磁光电流互感器的制作方法

本发明涉及光学电流传感器领域，具体涉及一种磁光电流互感器。

背景技术：

随着电力传输容量的不断增长和电网电压的不断提高，在高压、超高压电网中传统的电磁感应式结构已逐渐暴露出诸多缺陷，如：绝缘措施复杂、体积庞大、存在爆炸的风险、抗电磁能力差、测量精度低等，日渐被更为小巧安全的光电式电流互感器替代。光电式电流互感器主要分为有源型、无源型及全光纤型3类。

有源型光电电流互感器乃是高压侧电流信号通过采样线圈将电信号传递给发光元件而变成光信号，再由光纤传递到低电位侧，进行逆变换成电信号后放大输出。高压侧电子器件的电源来源于光供电方式、母线电流供电方式、电池供电方式以及超声电源供电方式。有源型是较早期的结构，其优点是结构简单，长期稳定性较好，在现代电子器件可靠性高、性能稳定的条件下易于实现精度高、输出大的实用性产品，其缺点是取样信号顶部结构较复杂，传感头位于高压大电流环境下易受电磁干扰、易于损坏。

无源型光电电流互感器的传感头部分不需要供电电源。传感头一般用法拉第磁光效应原理制成，处于低电位的光源发出的偏振光经光纤传到高压侧，并通过处于被测电流产生的磁场中。偏振光的偏振面在磁光玻璃中发生旋转，即电流信号偏振调制光波。带电流信号的光波经光纤传到地电位侧，经光—电变换后放大输出。无源型结构是近年来较为盛行的，其优点是结构简单，且完全消除了传统的电磁感应元件，无磁饱和问题，充分发挥了光电互感器的特点，尤其是高压侧无电源电子器件，无温度稳定性问题，互感器运行寿命容易保证。其缺点是光学器件制造难度大，测量的高精度难以做到，且长期稳定性还存在问题。

全光纤型光电电流互感器实际也是无源型，只是传感头即是由光纤制作的环状感应装置，其余与无源型完全一样。全光纤型光电电流互感器的优点是传感头结构最简单，比无源型易于制造，缺点如光纤本身以及光纤绕制等弹光效应、线性双折射及其它光效应等，影响测量的精度和稳定性。

以上方式均有运用，有些已挂网运行，但至目前为止在我国电力电网上并未获得成功推广应用。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供的磁光电流互感器，基于透明磁光材料磁致旋光效应(MCB)，通过检测两路闭环光的相位差，间接检测输电线中工频交变电流的大小，提高了检测精度和稳定性。

第一方面，一种磁光电流互感器，其特征在于，包括：激光器、3×3耦合器、第一保偏光纤、第二保偏光纤、磁光模块、集磁环、相位解调器；所述磁光模块包括第一准直器、第二准直器、偏振片、第一λ/4波片、第二λ/4波片、透明磁光体；所述透明磁光体为长方体，所述透明磁光体的长轴方向的两端为全反射镜，所述全反射镜与所述透明磁光体的长轴的夹角为45°；所述透明磁光体的长轴与所述集磁环的磁场方向平行；所述激光器与所述3×3耦合器的第一端口连接；所述3×3耦合器的第二端口、所述第一保偏光纤、所述第一准直器、所述偏振片、所述第一λ/4波片依次连接；所述3×3耦合器的第三端口、所述第二保偏光纤、所述第二准直器、所述偏振片、所述第二λ/4波片依次连接；所述第一保偏光纤快轴向或慢轴向、所述第二保偏光纤快轴向或慢轴向、所述偏振片偏振方向一致；所述第一λ/4波片的快轴向或慢轴向与所述第二λ/4波片的快轴向或慢轴向相互正交，且偏振片偏振方向位于所述第一λ/4波片的快轴或慢轴与所述第二λ/4波片的快轴或慢轴的正交角平分线；所述第一λ/4波片输出左旋圆偏振光，所述第二λ/4波片输出右旋圆偏振光，所述左旋圆偏振光和所述右旋圆偏振光的旋转方向相向；所述左旋圆偏振光和所述右旋圆偏振光分别垂直于所述透明磁光体的长轴入射，经所述透明磁光体两端的全反射镜反射后沿对方的光路返回，分别进入所述3×3耦合器的第四端口和第五端口，平衡输出给所述相位解调器；所述相位解调器用于分别对所述第四端口和所述第五端口输出的光进行光电转换，得到对应的第一路电信号和第二路电信号；对所述第一路电信号与所述第二路电信号进行加法运算、减法运算、微分运算，将和的微分运算结果与差的微分运算结果进行叉乘，对两个叉乘结果的和进行积分运算，最终得到相位解调输出结果。

