一种基于耦合器网络的光学电流互感器的制作方法

本实用新型涉及光学电流互感器领域，具体涉及一种基于耦合器网络的光学电流互感器。

背景技术：

电流互感器是监测电力系统运行状态的重要设备，变电站中测量、监控和保护控制依靠它来获得测量、计量、保护所需的电流信息。传统的电流互感器为电磁式互感器，电磁式互感器由于体积笨重、绝缘结构复杂、易磁饱和、易铁磁谐振、动态测量范围小、响应频带窄等原因越来越不能满足电力系统自动化、数字化网等发展的需要。而光学电流互感器具有绝缘结构简单、体积小、重量轻、线性度好，不存在磁饱和与铁磁谐振问题等优点，可以取代传统的电磁式互感器，有广阔的应用前景。

光学电流互感器采用全光纤结构，基于faraday磁光效应原理实现光信号对电流的感应，将传感光纤盘绕在载流导体外，将被测电流量转化为同源的两束偏振光的相位差，检测该相位差实现对电流的测量。

光学电流互感器体积小，重量轻，安装方式灵活，可通过光纤缠绕的方式实现传感线圈的安装；光学电流互感器有优秀的抗干扰能力，可以有效杜绝传感光纤环外的磁场的影响，且拥有良好的暂态特性，因此在电网或电厂中有广阔的应用前景。

现有技术的光学电流互感器在实际应用中暴露了许多问题：成本高，影响互感器推广；对于某些应用需求，如差动电流测量或零序电流测量需求，没有性价比高的方案；长期运行过程中，光源可能产生衰减，影响互感器误差。

目前对于采用光学电流互感器进行差动电流测量或零序电流测量的应用需求中，或类似的需测量数个测点的合电流的应用需求中，有两种主流的配置方案：

(1)每个测点分别配置一台光学电流互感器，分别采集各测点互感器的数据，由保护装置进行同步并计算出差动、零序等合电流。这样的配置方案不受通流导体布置方式及距离的限制，安装方式较为灵活；但是因为每台互感器的精度、温漂、抗干扰、稳定性等特性都有一定的差异，导致了最终计算出的叠加电流精度难以保证，长期运行易出现较大误差。同时多台互感器的配置也增加了成本。

(2)在条件许可时，将各测点同时囊括在一台光学电流互感器的传感光纤环中，这样传感环测量到的就是各测点电流的共同作用，其输出即直接为叠加后的合电流值。这样的配置方案，只需一台光学电流互感器即可实现对各测点合电流的测量，避免了各测点单独配置电流互感器性能差异造成的影响；但是此方案对各测点通流导体的距离、尺寸、极性等均有较严格的要求，如测差动电流时一般两个测点距离很远，用一个光纤环同时测量是不现实的，测零序电流时各测点导体的布置不均匀可能造成磁场的不平衡，对电流互感器的测量结果的准确性有很大影响，同时电流互感器传感环尺寸极大，制造工艺很难保证。

基于以上分析，本实用新型致力于研究一种集成化的，基于faraday磁光效应的，能够满足测量多个测点合电流需求的光学电流互感器，本案由此产生。

技术实现要素：

本实用新型的目的，在于研究一种集成化的，基于faraday磁光效应的，能够满足测量多个测点合电流需求的光学电流互感器，实现对差动电流、零序电流等合电流的测量的光学电流互感器。

为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：一种基于耦合器网络的光学电流互感器，包括一个光源、一个耦合器网络、n个保偏光路系统、n个信号采集及处理单元，其中n为大于等于2的整数。

所述耦合器网络包括一个初级耦合器和n个次级耦合器，所述初级耦合器至少包括n个输出端口，初级耦合器的第一至第n输出端分别对应连接n个次级耦合器的第一输入端。

所述保偏光路系统由起偏器、调制器、带反射镜的光纤传感环顺序连接而成。

所述信号采集及处理单元包括：顺次连接的光探测器、ad采样和信号处理电路。

所述光源连接初级耦合器的第一输入端，n个信号采集及处理单元、n个次级耦合器和n个保偏光路系统一一对应，每个信号采集及处理单元的光探测器连接对应次级耦合器的第二输入端；次级耦合器的第一输出端口连接到对应的保偏光路系统的起偏器；每个信号采集及处理单元的信号处理电路连接到对应保偏光路系统的调制器为保偏光路系统提供控制电信号。

优选的，耦合器网络由多个同一类型或不同类型的耦合器搭配组成。

优选的，所述光源的光信号频谱宽、相干性弱且光功率超过1mw。

优选的，所述光源采用超辐射发光二极管。

优选的，所述保偏光路系统各器件间通过保偏光纤连接，其中起偏器与调制器间光纤以45°进行熔接，调制器与带反射镜的光纤传感环间光纤以0°进行熔接；带反射镜的传感光纤环由λ/4波片、传感光纤和反射镜构成。

