一种基于保偏光纤温度传感器的全光纤电流互感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种基于保偏光纤温度传感器的全光纤电流互感器，包括光纤电流互感器、保偏光纤温度传感器；所述保偏光纤温度传感器与光纤电流互感器的传感头集成在同一个壳体内，通过保偏光纤温度传感器测量光纤电流互感器一次传感头处的温度，并根据所测到的温度信息，结合温度补偿算法，消除环境温度变化对光纤电流互感器测量准确度的影响。保偏光纤温度传感器与光纤电流互感器共用一套宽谱光源、退偏器、1×3分束器和信号处理器，能够降低系统成本，提高系统的集成能力。保偏光纤温度传感器与光纤电流互感器的模拟信号传输共用一根保偏光纤传输光缆，能够减小产品在现场的铺设难度，降低系统成本，提高系统的集成及防护能力。
【专利说明】
一种基于保偏光纤温度传感器的全光纤电流互感器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种全光纤电流互感器，尤其涉及一种基于保偏光纤温度传感器的全 光纤电流互感器，属于光纤传感应用领域。
【背景技术】
[0002] 长期以来，电磁式互感器一直扮演着电力系统运行监视的重要角色。变电站中测 量监视和保护控制依靠它来获得测量、计量、保护所需的电流、电压等信息。随着电网电压 的提高及智能化一次、二次设备的发展，传统的电磁式互感器已逐渐暴露出其自身的缺点， 如电气绝缘薄弱、体积笨重、动态范围小、存在铁芯饱和、铁磁谐振过电压等。
[0003] 随着变电站自动化技术的深入发展，出现了一次、二次设备相互渗透、融合的新型 智能化一次设备。用电子式互感器取代传统的电磁式互感器，以光纤传输数字信号，就地集 成继电保护、测控功能，与断路器或全封闭组合电器结合，形成新一代智能化一次设备，可 增强变电站自动化系统实时监视和控制的可靠性、灵活性，降低建设和运行投资，方便维 护。
[0004] 电子式互感器包括无源电子式互感器和有源电子式互感器。全光纤电流互感器属 于无源电子式互感器，在高压端不存在电子元器件，无需供电，绝缘结构简单，运行可靠，抗 干扰能力强，无磁饱和和铁磁谐振，具有体积小、动态测量范围大、响应频带宽、可测交直流 信号等优点，成为现阶段电力行业电流信号采集方案的研究热点。
[0005] 环境温度是影响全光纤电流互感器测量准确度的主要因素。全光纤电流互感器的 信号采集单元一般置于变电站控制室屏柜或带温控的户外柜内，工作温度比较稳定。受环 境温度影响较大的主要是一次传感头部分，包括λ/4波片、传感光纤及反射镜。目前，减小环 境温度引入误差的办法多采用算法补偿或光学器件互补偿技术，但由于全光纤电流互感器 受温度影响的器件及参数较多，不能实现温度误差的完全消除。采用光学无源温度传感器 实现全光纤电流互感器的温度补偿方案，能够根据全光纤电流互感器的实际温度特性，消 除环境温度变化对全光纤电流互感器测量准确度的影响。
[0006] 目前市场上成熟的光学温度传感器主要有焚光式、光纤光栅式、Raman/Brillouin 散射式等几种，但多少存在测温范围窄（100摄氏度左右）、传输距离短(一般小于20m)、解调 原理复杂，价格昂贵等问题。
[0007] 基于保偏光纤的温度双折射效应设计的反射式保偏光纤温度传感器具有高精度、 低成本、具有良好互易性的特点，传输距离不受限制，采用特殊的材料及封装工艺，可满足 电力行业不同领域的远距离温度测量需求。采用保偏光纤温度传感器实现光纤电流互感器 的温度补偿，通过光学器件、传输光缆及信号处理器的集成与共享，能够提高系统的集成能 力及可靠性，减小产品现场布线及安装的难度，降低系统成本。
【发明内容】
[0008] 本发明针对上述问题提供一种基于保偏光纤温度传感器的全光纤电流互感器，设 计一种保偏光纤温度传感器与全光纤电流互感器的集成方案，实现全光纤电流互感器一次 传感头部分的温度测量，进而实现全光纤电流互感器的温度补偿。
