不,一种中点稱合式光纤电流互感器,包括SLD超福射发光激光二极管光源1、PIN探测器2、光纤组件、放大器4、A/D模/数转换器5、FPGA现场可编程门阵列6、D/A数/模转换器7、电流导线10、半波片11，所述的光纤组件包括光纤耦合器3、Y型波导8、传感光纤线圈一 12、传感光纤线圈二 13、两个1/4波片9 ;所述的SLD超福射发光激光二极管光源I与光纤耦合器3连接，光纤耦合器3 —端与Y型波导8连接，两个1/4波片9设置在传感光纤线圈一 12、传感光纤线圈二 13入口端，Y型波导8的后面；半波片11设置在传感光纤线圈一 12、传感光纤线圈二 13中点处，传感光纤线圈一 12、传感光纤线圈二 13缠绕在待测电流导线上10 ；ΡΙΝ探测器2输入端与光纤耦合器3连接，输出端与放大器4连接，放大器4与A/D模/转换器5、FPGA现场可编程门阵列6、D/A数/模转换器7依次连接，D/A数/模转换器7与Y型波导8连接，FPGA现场可编程门阵列6输出数字信号；所述的传感光纤线圈一 12、传感光纤线圈二 13双线同向绕在电流导线10上形成光纤线圈。
[0017]所述的两个1/4波片9中其中一个水平旋转90°。
[0018]所述的PIN探测器2为P型-本征型-N型硅光电二极管探测器。
[0019]工作原理:
[0020]通过导线的电流产生与传感光纤线圈旋向相同的磁场。SLD超辐射发光激光二极管光源I发出的光经过光纤耦合器3和Y型波导8的起偏部分变为两束线偏振光，随后分别被位于感光纤线圈一 12、传感光纤线圈二 13输入端口的两个1/4波片9转换成圆偏振光(两束光的旋向相同)沿相反方向进入传感光纤线圈一 12、传感光纤线圈二 13，由于法拉第磁光效应的存在，电流产生的磁场使两束圆偏振光的偏振面发生旋转，离开感光纤线圈一 12、传感光纤线圈二 13后再次经过1/4波片9重新转换成线偏振光，最后返回Y型波导8的起偏部分发生干涉。使用PIN探测器2测量干涉光强的变化，即可间接得到待测电流值。
[0021]如图2、图3所示，采用双线同向绕法绕制光纤线圈，使得感光纤线圈一 12、传感光纤线圈二 13并列在一起，它们经历相同的温度变化，能够消除温度漂移。其次在线圈的传感光纤中点处耦合一个半波片11，并将位于传感线圈输入端口的一个1/4波片9的耦合角度旋转90°，则使光纤电流互感器消除了对环境振动的敏感性。
[0022]利用公式推倒说明改进后的光路结构对振动和温度扰动不敏感，消除振动敏感性与温度漂移的原因:
[0023]当一束圆偏振光通过存在径向磁场的介质时,法拉第效应将产生一个相位差
[0024]Θ F = aV / Hdz (I)
[0025]式中，a为与光的偏振态有关的系数，对左旋圆偏振光a = _1，对右旋圆偏振光a=I ;
[0026]V为介质的Verdet常数；
[0027]H为磁场强度；
[0028]z为沿着光传播方向的坐标变量。
[0029]对于传感光纤线圈，有dz = βΝ f dl。
[0030]N为线圈匝数；
[0031]β为与光的传播方向有关的系数；当光的传播方向与磁场方向一致时β = 1，否则 β = -1 ;
[0032]I为沿线圈径向的坐标变量；
[0033]应用安培定律β Hdl = Ie并将dz的表达式一起代入式(I)，得
[0034]Θ F = a β VNIe(2)
[0035]式中，Ie为待测电流值。
[0036]选取Y型波导起偏部分的起偏方向作为坐标系的X轴，光的初始传播方向为坐标系的ζ轴。光源出射的光的琼斯矢量为
X'
[0037]E0 =(3)
E
_ y _