优选的，λ/4波片由长拍长光纤切割而成，传感光纤采用hbspun光纤，反射镜位于传感光纤尾端，通过真空镀膜方式制作而成。

优选的，所述信号采集及处理单元中，光探测器将光信号转换为模拟量电信号输出给ad采样，然后经ad采样转换为数字信号；信号处理电路接收ad采样信号，计算并输出被测电流，同时为调制器提供控制信号。所述信号处理电路可以采用现场可编程门阵列。

经耦合器网络输入的激光被起偏器变为线偏振光，线偏振光经45°熔接点后产生偏振分光，被分解为两正交线偏光，经过调制器后被调制。两正交线偏振光经λ/4波片，变成左旋圆偏振光(lhcp)和右旋圆偏振光(rhcp)，并进入传感光纤环。由于faraday磁光效应作用，两束圆偏振光受到一次电流产生的磁场影响，产生正比于电流的相位差。两偏振光在反射镜处反射后返回次级耦合器的两个输入端，并输入光探测器，信号处理电路从光探测器输出的电信号中包含的相位差信息解调出被测的一次电流信息。

本实用新型较好的解决了用一台光学电流互感器直接测量差动电流或零序电流等合电流的难题。已有的互感器方案中，各测点互感器的器件均是完全独立的，通过保护装置同时接收数个测点的电流，计算其矢量和，推算出差动电流或零序电流等合电流。实际运行时，因光源随时间有一定的功率衰减，造成各台互感器误差有不同幅度的变化，本实用新型各台互感器共用一个光源，光功率衰耗对各光路系统造成的影响是完全一致的，因此在计算合电流时可起到一定的抵消作用，从而降低互感器衰耗造成的影响。

本实用新型所述光学电流互感器，可应用于需要计算合电流的场合中，如要测量零序电流时，可以在a、b、c对应位置分别配置一个传感光纤环，其合电流即为零序电流，在三相电流平衡时此合电流应趋近于零；要测量线路上的差动电流，可在线路的两端分别配置一个传感光纤环，其合电流即为差动电流。

本实用新型可用一台互感器实现对差动电流、零序电流等合电流的探测需求，可有效降低系统成本和复杂度，提高系统可靠性。同时因共用光源，可有效保障各测点光功率衰减特性的一致，减小合电流计算的误差。

附图说明

图1是本实用新型所述光学电流互感器的整体架构图，其中初级耦合器采用2×2光纤耦合器；

图中：1.光源，2.耦合器网络，3.保偏光路系统a,4.信号采集及处理单元a，5.保偏光路系统b,6.信号采集及处理单元b，7.初级耦合器(类型为2×2光纤耦合器)，8.次级耦合器a，9.起偏器a，10.调制器a，11.带反射镜的传感光纤环a，12.光探测器a，13.ad采样a，14.信号处理电路a，15.次级耦合器b，16.起偏器b，17.调制器b，18.带反射镜的传感光纤环b，19.光探测器b，20.ad采样b，21.信号处理电路b。

图2是本实用新型所述光学电流互感器的整体架构图，其中初级耦合器采用3×3光纤耦合器；

图中：7.初级耦合器(类型为3×3光纤耦合器)，22.保偏光路系统c，23.信号采集及处理单元c，24.次级耦合器c。

图3是耦合器网络的结构图，其中初级耦合器采用2×2光纤耦合器。

图4是耦合器网络的结构图，其中初级耦合器采用3×3光纤耦合器。

图5是偏振光路系统a的结构图。

图6是信号采集及处理单元的结构图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。

本实用新型提供一种光学电流互感器，利用耦合器网络和光纤的farady磁光效应感应多个测点的一次电流：每束偏振光在传感光纤中传输时，若受到磁场影响，则偏振光的相位角会产生与磁场强度成正比例的偏移。

本发明的一种基于耦合器网络的光学电流互感器的实施例，包括一个光源、一个耦合器网络、n个保偏光路系统、n个信号采集及处理单元，其中n为大于等于2的整数。

所述耦合器网络包括一个初级耦合器和n个次级耦合器，所述初级耦合器至少包括n个输出端口，初级耦合器的第一至第n输出端分别对应连接n个次级耦合器的第一输入端。

所述保偏光路系统由起偏器、调制器、带反射镜的光纤传感环顺序连接而成。

所述信号采集及处理单元包括：顺次连接的光探测器、ad采样和信号处理电路。

所述光源连接初级耦合器的第一输入端，n个信号采集及处理单元、n个次级耦合器和n个保偏光路系统一一对应，每个信号采集及处理单元的光探测器连接对应次级耦合器的第二输入端；次级耦合器的第一输出端口连接到对应的保偏光路系统的起偏器；每个信号采集及处理单元的信号处理电路连接到对应保偏光路系统的调制器为保偏光路系统提供控制电信号。耦合器网络由多个同一类型或不同类型的耦合器搭配组成。