本发明提供的磁光电流互感器，基于磁致旋光效应制成，属于无源型光电电流互感器，不存在高压电磁干扰或高压击穿的困扰，并且避免了线性双折射对系统精度的影响；在透明磁光体中的光路平行于集磁环中的磁场方向，有利于增强磁光效应，提高检测的灵敏度；利用对称、闭环双光路检测方式，通过3╳3耦合器形成两路平衡光的干涉，解调两路光的相位差。显著改善激光光源输出功率不稳定、环境温度的变化、外界震动、光学器件参数变化等对测量精度的影响；3╳3耦合器相位解调方法，相比于其它解调技术，其最大优点为不需任何调制器件，解调信号动态范围大，灵敏度高，结构简单。

优选地，所述透明磁光体具有强磁光效应系数。

优选地，所述集磁环的材料为纳米高导磁率的磁性材料。

优选地，所述集磁环包括两个完全对称的集磁半环，两个所述集磁半环的一端有缝对接，另一端端头之间间隙安装所述磁光模块。

优选地，所述集磁半环不对接的一端端头呈梯度状。

第二方面，本发明提供的另一种磁光电流互感器，包括：激光器、2×2耦合器、保偏光纤、一分二光纤分路器、磁光模块、集磁环、鉴频解调器；所述磁光模块包括第一准直器、第二准直器、偏振片、第一λ/4波片、第二λ/4波片、透明磁光体；所述透明磁光体为长方体，所述透明磁光体的长轴方向的两端为全反射镜，所述全反射镜与所述透明磁光体的长轴的夹角为45°；所述透明磁光体的长轴与所述集磁环的磁场方向平行；所述激光器与所述2×2耦合器的第一端口连接；所述2×2耦合器的第二端口、所述保偏光纤、所述一分二光纤分路器第一输入端口、所述一分二光纤分路器输入第二端口、所述第一准直器、所述偏振片、所述第一λ/4波片依次连接；所述一分二光纤分路器第三端口、所述第二准直器、所述偏振片、所述第二λ/4波片依次连接；所述保偏光纤快轴或慢轴向、偏振片偏振方向一致；所述第一λ/4波片的快轴或慢轴向与所述第二λ/4波片的快轴或慢轴向相互正交，且偏振片偏振方向位于所述第一λ/4波片的快轴或慢轴与所述第二λ/4波片的快轴或慢轴的正交角平分线；所述第一λ/4波片输出左旋圆偏振光，所述第二λ/4波片输出右旋圆偏振光，所述左旋圆偏振光与所述右旋圆偏振光的旋转方向相向；所述左旋圆偏振光和所述右旋圆偏振光分别垂直于所述透明磁光体的长轴入射，经所述透明磁光体两端的全反射镜反射后沿对方的光路返回，闭合于一分二光纤分路器，形成干涉后经所述保偏光纤、所述2×2耦合器的第三端口输出至鉴频解调器；所述鉴频解调器用于对所述2×2耦合器第三端口输出的光信号用于光谱仪解调或进行光电转换、鉴频解调输出、模数转换、数字信号处理，最终得到解调输出结果。

本发明提供的磁光电流互感器，基于磁致旋光效应制成，属于无源型光电电流互感器，不存在高压电磁干扰或高压击穿的困扰，并且避免了线性双折射对系统精度的影响；在透明磁光体中的光路平行于集磁环中的磁场方向，有利于增强磁光效应，提高检测的灵敏度；利用对称、闭环双光路、单保偏光纤、传感现场完成干涉的检测方式；直接通过光谱仪解调或鉴频解调的方式。显著改善激光光源输出功率不稳定、环境温度的变化、外界震动、光学器件参数变化等对测量精度的影响；解调信号动态范围大，灵敏度高，结构简单。