[0038]式中，Ex和Ey分别为琼斯矢量的x轴分量和y轴分量。由于SLD输出低偏振度的光，可以认为IEx I ^ |Ey |，Itl ^ 2 |Ex I2，其中Itl为SLD光源出射光的光强。分别对各主要光路器件建立琼斯矩阵如下:
[0039]I)耦合器的琼斯矩阵
I 「I O]…
_] ^=^0 ^ ⑷
[0041]2) Y型波导起偏部分的琼斯矩阵
I「I O
[0042]Lp —厂._? 5)
V2L0 4ε
[0043]式中，系数$源于起偏器的消光比ε无法降低到零，即O < ε <1。
[0044]3) Y型波导相位调制部分的琼斯矩阵
[0045]
_ 々(t> α?「-1炉(O λ'
L1(I) —，L0(t) =C6)
1 O lj 2 0 IJ
[0046]式中，φ (t)为Y型波导在t时刻的调制相位；Li (t)和L2⑴分别为Y型波导相位调制部分的上调制臂和下调制臂的琼斯矩阵。
[0047]4) 1/4波片的琼斯矩阵波片的快轴与坐标系X轴夹角为I;
4
~Q ~I「I —
[0048]L4 = T (.π/4) 6 π/ T ( π/4)=^.~l (7)
0 e,4v2 [_-1 I _
[0049]式中，i为虚数单位。
cos <9 -sin0
[0050]转动变换矩阵7^=LsiMc—_
[0051]5)传感光纤线圈的琼斯矩阵
ΓCOSΘ, sin ?
[0052]Lc =.(8)
-sin Oh cosOh
[0053]由于
I「1-ζ'? I「I Ol「五χ] E「I "
[0054]Lx4LpEn =.—r==^r-.~ι I V2 O O Εχ 2 -1
[0055]因此两束光通过1/4波片后均变为左旋圆偏振光，此时a = 1，如图1所示。光束I的传播方向与电流产生的磁场方向相同，β = I ;而光束2的传播方向与之其相反，β=_1。
[0056]因此式⑶可表示为:
"cosWV/ SinVNIe"
[0057]I1=；(9)
[-SinFMe CosKWe
"cos FMe -sinKM.'、
[0058]Lci =."(10)
SinVNIe cosKA7c
[0059]式中，Lci和Le2分别为光纤线圈对应于光束I和光束2的琼斯矩阵。
[0060]6)经过传感光纤线圈后光束的传播方向与未经过时相反，故需要考虑方向因子
—I O
[0061]^0= 0 1 ⑴，
[0062]则理想条件下，两束光到达探测器的光矢量分别为:
E ~ f VNJΕ^φ(Χ+τ)-φ ft) ) ~
[0063]= LrLpL2(tH-τ) Lx4L0LciLn4L1^0LpLrE0 =~t~ imi(12)
'
E "gi ( VNIΕ+φ{Χ+τ^~φ (t) ) ~
[0064]E2 — LrLpL2(tH-τ) LX4L0LclLN4L2^t)LFLRE(} — ——(_13)
[0065]式中，t为两束光通过传感线圈后的时间延迟，两束光发生干涉后，探测器的响应为
[0066]
I= (E1+ E2)(El + Et2) =丨(I + cos UVNIe +2φ (0-2φ (t + τ) ) ) (14)
[0067]式中，上标表示物理量的共轭。通过测量干涉光强I，即可得到待测电流Ie0
[0068]转过90°的1/4波片的琼斯矩阵变为
~π Te^74 O I I「I Γ
[0069]L@a = T{——)=—j=.4 0 e*/4 V2 _i I
[0070]半波片的琼斯矩阵为
V, ο ? Γ-f o'
[0071]==
[O ean O ?