如图1所示，是包含2路本实用新型光学电流互感器的结构示意图，包括一个光源1、一个耦合器网络2和多个保偏光路系统3、5、多个信号采集及处理单元4、6。

其中，耦合器网络2包括一个初级耦合器7和2个次级耦合器8、15，所述初级耦合器7包括2个输出端口，初级耦合器7的第1、2输出端分别对应连接2个次级耦合器8、15的第一输入端。

其中，保偏光路系统3、5由起偏器9、16、调制器10、17、带反射镜的光纤传感环11、18顺序连接而成。

其中，信号采集及处理单元4、6包括：顺次连接的光探测器12、19，ad采样13、20和信号处理电路14、21。

其中，光源1连接初级耦合器7的第一输入端，2个信号采集及处理单元、2个次级耦合器和2个保偏光路系统一一对应，每个信号采集及处理单元的光探测器连接对应次级耦合器的第二输入端；次级耦合器的第一输出端口连接到对应的保偏光路系统的起偏器；每个信号采集及处理单元的信号处理电路连接到对应保偏光路系统的调制器为保偏光路系统提供控制电信号。

上述光源用于为耦合器网络和后续光路系统提供满足需求的光信号，要求光信号频谱宽、相干性弱且光功率超过1mw，一般采用超辐射发光二极管(sld)。有相应的控制电路和控温系统，用于调节光源驱动电流和光源管芯温度。光源输出光纤与耦合器网络输入光纤连接。本实用新型可实现多个测点共用同一个光源，从而有效降低系统配置成本。

耦合器网络由多个同一类型或不同类型耦合器通过级联及并联等方式构成，所述耦合器分为初级耦合器和次级耦合器，其中初级耦合器的数量只有一个，其输入端连接光源，输出端同时级联2个、3个或更多的次级耦合器，所述初级耦合器可为2×2耦合器、3×3耦合器或其他类型的耦合器、次级耦合器一般为2×2耦合器，也可选用其它类型耦合器。次级耦合器配置的数量由需求的保偏光路系统数量决定，每个传感环配置一个次级耦合器，并根据次级耦合器数量选取初级耦合器类型。光源发出的光信号被耦合器网络分为多束，并分别输入到对应的保偏光路系统。采用初级耦合器和次级耦合器级联的方式，一方面可有效拓展后续保偏光路系统的配置数量，满足不同测量需求；另一方面可防止不同保偏光路系统返回光间的相互干扰，实现对每一个测点的高精度测量。

所述采用耦合器网络的实施例一、二分别如图3或图4所示。

图3所示初级耦合器7采用2×2光纤耦合器，次级耦合器a8、次级耦合器b15均采用2×2光纤耦合器。

初级耦合器7的输入口分别为z1、z2，可任选其中一个连接光源1输出光纤；输出口为z4、z5，其中z4口连接次级耦合器a8的输入口a2，z5口连接次级耦合器b15的输入口b1。光源发出的光经过2×2保偏耦合器被分为两束，z4、z5口的分光百分比为50％:50％。

次级耦合器a8的输入口为a1、a2，其中a2如上所述连接初级耦合器；a1连接信号采集及处理单元a4；输出口为a3、a4，可任选其中一个连接保偏光路系统a3，另一个输出口闲置或作为监测口；a3、a4口的分光百分比为25％:25％。

次级耦合器b15的输入口为b1、b2，其中b1如上所述连接初级耦合器；b2连接信号采集及处理单元b6；输出口为b3、b4，可任选其中一个连接保偏光路系统b5，另一个输出口闲置或作为监测口；b3、b4口的分光百分比为25％:25％。

图4所示初级耦合器7采用3×3光纤耦合器，次级耦合器a8、次级耦合器b15和次级耦合器c24均采用2×2光纤耦合器。

初级耦合器7的输入口分别为z1、z2、z3，可任选其中一个输入口连接光源1输出光纤；输出口为z4、z5、z6，其中z4口连接次级耦合器a8的输入口a2，z5口连接次级耦合器b15的输入口b1，z6口连接次级耦合器c24的输入口c1。光源发出的光经过3×3保偏耦合器被分为三束，z4、z5、z6口的分光百分比为33.33％:33.33％:33.33％。

次级耦合器a8的输入口为a1、a2，其中a2如上所述连接初级耦合器；a1连接信号采集及处理单元a4；输出口为a3、a4，可任选其中一个连接保偏光路系统a3，另一个输出口闲置或作为监测口；a3、a4口的分光百分比为16.17％:16.17％。