优选地，所述透明磁光体具有强磁光效应系数。

优选地，所述集磁环的材料为纳米高导磁率的磁性材料。

优选地，所述集磁环包括两个完全对称的集磁半环，两个所述集磁半环的一端有缝对接，另一端端头之间间隙安装所述磁光模块。

优选地，所述集磁半环不对接的一端端头呈梯度状。

附图说明

图1示出了本发明实施例所提供的磁光电流互感器的结构框图；

图2示出了本发明实施例所提供的磁光电流互感器的应用场景；

图3示出了本发明实施例所提供的另一种磁光电流互感器的结构框图。

附图中，1-激光器；2-3×3耦合器；3-保偏光纤；31-第一保偏光纤；32-第二保偏光纤；4-一分二光纤分路器；5-磁光模块；6-集磁环；7-输电线；8-相位解调器；9-鉴频解调器；10-2×2耦合器；11-主机；

51-第一准直器；52-第二准直器；53-偏振片；54-第一λ/4波片；55-第二λ/4波片；56-透明磁光体；57-全反射镜。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度θ与磁感应强度B和光穿越介质的长度L的乘积成正比，即θ＝VBL，比例系数V称为费尔德常数，与磁光介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。

当磁性物质在外加磁场作用下磁化时，磁光物质本身的折射率造成磁致双折射(magnectic birfringgence)效应,即其右旋折射率和左旋折射率不相同,使得左旋振光和右旋偏振光传播相速度不同，两种光产生相位差，同时磁光材料对左旋振光和右旋偏振光吸收系数的不同。对于线偏振光可以分解为同相位、同幅度左旋偏振光和右旋偏振光，基于以上两种相位差和幅度差合成之后的两种光就会叠加成一束具有一定椭偏率和偏转角的椭圆偏振光。

法拉第偏转角θ＝VBL＝πL/λ(nl-nr)，其中λ为光波波长，nl和nr分别是左旋偏振光和右旋偏振光的折射率，且受磁场强度B调制。

如图1所示，本发明实施例提供的一种磁光电流互感器，包括：激光器1、3×3耦合器2、第一保偏光纤31、第二保偏光纤32、磁光模块5、集磁环6、相位解调器8；磁光模块包括第一准直器51、第二准直器52、偏振片53、第一λ/4波片54、第二λ/4波片55、透明磁光体56；透明磁光体56为长方体，透明磁光体56的长轴方向的两端为全反射镜57，全反射镜57与透明磁光体56的长轴的夹角为45°；透明磁光体56的长轴与集磁环6中的磁场方向平行；激光器1与所述3×3耦合器2的第一端口连接；3×3耦合器2的第二端口、第一保偏光纤31、第一准直器51、偏振片53、第一λ/4波片54依次连接；3×3耦合器2的第三端口、第二保偏光纤32、第二准直器52、偏振片53、第二λ/4波片55依次连接；第一λ/4波片54的快轴(或慢轴)与第二λ/4波片55的快轴(或慢轴)正交且分别与偏振片53成45°；第一准直器51输出的光垂直入射偏振片53和第一λ/4波片54，输出左(或右)旋圆偏振光；第二准直器52输出的光垂直入射偏振片53和第二λ/4波片55，输出右(或左)旋圆偏振光；左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别垂直于透明磁光体56的长轴入射，经透明磁光体56两端的全反射镜57反射后沿对方的光路返回，分别通过3×3耦合器2的第四端口和第五端口输出给相位解调器8；相位解调器8用于分别对3×3耦合器2的第四端口和第五端口输出的光进行光电转换得到对应的第一路电信号和第二路电信号，对第一路电信号与第二路电信号进行加法运算、减法运算、微分运算，将和的微分运算结果与差的微分运算结果进行叉乘，对两个叉乘结果的和进行积分运算，最终得到相位解调输出结果。

如图2所示，上述磁光电流互感器使用时，输电线7穿过集磁环6，一旦输电线7内载有交变工频电流时，集磁环6中相应产生感应交变磁场，并经集磁环6的间隙处的透明磁光体56形成闭合磁路。由于透明磁光体56的磁致旋光效应，在透明磁光体56中传播的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的相速分别受到集磁环中磁场强度的调制，调制后的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光相位分别携带外加交变磁场的强度信息，即集磁环6中的工频电流产生的交变磁场强度的信息。因此，通过透明磁光体56后的两路光带有输电线7的工频电流大小的信息。