[0072]从图3的传感光纤线圈截面图中，可以看到半波片将传感光纤线圈分为两部分，每个部分对于光束I和光束2的琼斯矩阵均不同。
[0073]计算温度扰动引起的附加相位差时，以光束I的输入端口作为计算距离ζ的原点；由于采用双线绕法，可以近似认为传感光纤线圈一 12、传感光纤线圈二 13分经历了相同的温度变化。
[0074]对于光束I，传感光纤线圈的琼斯矩阵变为
[0075]
-VNIe.VNIe "
λ cos- sm--
ΖΘβ1 = e1 丁) 22(15).VNI1,VN1-sin---cos-L-
_ 22 _
[0076]
"VNIe.VN1:.,λ cos---sm--
kf+—>+--1^
LQw =Qi ("cw: 2 ) 22 (16).VNIeVNI
sin-- cos--
_ 22 _
[0077]对于光束2，传感光纤线圈的琼斯矩阵变为
[0078]
_ VNI VNI ?
ι；ιιλ cos-- -sin--
L&m = e1 22(17)
,VNLVNI
sin--cos--
_ 22 _
[0079]
'VNIe.VNI e~
τ λ cos--sm--
kf+—)----/-y
LOd =e cw 2 2 ) LL (18).VNIeVNIp
-sin-cos-<-
_ 22 _
[0080]两束光到达探测器的光矢量变为
[0081]
= LrLpL, (t + r)L0 V4L(lL0(:L v-1L0rl/_.V4Ll (i)LpLkE()
T-T(?+1 _/y—
_ Αχ ,.rccr-))lL(19)
_ 4L没啊」
[0082]
ΕΘ, = LrLpL' (/ + T)L V4L0LQ1^Lx^LQn]L&X4L.(I)LpLrE0
J-,.,+τ * i(VNI^ +φ{?τ?' )—φ^ι)
_ 匕X ci(TccwiT'^"cw'*^)) ~ie(20)
—4[_￡e~irNh」
[0083]此时探测器的响应变为
I@ = (￡Θ, + EQ2)(ΕΘ] + ΕΘ:)
[0084]上
= ^ ^(I+ cos (2νΝΙ￡+2φ (Χ)-2φ (t + r) ) ) = Ι(21)
[0085]由上述公式可以看出得出的结果与不考虑振动与温度扰动的原始萨格奈克式光纤电流传感器的响应一致，可见改进后的光路结构对振动和温度扰动不敏感，达到了消除振动敏感性与温度漂移的目的。
【权利要求】
1.一种中点耦合式光纤电流互感器，包括SLD超辐射发光激光二极管光源、PIN探测器、光纤组件、放大器、A/D模/数转换器、D/A数/模转换器、FPGA现场可编程门阵列、电流导线、半波片，其特征在于，所述的光纤组件包括光纤耦合器、Y型波导、传感光纤线圈一、传感光纤线圈二、两个1/4波片；所述的SLD超辐射发光激光二极管光源与光纤耦合器连接，光纤耦合器一端与Y型波导连接，两个1/4波片设置在传感光纤线圈一、传感光纤线圈二入口端，Y型波导的后面；半波片设置在传感光纤线圈一、传感光纤线圈二中点处，传感光纤线圈一、传感光纤线圈二缠绕在待测电流导线上；PIN探测器输入端与光纤耦合器连接，输出端与放大器连接，放大器与A/D模/转换器、FPGA现场可编程门阵列、D/A数/模转换器依次连接，D/A数/模转换器与Y型波导连接，FPGA现场可编程门阵列输出数字信号；所述的传感光纤线圈一、传感光纤线圈二双线同向绕在电流导线上形成光纤线圈。
2.根据权利要求1所述的一种中点耦合式光纤电流互感器，其特征在于，所述的两个1/4波片中其中一个水平旋转90°。
3.据权利要求1所述的一种中点耦合式光纤电流互感器，其特征在于，所述的PIN探测器为P型-本征型-N型硅光电二极管探测器。
【文档编号】G01R19/25GK204008793SQ201420391138
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】马鹏程, 徐亚军 申请人:鞍山博丰电力设备有限公司