次级耦合器b15的输入口为b1、b2，其中b1如上所述连接初级耦合器；b2连接信号采集及处理单元b6；输出口为b3、b4，可任选其中一个连接保偏光路系统b5，另一个输出口闲置或作为监测口。b3、b4口的分光百分比为16.17％:16.17％。

次级耦合器c24的输入口为c1、c2，其中c1如上所述连接初级耦合器；c2连接信号采集及处理单元c23；输出口为c3、c4，可任选其中一个连接保偏光路系统c22，另一个输出口闲置或作为监测口。c3、c4口的分光百分比为16.17％:16.17％。

在优选的实施例中，保偏光路系统各器件间通过保偏光纤连接，其中起偏器与调制器间光纤以45°进行熔接，调制器与带反射镜的光纤传感环间光纤以0°进行熔接；带反射镜的传感光纤环由λ/4波片、传感光纤和反射镜构成。

一个保偏光路系统的优选实施例如图5所示。起偏器)输入端连接耦合器网络2的输出端，二者均为单模光纤，以熔接方式连接；输出端连接调制器10的输入光纤，二者均为保偏光纤，以45°熔接。调制器10的输出端为保偏光纤，以0°熔接的方式连接带反射镜的传感光纤环11；调制器10接收信号接收与处理电路6的控制信号，产生相应的光相位调制信息，并施加在光纤回路中。带反射镜的传感光纤环11由λ/4波片、传感光纤和反射镜构成，其中λ/4波片通常由长拍长光纤切割而成，传感光纤一般采用hbspun光纤，反射镜位于传感光纤尾端，通过真空镀膜方式制作而成。

次级耦合器a8输出的宽带光经过起偏器a9后，成为线偏振光，经45°光纤熔接点分别被注入到保偏光纤的快、慢轴，形成正交的线偏振光；正交线偏振光被调制器a10调制后，传输至带反射镜的传感光纤环a11，被λ/4光纤波片分别转换为左旋圆偏光与右旋圆偏光，分别进入传感光纤中；受到载流导体周围因一次电流产生的磁场影响，基于faraday磁光效应，这两束圆偏振光的传播速度产生变化，造成相位差；经反射镜反射，两束圆偏振光交换模场后沿原光路返回，使其在传感光纤中faraday相移加倍，再次由λ/4光纤波片转换为两束模式互换的正交线偏振光，即原来沿保偏光纤快轴传输的线偏振光此时沿慢轴传输，原来沿保偏光纤慢轴传输的线偏振光此时沿快轴传输；携带相位差信息的两束线偏振光依次返回调制器a10和起偏器a9，并在起偏器后发生干涉，发生干涉后的两束光通过耦合器网络2发送给信号采集及处理系统a4。

所述保偏光路系统b5、保偏光路系统c22结构及实现原理与保偏光路系统a3完全一致。

经耦合器网络输入的激光被起偏器变为线偏振光，线偏振光经45°熔接点后产生偏振分光，被分解为两正交线偏光，经过调制器后被调制。两正交线偏振光经λ/4波片，变成左旋圆偏振光(lhcp)和右旋圆偏振光(rhcp)，并进入传感光纤环。由于faraday磁光效应作用，两束圆偏振光受到一次电流产生的磁场影响，产生正比于电流的相位差。两偏振光在反射镜处反射后返回次级耦合器的两个输入端，并输入光探测器，信号处理电路从光探测器输出的电信号中包含的相位差信息解调出被测的一次电流信息。

优选的实施例中，所述信号采集及处理单元中，光探测器将光信号转换为模拟量电信号输出给ad采样，然后经ad采样转换为数字信号；信号处理电路接收ad采样信号，计算并输出被测电流，同时为调制器提供控制信号。所述信号处理电路可以采用现场可编程门阵列。

信号采集及处理单元的一个优选实施例的结构如图6所示。光探测器12通过单模光纤连接耦合器网络2，并将光信号转换为模拟量电信号输出。ad采样13采集光探测器12输出的模拟量信号，转换为数字量输出。信号解析和控制电路14为保偏光路系统3提供控制电信号，对光路系统进行调制，并接收ad采样13输出的数字量信号，并通过解调等手段解析光信号中含有的相位差信息，转换为被测一次电流并输出给后续装置。信号解析和控制电路14通常采用现场可编程门阵列。

上述基于耦合器网络的光学电流互感器可根据现场需求配置不同数量的偏振光路系统，并根据偏振光路系统选择合适的耦合器网络结构及耦合器类型。如测试差动电流，需至少测两个测点的一次电流，则至少需配置2套偏振光路系统，可选择如图3所示的耦合器网络；如测试零序电流，需同时测a、b、c三个测点的一次电流，则至少需配置3套偏振光路系统，可选择如图4所示的耦合器网络。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。