上述磁光电流互感器的工作过程为：激光器1输出的光经过3×3耦合器2进入两路保偏光纤，两路光通过保偏光纤平衡输入磁光模块5，这两路光幅度大小、偏振态等完全一致，即激光器输出的线偏振光的偏振方向、第一保偏光纤31快轴(或慢轴)方向、第二保偏光纤32的快轴(或慢轴)方向、偏振片53偏振方向完全平行，这两路光分别经过准直器、偏振片、λ/4波片后成为一路左旋圆偏振光和一路右旋圆偏振光，这两路光同时垂直入射到透明磁光体56内，分别经透明磁光体56两端的全反射镜57反射后，两路光的传播方向均改变90°，且沿透明磁光体56的长轴方向相向而行，经透明磁光体56另一端的全反射镜57反射后的两路光继续沿对方的光路返回，通过3×3耦合器2输出给相位解调器8。从3×3耦合器2的输出的两路光的相位包含与被检测输电线的电流大小成线性关系的磁场强度信息，通过相位解调器8检测出与相关的相位信息。

双光路、双向、对称及闭环检测方式显著改善激光光源输出功率不稳定、环境温度的变化、外界震动、光学器件参数变化等对测量精度的影响，有效地提高了检测设备的抗干扰能力、稳定性，同时有助于提高了最终的检测精度。

其中，3×3耦合器采用平衡相位解调技术。

磁光模块5以及光纤传输部分的物理结构所采用的光学器件、光信号源及幅度对称一致。双光路、双向闭环结构，避免了因单边结构方式所采用的线偏振光快轴、慢轴分量幅度的差异、相位的差异，偏振方向的旋转等，工程运用困难，测量的精度及稳定性无法保证。

相位解调器8通过对平衡、相互独立同性的两路光进行差分、微积分等运算解算出相位信息，相比单路光方案，提高了系统的抗干扰能力，进一步提高了测量的精度和稳定性。

本发明实施例提供的磁光电流互感器，基于透明磁光体的磁致旋光效应，属于最强磁光效应，测量的灵敏度、精度高，属无源型，不存在高压电磁干扰或高压击穿的困扰；在透明磁光体56中的光路平行于集磁环6中的磁场方向，有利于增强磁光效应，提高检测的灵敏度；利用闭环双光路检测方式，有助于改善激光光源输出功率不稳定、环境温度的变化、外界震动以及光学器件参数变化等对测量精度的影响；采用3╳3耦合器2相位解调方法，该解调方式相比于其它解调技术，其最大优点为不需任何调制器件，解调信号动态范围大，灵敏度高，结构简单。

激光器1和相位解调器8集成在主机11内部。

相位解调器8输出的信号还可以通过后端的主机11中的处理器进行温度非线性补偿、系统非线性修正措施实现线性化，进一步提高对输电线中交变电流量的精确测量。

透明磁光体56选用具有强磁光效应系数的材料制成。

全反射镜57可通过在透明磁光体56中镀高反光率的反射膜实现。

集磁环6采用纳米高导磁率的磁性材料制成，具有良好磁化线性性、近似零磁滞、零矫顽率。如图2所示，集磁环6由完全对称的两个集磁半环组成，这种结构使得集磁环6可直接对输电线7装配或拆解，不需要通过拆卸输电线7来装配集磁环6；两个集磁半环装配好后，其中一接头处完全对接，另外一接头间隙处安装磁光模块5，磁路仍处于闭环状态；集磁环6悬空的端部呈梯形状，该结构有助于进一步将磁场集中于透明磁光体56中，有利于减少因其它磁光效应如科顿莫顿效应对磁光模块5中其它光学器件的影响，进一步提高测量的精度和灵敏度。

为了进一步减小环境因素的影响以及保偏传输光纤自身参数的变化的影响等，有利于工程运用，本发明实施例还提供了另一种磁光电流互感器，如图3所示，包括：激光器1、2╳2耦合器10、保偏光纤11、一分二光纤分路器4、磁光模块5、集磁环6、鉴频解调器9。

磁光模块包括第一准直器51、第二准直器52、偏振片53、第一λ/4波片54、第二λ/4波片55、透明磁光体56；透明磁光体56为长方体，透明磁光体56的长轴方向的两端为全反射镜57，全反射镜57与透明磁光体56的长轴的夹角为45°；透明磁光体56的长轴与所述集磁环6中的磁场方向平行；一分二光纤分路器4实现平衡分路输出及两路光的干涉。

