一种三相一体式全光纤电流互感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种三相一体式全光纤电流互感器，包括光源以及与光源连接的分光器，还包括与分光器同时连接的第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器，第一相位调制器依次连接有第一延迟线圈和第一敏感元件，第二相位调制器依次连接有第二延迟线圈和第二敏感元件，第三相位调制器依次连接有第三延迟线圈和第三敏感元件；分光器在返回光路上的输出端依次连接有光电探测器和数字信号采集处理电路，数字信号采集处理电路分别闭环反馈连接第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器。本实用新型通过一套设备即可同时完成三相电流的测量，并大大减少了光学器件及电路设备的每相使用数量，降低了成本，提高了整套设备的集成度。
【专利说明】一种三相一体式全光纤电流互感器
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种电力设备【技术领域】，特别是一种三相一体式全光纤电流互感 器。
【背景技术】
[0002] 电流互感器是电力系统中继电保护与电能计量的重要设备，用来测量传输中的电 流大小，并将测量到的电流大小发送至测量仪器和继电保护装置。其长期稳定性、可靠性、 安全性与电力系统的安全、稳定运行密切相关。传统的电磁式电流互感器在常规输变电中 长期应用，但存在绝缘复杂、磁饱和、抗电磁干扰性能差、有爆炸、二次开路危险等缺点，随 着我国电网电压等级的升高，这些问题日益突出且其暂态性能和频率特性已不能满足快速 继电保护的需求。全光纤电流互感器基于法拉第磁光效应及安培环路定律，采用数字控制 技术，具有安全、准确、交直流兼容测量等特点，适应智能电网的新需求。
[0003] 全光纤电流互感器的光源经入射光路、敏感元件和返回光路后，生成携带相位差 信息的光被光电探测器转为电信号，再对该电信号进行采集和信号处理，由于敏感元件设 置于导体磁场中发生法拉第磁光效应，相位差与导体中的磁场强度成正比，而磁场强度与 电流强度成正比，从而得到被测电流的大小并输出。每套全光纤电流互感器生成的是携带 单相的相位差信息，最终得到的也是单相电流的大小。在变电站中进行三相电流监测时，通 常是把三套全光纤电流互感器编为一组，即将它们放在同一间隔，每套全光纤电流互感器 进行单相电流的测量并输出。由于全光纤电流互感器作为一种新兴技术，目前全光纤电流 互感器的成本相对较高，主要的材料成本体现在其光学器件上，采用三套全光纤电流互感 器组合更是导致成本成三倍增涨，使得用户很难接受，从而限制了应用。而且通过三套全光 纤电流互感器组合进行三相电流测量，还存在集成度低，占地面积大的缺点，无法满足智能 变电站的要求。 实用新型内容
[0004] 本实用新型针对现有的全光纤电流互感器进行三相电流测量时整体成本过高以 及集成度低等问题，提供一种新型的三相一体式全光纤电流互感器，通过一套设备即可同 时完成三相电流的测量，并大大减少了光学器件及电路设备的每相使用数量，降低了成本， 减小了体积，提高了整套设备的集成度和可靠性。
[0005] 本实用新型的技术方案如下：
[0006] -种三相一体式全光纤电流互感器，包括光源以及与光源连接的分光器，其特征 在于，还包括与分光器同时连接的第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器，所 述第一相位调制器依次连接有第一延迟线圈和第一敏感元件，所述第一敏感元件包括依次 连接的第一 1/4波片、第一传感光纤环和第一反射镜，所述第一 1/4波片连接第一延迟线 圈；所述第二相位调制器依次连接有第二延迟线圈和第二敏感元件，所述第二敏感元件包 括依次连接的第二1/4波片、第二传感光纤环和第二反射镜，所述第二1/4波片连接第二延 迟线圈；所述第三相位调制器依次连接有第三延迟线圈和第三敏感元件，所述第三敏感元 件包括依次连接的第三1/4波片、第三传感光纤环和第三反射镜，所述第三1/4波片连接第 三延迟线圈；所述分光器在返回光路上的输出端依次连接有光电探测器和数字信号采集处 理电路，所述数字信号采集处理电路分别闭环反馈连接第一相位调制器、第二相位调制器 和第三相位调制器。