[0009] 本发明采用如下技术方案：
[0010] 宽谱光源发出的光经过耦合器及起偏器后，形成线偏振光。线偏振光以45°角进入 相位调制器后，分成正交的两束线偏光分别沿保偏光纤的快、慢轴传输。所述相位调制器采 用直波导型相位调制器，信号处理器对相位调制器加入方波及阶梯波相位调制信号，实现 闭环控制，能够解决系统的余弦敏感性和方向性问题，提高系统测量的线性度和动态范围。 两束线偏光经过λ/4波片后，分别变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤。传感光纤的 Faraday磁光效应使两束圆偏光产生与被测电流大小成正比的相移。两束圆偏振光经反射 镜反射后，偏振模式互换，并再次穿过传感光纤，使产生的非互易相移加倍。两束圆偏振光 再次通过λ/4波片后，恢复为线偏振光。经过起偏器后，携带相位信息的干涉光由环形器送 往采集单元解调出被测电流信息。
[0011] 保偏光纤温度传感器基于保偏光纤的温度双折射效应，由宽谱光源、环形器、起偏 器和传感光纤组成。宽谱光源发出的光经过起偏器后成为线偏振光，进入保偏光纤，保偏光 纤与传感光纤呈45°角熔接，传感光纤的另一端镀有全反射膜，实现对入射光的反射。当环 境温度发生变化时，温度双折射效应会改变传感光纤中两本征模的传播常数差，从而导致 本征模之间的位相差随温度变化。信号处理单元采用特殊的信号解调及拟合算法，通过检 测因位相差引起的干涉场的能量变化，即可获得温度变化信息。
[0012] 将温度传感探头与电流传感头集成在一个壳体内，可通过温度探头的温度信息获 知同一温度场内电流传感头的温度信息，进而实现全光纤电流互感器的温度补偿。
[0013] 优选地，所述保偏光纤温度传感器与全光纤电流互感器共用宽带光源、退偏器、1 X 3分束器和信号处理器。
[0014] 优选地，所述保偏光纤温度传感器与全光纤电流互感器共用一根保偏光纤传输光 缆。
[0015] 优选地，所述保偏光纤温度传感器的传感光纤采用不同拍长及长度的保偏光纤。
[0016] 优选地，所述光纤温度传感器的传感光纤的一端镀有介质全反射膜。
[0017] 本发明的有益效果在于：
[0018] 1.本发明设计一种保偏光纤温度传感器，具有高精度、低成本、具有良好互易性的 特点，传输距离不受限制，采用特殊的材料及封装工艺，可满足电力行业不同领域的远距离 温度测量需求。
[0019] 2.本发明设计一种基于保偏光纤温度传感器的全光纤电流互感器，通过保偏光纤 温度传感器实现全光纤电流互感器一次传感头部分的温度测量，以较低成本实现全光纤电 流互感器的远距离温度补偿。
[0020] 3.本发明设计一种基于保偏光纤温度传感器的全光纤电流互感器，保偏光纤温度 传感器与全光纤电流互感器共用宽带光源、退偏器、1X3分束器和信号处理器，能够降低系 统成本，提高系统的集成能力。
[0021] 4.本发明设计一种基于保偏光纤温度传感器的全光纤电流互感器，保偏光纤温度 传感器与全光纤电流互感器的模拟信号传输共用一根保偏光纤传输光缆，能够降低系统成 本，减小产品在现场的安装、布线及保护难度。
【附图说明】
[0022]图1:本发明基于保偏光纤温度传感器的全光纤电流互感器示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的阐述。
[0024] 如图1所示，一种基于保偏光纤温度传感器的全光纤电流互感器，包括宽谱光源1、 退偏器2、1 X 3分束器3、第一环形器4、第二环形器9、第一起偏器5、第二起偏器10、相位调制 器6、光纤延时线7、信号处理器8、保偏光纤传输光缆11、光纤λ/4波片12、光纤电流传感环 13、光纤反射镜14和温度传感光纤15。