激光器1与2×2耦合器10的第一端口连接；2×2耦合器10的第二端口、保偏光纤11、一分二光纤分路器4第一输入端口，一分二光纤分路器4第二输入端口、第一准直器51、偏振片53、第一λ/4波片54依次连接；一分二光纤分路器第三端口、第二准直器52、所述偏振片53、所述第二λ/4波片55依次连接；磁光模块5中，保偏光纤11快轴或慢轴向、偏振片53偏振方向一致；第一λ/4波片54的快轴或慢轴向与所述第二λ/4波片55的快轴或慢轴向相互正交，且偏振片53偏振方向位于第一λ/4波片54快轴与第二λ/4波片55快轴的正交角平分线，或位于第一λ/4波片54慢轴与第二λ/4波片55慢轴的正交角平分线；第一λ/4波片54输出左(或右)旋圆偏振光，第二λ/4波片55输出右(或左)旋圆偏振光，两圆偏振光旋转方向相向；左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别垂直于透明磁光体56的长轴入射，经透明磁光体56两端的全反射镜57反射后沿对方的光路返回，构成闭合光路，闭合于一分二光纤分路器4，形成干涉。回路光分别进入2×2耦合器10的第三端口，输出至鉴频解调器9；所述鉴频解调器9用于对所述2×2耦合器10的第三端口输出的光信号进行光谱仪解调或进行光电转换、鉴频解调输出、模数转换、数字信号处理，最终得到解调输出结果。

如图2所示，上述磁光电流互感器使用时，输电线7穿过集磁环6，一旦输电线7内载有交变工频电流时，集磁环6中相应产生感应交变磁场，并经集磁环6的间隙处的透明磁光体56形成闭合磁路。由于透明磁光体56的磁致旋光效应，在透明磁光体56中传播的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的相速分别受到集磁环中磁场强度的调制，调制后的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光相位分别携带外加交变磁场的强度信息，即集磁环6中的工频电流产生的交变磁场强度的信息。因此，通过透明磁光体56后的两路光带有输电线7的工频电流大小的信息。

上述磁光电流互感器的工作过程为：激光器1输出的光经过2×2耦合器10进入保偏光纤3，经一分二光纤分路器4分为两路光输入磁光模块5，这两路光幅度大小、偏振态等完全一致，即激光器1输出的线偏振光的偏振方向、保偏光纤11的快轴(或慢轴)方向、偏振片53偏振方向完全平行，这两路光分别经过准直器、偏振片、λ/4波片后成为一路左旋圆偏振光和一路右旋圆偏振光，这两路光同时垂直入射到透明磁光体56内，分别经透明磁光体56两端的全反射镜57反射后，两路光的传播方向均改变90°，且沿透明磁光体56的长轴方向相向而行，经透明磁光体56另一端的全反射镜57反射后的两路光继续沿对方的光路返回，通过2×2耦合器10输出给鉴频解调器9。由于磁致旋光效应对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的不同作用，两路光干涉后的信号包络变化频率含有与被检测输电线的电流大小成线性关系的磁场强度信息，通过鉴频解调器9或光谱仪检测出相关的信息。

本发明实施例提供的磁光电流互感器，基于磁致旋光效应制成，属于无源型光电电流互感器，不存在高压电磁干扰或高压击穿的困扰，并且避免了线性双折射对系统精度的影响；在透明磁光体中的光路平行于集磁环中的磁场方向，有利于增强磁光效应，提高检测的灵敏度；利用对称、闭环双光路、单保偏光纤、传感现场完成干涉的检测方式；直接通过光谱仪解调或鉴频解调的方式。显著改善激光光源输出功率不稳定、环境温度的变化、外界震动、光学器件参数变化等对测量精度的影响；解调信号动态范围大，灵敏度高，结构简单，有利于工程运用。

透明磁光体56选用具有强磁光效应系数的材料制成。

全反射镜57可通过在透明磁光体56中镀高反光率的反射膜实现。

集磁环6采用纳米高导磁率的磁性材料制成，具有良好磁化线性性、近似零磁滞、零矫顽率。如图2所示，集磁环6由完全对称的两个集磁半环组成，这种结构使得集磁环6可直接对输电线7装配或拆解，不需要通过拆卸输电线7来装配集磁环6；两个集磁半环装配好后，其中一接头处完全对接，另外一接头间隙处安装磁光模块5，磁路仍处于闭环状态；集磁环6悬空的端部呈梯形状，该结构有助于进一步将磁场集中于透明磁光体56中，有利于减少因其它磁光效应如科顿莫顿效应对磁光模块5中其它光学器件的影响，进一步提高测量的精度和灵敏度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。