[0007] 所述光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源分别连接至分光 器；还包括恒光控制电路，所述恒光控制电路的输入端与数字信号采集处理电路相连，所述 恒光控制电路的输出端同时与第一光源和第二光源相连。
[0008] 所述数字信号采集处理电路包括相互连接的AD采样电路和数字信号处理电路， 所述AD采样电路与光电探测器相连，所述数字信号处理电路同时连接第一相位调制器、第 二相位调制器和第三相位调制器，所述数字信号处理电路还与恒光控制电路相连。
[0009] 所述第一延迟线圈、第二延迟线圈和第三延迟线圈的长度各不相同。
[0010] 所述分光器采用3X3光纤耦合器。
[0011] 所述分光器采用1X2分束器的合束臂与1X3分束器的合束臂熔接形成的2X3 光纤稱合器。
[0012] 本实用新型的技术效果如下：
[0013] 本实用新型提供的三相一体式全光纤电流互感器，通过设置与分光器同时连接的 三条支路，使得光源发出的光经过分光器后分成均等的三份进入三个相位调制器，每条支 路都是通过各自的相位调制器变成相互垂直的两个线偏振光，经过各自的延迟线圈进入各 自敏感元件变成圆偏振光，根据法拉第磁光效应，穿过各敏感元件的待测导体电流的磁场 会引起各敏感元件中的两束旋转方向相反的圆偏振光的相位变化，即产生相位差，三相电 流信息分别加载在三个敏感元件的偏振光上，经敏感元件的反射镜反射返回，从敏感元件 出来的光转换为携带相位差信息的线偏振光，三条支路返回光路上均携带了单相的相位差 信息并经各自的相位调制器汇合至分光器，再由光电探测器将各路的携带相位差信息的光 分别转化为携带相位差信息的电信号，通过数字信号采集处理电路对三路电信号进行采样 和数据处理，三路单相的携带相位差信息的电信号均与单相电流有关，故数字信号采集处 理电路能够分别得到A、B、C三相电流信息。通过一套三相一体式的全光纤电流互感器设 备即可同时完成三相电流的测量，避免了变电站中进行三相电流监测时将三套全光纤电流 互感器编为一组而导致整体成本暴涨以及集成度低和占地面积大的问题；本实用新型可以 理解为是将三套传统的单相的全光纤电流互感器的各组成器件进行整合及复用形成一套 三相一体式的全光纤电流互感器设备，较大程度减少了光学器件及电路设备的每相使用数 量，降低了成本，提高了设备集成度。相对于三套传统的单相电流测量的全光纤电流互感器 的组合，本实用新型减少了两个光电探测器、两个分束器，并减少了两个数字信号采集处理 电路以及光源等器件，成本优势明显，设备集成度较高，集成后的三相一体式的全光纤电流 互感器占地面积缩小，结构也比较简单，并且提高了全光纤电流互感器的工作效率，能够满 足智能变电站的要求，有利于被推广应用。
[0014] 本实用新型三相一体式的全光纤电流互感器中的光源可以配置为双光源，各光源 均通过恒光控制电路与数字信号采集处理电路中的数字信号处理电路相连，通过数字信号 处理电路控制恒光控制电路来实现对双光源的控制，可以同时实现高可靠和高稳定的光功 率输出，故能够提高系统可靠性。而且，采用双光源的配置，整套三相一体式的全光纤电流 互感器设备中的平均使用数量仍然远小于传统的单相电流测量的全光纤电流互感器，而可 靠性却高于传统的单相电流测量的全光纤电流互感器。故本实用新型的三相一体式的全光 纤电流互感器具有降低成本，减小体积，提高集成度和可靠性的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本实用新型三相一体式全光纤电流互感器的结构示意图。
[0016] 图2为本实用新型三相一体式全光纤电流互感器的优选结构示意图。
[0017] 图3为本实用新型三相一体式全光纤电流互感器的另一种优选结构示意图。
[0018] 图4为各相位调制器的工作原理图。
[0019] 图5为数字信号处理电路的工作示意图。