[0025]宽谱光源1的输出端与退偏器2的输入端连接，退偏器2的输出端与1 Χ3分束器3的 输入端连接，1 X 3分束器3的输出端31与第一环形器4的端口 41连接，第一环形器4经过端口 42将入射光送往第一起偏器5,并产生线偏光，第一起偏器5的输出端经过保偏光纤后，与相 位调制器6的输入端口 61呈45°角恪接，线偏光被分成正交的两束线偏光分别沿保偏光纤的 快、慢轴传输，相位调制器6的输出端口 62与光纤延时线7的输入端连接，光纤延时线7的输 出端与保偏光纤传输光缆11连接，正交的两束线偏光经过保偏光纤传输光缆11后，到达光 纤λ/4波片12,分别变为左旋和右旋的圆偏振光，进入光纤电流传感环13,光纤电流传感环 13缠绕在一次导体外感应被测电流产生的磁场，左旋和右旋圆偏振光经光纤反射镜14反射 后，偏振模式互换，并再次穿过光纤电流传感环13，然后经过光纤λ/4波片12后，恢复为两束 正交的线偏光，携带电流信息的两束线偏光干涉后，经过第一起偏器5及第一环形器4,由第 一环形器4的端口 43送往信号处理器8的输入端口 81，经过光电转换后，解调出被测电流信 息。为了解决系统的余弦敏感性和方向性的问题，提高系统的线性度和动态范围，系统采用 闭环方波调制解调方式，信号处理器8通过输出端口 84将方波及阶梯波调制信号送往相位 调制器6的控制端口63,从而在系统中引入非互易的90°相位偏置，同时，通过阶梯波引入反 馈补偿相移，抵消电流引起的非互易相移。
[0026]全光纤电流互感器的系统工作原理如下：
[0027] 根据系统各器件的传输模型，可得光电探测器输入的光强信号：
[0028]
(D
[0029]其中，Ιο为输入光强，Ν为传感光纤匝数，V为传感光纤的费尔德(Verdet)常数，I为 被测电流。Φ8、Φι分别是加入的方波和阶梯波调制相移。s为对轴角度误差、波片长度误差 等因素引起的等效误差系数。
[0030] 取方波调制相移Φ8= ±31/2,将同频方波参考信号与PD输出信号进行相关解调， 可得：
[0031] Idiff = Io[5sin( Φ i)-(l-5)sin(4VNI+ Φ ι) ] (2)
[0032] 据闭环解调算法，阶梯波产生反馈补偿相移Φ:，使得Idlff = 0,可得：
[0033] Φι = -4νΝΙ(1+δ) (3)
[0034] 补偿相移为解调输出。
[0035] 1 X 3分束器3的输出端口 3 2与信号处理器8的输入端口 8 2连接，用于监测宽谱光源 1的功率变化情况。1 X 3分束器3的输出端口 33与第二环形器9的端口 91连接，第二环形器9 经过端口 92将入射光送往第二起偏器10，并产生线偏光，第二起偏器10的输出端经过保偏 光纤传输光缆11后，与温度传感光纤15的输入端呈45°角恪接，并将入射线偏光分成两束正 交的线偏光，温度传感光纤15由不同拍长及长度的保偏光纤构成，当环境温度发生变化时， 温度的双折射效应会改变温度传感光纤15中两正交线偏光的传播常数差，从而导致两正交 线偏光之间的位相差随温度变化。温度传感光纤15的另一端镀有全反射膜，实现对两正交 线偏光的反射。携带有温度信息的两线偏光干涉后，经过第二起偏器10及第二环形器9,由 第二环形器9的端口 93送往信号处理器8的输入端口 83,经过光电转换后，解调出被测温度 信息。
[0036] 将温度传感光纤15与光纤电流传感环13集成在一个壳体内，可通过温度传感光纤 15探测到的温度信息获知同一温度场内光纤电流传感环13的温度信息，进而实现全光纤电 流互感器的温度补偿。
[0037]保偏光纤温度传感器的系统工作原理如下：
[0038] 根据系统各器件的传输模型，可得光电探测器输入的光强信号：
[0039] I〇ut = l/2Iin[l+cos(25x-25y)] (4)
[0040] 其中，δχ&δγ为温度传感光纤快、慢轴的相位延迟;11(1为入射光光强。
[0041] 由于温度变化，导致光在快、慢轴方向上的传播常数差发生变化，通过对输出光强 I?t的探测，可得温度变化信息。
【主权项】
1. 一种基于保偏光纤温度传感器的全光纤电流互感器，其特征在于：包括光纤电流互 感器和保偏光纤温度传感器，所述保偏光纤温度传感器与光纤电流互感器的传感头集成在 同一个壳体内，通过保偏光纤温度传感器测量光纤电流互感器传感头处的温度，并根据所 测到的温度信息，结合温度补偿算法，消除环境温度变化对光纤电流互感器测量准确度的 影响。2. 如权利要求1所述的一种基于保偏光纤温度传感器的全光纤电流互感器，其特征在 于:所述光纤电流互感器和保偏光纤温度传感器共用一套顺次连接的宽谱光源（1 )、退偏器 (2)、1X3分束器(3)和信号处理器(8)，所述光纤电流互感器和保偏光纤温度传感器的输入 端均与所述1X3分束器(3)相连接、光纤电流互感器和保偏光纤温度传感器的输出端均与 所述信号处理器(8)相连接的。3. 如权利要求2所述的一种基于保偏光纤温度传感器的全光纤电流互感器，其特征在 于:所述光纤电流互感器还包括第一环形器或光纤耦合器(4)、第一起偏器(5)、相位调制器 (6)、光纤延时线(7)、光纤λ/4波片（12)、光纤电流传感环(13)和光纤反射镜(14); 1 X 3分束器(3)输出的一路输出光经过第一环形器或光纤親合器(4)及第一起偏器(5) 后，形成线偏振光，线偏振光注入相位调制器(6)后，被分成两束正交的线偏光分别沿相位 调制器（6)及光纤延时线（7)的快、慢轴传输，随后两束线偏振光经过保偏光纤传输光缆 (11)及光纤λ/4波片（12)后，分别变为左旋和右旋圆偏振光，同时进入光纤电流传感环 (13)，在光纤电流传感环（13)中传播的两束圆偏振光，两束圆偏振光到达光纤反射镜（14)， 经光纤反射镜（14)反射后再次进入光纤电流传感环（13)，左旋光束变为右旋光束，右旋光 束变为左旋光束，在被测电流磁场的作用下，两束圆偏振光再次产生相位差； 携带了电流信息的两束圆偏振光，经过光纤λ/4波片（12)后转变为两束线偏振光，原先 沿快轴传输的光束进入慢轴，而原先沿慢轴传输的光束进入快轴，两束线偏光的干涉信号 经过第一起偏器(5)及第一环形器或光纤耦合器(4)后，被送往信号处理器(8)解调出被测 电流信息，信号处理器(8)根据被测电流信息将计算出的反馈相移通过方波及阶梯波叠加 信号加在相位调制器(6)的控制端口，实现对全光纤电流互感器系统的闭环控制。4. 如权利要求2所述的一种基于保偏光纤温度传感器的全光纤电流互感器，其特征在 于:所述保偏光纤温度传感器还包括第二环形器或光纤耦合器(9)、第二起偏器（10)和温度 传感光纤(15); IX 3分束器（3)输出的一路输出光经过第二环形器或光纤耦合器（9)及第二起偏器 (10)后，形成线偏振光，线偏振光经过保偏光纤传输光缆（11)后，注入温度传感光纤（15)， 并被分成两束正交的线偏光分别沿温度传感光纤（15)的快、慢轴传输，温度传感光纤（15) 的另一端镀有全反射膜，实现对入射光的反射;当环境温度发生变化时，温度双折射效应会 改变传感光纤中两本征模的传播常数差，从而导致在温度传感光纤(15)中传输的两束线偏 光的位相差随温度变化；携带温度变化信息的两束线偏光产生干涉后，经过第二起偏器 (10)及第二环形器或光纤耦合器(9)，并被送往信号处理器(8)解调出被测温度信息。5. 如权利要求3或4所述的一种基于保偏光纤温度传感器的全光纤电流互感器，其特征 在于:所述保偏光纤温度传感器与光纤电流互感器共用一根保偏光纤传输光缆(11)进行模 拟信号传输。6. 如权利要求4所述的一种基于保偏光纤温度传感器的全光纤电流互感器，其特征在 于:所述温度传感光纤(15)根据需求采用相应拍长及长度的保偏光纤。
【文档编号】G01R15/24GK105974172SQ201610382142
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】赵俊, 阎嫦玲, 丁晔, 罗苏南, 许立国, 须雷
【申请人】南京南瑞继保电气有限公司, 南京南瑞继保工程技术有限公司