[0020] 图中各标号列示如下：
[0021] 1 -光源；11 -第一光源；12 -第二光源；2 -分光器；31 -第一相位调制器； 41 一第一延迟线圈；51 -第一敏感兀件；511 -第一 1/4波片；512 -第一传感光纤环； 513 -第一反射镜；32 -第二相位调制器；42 -第二延迟线圈；52 -第二敏感元件；521 - 第二1/4波片；522 -第二传感光纤环；523 -第二反射镜；33 -第三相位调制器；43 -第 三延迟线圈；53 -第三敏感元件；531 -第三1/4波片；532 -第三传感光纤环；533 -第三 反射镜；6 -光电探测器；7 -数字信号采集处理电路；71 - AD采样电路；72 -数字信号处 理电路；8 -恒光控制电路。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本实用新型进行说明。
[0023] 本实用新型涉及一种三相一体式全光纤电流互感器，用于电力系统中的三相电流 测量，该三相一体式全光纤电流互感器的结构如图1所示，包括光源1以及与光源1连接的 分光器2,还包括与分光器2同时连接三条支路，第一条支路依次为：第一相位调制器31、第 一延迟线圈41和第一敏感元件51，其中，第一敏感元件51包括依次连接的第一 1/4波片 511、第一传感光纤环512和第一反射镜513,第一 1/4波片511连接第一延迟线圈41 ;第二 条支路依次为：第二相位调制器32、第二延迟线圈42和第二敏感元件52,其中，第二敏感元 件52包括依次连接的第二1/4波片521、第二传感光纤环522和第二反射镜523,第二1/4 波片521连接第二延迟线圈42 ;第三条支路依次为：第三相位调制器33、第三延迟线圈43 和第三敏感元件53,其中，第三敏感元件53包括依次连接的第三1/4波片531、第三传感光 纤环532和第三反射镜533,第三1/4波片531连接第三延迟线圈43 ;还包括在返回光路上 的分光器2的输出端依次连接的光电探测器6和数字信号采集处理电路7,数字信号采集处 理电路7分别闭环反馈连接第一相位调制器31、第二相位调制器32和第三相位调制器33。
[0024] 光源1发出的光经过分光器2,分成均等的三份进入三条支路，首先分别进入三个 相位调制器，以第一条支路为例，第一相位调制器31通过内部的偏振器将光源的自然光变 成线偏振光，再根据数字信号采集处理电路7输出的信号控制第一相位调制器31调制偏 振光的工作点，经过第一相位调制器31对线偏振光进行相位调制后变成两束偏振方向相 互垂直的线偏振光，再经过第一延迟线圈41进入敏感元件51。第一延迟线圈41的尾纤与 敏感元件51中的第一 1/4波片511的尾纤之间按照45°熔接。线偏振光经过第一 1/4波 片511后变成圆偏振光，从而第一传感光纤环512中有两束方向相反的圆偏振光传播。当 导体中无电流时，两束圆偏振光的传播速度相等，相位差为零。当导体中有电流时，在待测 A相电流的磁场作用下，一束圆偏振光变快，另一束方向相反的圆偏振光变慢。在第一传感 光纤环512中传播一段时间后，会出现相位差，根据安培环路定律，该相位差与待测A相电 流成正比。这种法拉第磁光效应是非互易的，因而光传播到第一传感光纤环512末端的第 一反射镜513反射返回时，此种效应加倍，相位差是单程的二倍。圆偏振光返回时经过第一 1/4波片511又转换为线偏振光，但是其偏振角与入射的线偏振光已经出现偏差，即此时的 线偏振光已经携带了待测A相电流信息。经过第一调制解调器31中的偏振器时，光强随着 偏振角会出现变化，经过分光器2送入光电探测器6时，转换出的电流也会出现变化。数字 信号采集处理电路7对光电探测器接收光强转换出的电流进行采集检测，换算出待测导体 中的A相电流信息。另外两条支路的工作原理和第一条支路相同，根据法拉第磁光效应，穿 过各敏感元件的待测导体电流的磁场会引起敏感元件中的两束旋转方向相反的圆偏振光 的相位变化，A、B、C三相电流信息分别加载在三个敏感元件的偏振光上，通过各支路上所对 应的相位调制器进行相位调制，可调制在不同的工作点上，并经过分光器2汇聚，传递到光 电探测器6后转换成电信号输入到数字信号采集处理电路7进行解调处理，分别得到待测 导体的A、B、C三相电流信息。
[0025] 图2为本实用新型三相一体式全光纤电流互感器的优选结构示意图，该实施例采 用了双光源，即光源包括第一光源11和第二光源12,第一光源11和第二光源12分别连接 至分光器2 ;还包括恒光控制电路8,恒光控制电路8的输入端与数字信号采集处理电路7 相连，恒光控制电路8的输出端同时与第一光源11和第二光源12相连。双光源发出的光汇 合至分光器2后再分成均等的三份进入三条支路，双光源的配置提高了光路中的光强，更 有利于被测电流的测量。数字信号采集处理电路7包括相互连接的AD采样电路71和数字 信号处理电路72, AD采样电路71与光电探测器6相连，数字信号处理电路72同时连接第 一相位调制器31、第二相位调制器32和第三相位调制器33,通过AD采样电路71采集光电 探测器所转化的携带电流信息的电信号并传输至数字信号处理电路72进行数据信息处理 和闭环反馈至各相位调制器，由数字信号处理电路72进行电流补偿相位以及被测电流信 息的计算。数字信号处理电路72还与恒光控制电路8相连，通过数字信号处理电路72来控 制恒光控制电路8实现双光源的高可靠和高稳定的光功率输出，从而提高系统可靠性。需 要说明的是，对于图1所示的采用一个光源的全光纤电流互感器的结构也可以采用恒光控 制电路，设置恒光控制电路分别与数字信号采集处理电路和光源相连。
[0026] 全光纤电流互感器的光电探测器接收光功率的传递函数为
【权利要求】
1. 一种三相一体式全光纤电流互感器，包括光源以及与光源连接的分光器，其特征在 于，还包括与分光器同时连接的第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器，所述 第一相位调制器依次连接有第一延迟线圈和第一敏感元件，所述第一敏感元件包括依次连 接的第一 1/4波片、第一传感光纤环和第一反射镜，所述第一 1/4波片连接第一延迟线圈； 所述第二相位调制器依次连接有第二延迟线圈和第二敏感元件，所述第二敏感元件包括依 次连接的第二1/4波片、第二传感光纤环和第二反射镜，所述第二1/4波片连接第二延迟线 圈；所述第三相位调制器依次连接有第三延迟线圈和第三敏感元件，所述第三敏感元件包 括依次连接的第三1/4波片、第三传感光纤环和第三反射镜，所述第三1/4波片连接第三延 迟线圈；所述分光器在返回光路上的输出端依次连接有光电探测器和数字信号采集处理电 路，所述数字信号采集处理电路分别闭环反馈连接第一相位调制器、第二相位调制器和第 三相位调制器。
2. 根据权利要求1所述的三相一体式全光纤电流互感器，其特征在于，所述光源包括 第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源分别连接至分光器；还包括恒光控制电路， 所述恒光控制电路的输入端与数字信号采集处理电路相连，所述恒光控制电路的输出端同 时与第一光源和第二光源相连。
3. 根据权利要求2所述的三相一体式全光纤电流互感器，其特征在于，所述数字信号 采集处理电路包括相互连接的AD采样电路和数字信号处理电路，所述AD采样电路与光电 探测器相连，所述数字信号处理电路同时连接第一相位调制器、第二相位调制器和第三相 位调制器，所述数字信号处理电路还与恒光控制电路相连。
4. 根据权利要求3所述的三相一体式全光纤电流互感器，其特征在于，所述第一延迟 线圈、第二延迟线圈和第三延迟线圈的长度各不相同。
5. 根据权利要求1或2所述的三相一体式全光纤电流互感器，其特征在于，所述分光器 米用3X3光纤稱合器。
6. 根据权利要求1所述的三相一体式全光纤电流互感器，其特征在于，所述分光器采 用1 X 2分束器的合束臂与1 X 3分束器的合束臂熔接形成的2X 3光纤耦合器。
【文档编号】G01R15/24GK204116426SQ201420504336
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】周炜, 刘东伟, 李永兵 申请人:易能乾元（北京）电力科技有限公司