专利名称：电流测量方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明概括地涉及大电流的测量和用于该目的的检测装置。
背景技术：
根据法拉第效应，光纤电流传感器具有许多测量远程电流的优点。这些优点包括宽动态范围、快速响应、对电磁干扰的抗扰性、尺寸小和成本低。结果，近年来已经对许多光纤电流传感器进行了调研。主要，他们已经使用单模、包层石英光纤(SMF)。
由于正确度和稳定度不足，这些传感器尚未到达现场实际使用的阶段。主要是由于固有的和感应的线性双折射使所测量的法拉第旋转畸变。从硅光纤无能力正确地测量诸如浪涌或故障电流之类的大电流而产生了特殊问题。这种电流异常大，在某些情况下大到180kA。一般，由于诸如短路之类的故障而产生这种电流。
当线性偏振光通过放置在磁场中与磁场平行的透明材料中传播时，通过法拉第效应这种现象，所述线性偏振光将旋转。定义以度数给出的旋转角(θ)的大小为(1)θ＝VHL其中，H是磁场强度(A/m)，V是材料的Verdet常数，而L是磁场起作用的通路长度(m)。
测量磁场强度，用每单位长度的安培(A)乘以圈数(T)来表示(AT/m)，其中m是米。由于用一圈来表示值，因此该因子是隐含的，而不是明显的。因此，习惯上以每单位通路长度(以米(m)表示)的安培(A)或千安培(kA)给出强度。
Verdet常数V是被每单位长度磁场强度除的旋转角。可以用任何角度测量的习惯单位来表示该角度，但是这里采用度。除非另行指出，用度数被表示为(kA×T/m)m的场强除来表示Verdet常数值。
由表达式给出围绕无限长直导体的磁感应(B)值(2)B＝(μo/4π)(2I/a)其中，I是电流，μo是自由空间的介电常数，而a是磁场离开导体的径向距离。通过简单的关系式给出磁场和磁感应的关系(3)B＝μoH组合等式1到3给出旋转和电流之间的比例关系，致使(4)θ＝VI其中，θ以度表示，V是Verdet常数，而I以千安培(kA)表示。因此，测量电流的方法的灵敏度有赖于角度旋转的测量有怎样的正确度。
测量角度旋转中的灵敏度受到另一个因素，双折射，的影响。主要从光纤在它的布局上的弯曲、或其它畸变造成的应力产生双折射率。在单模光纤中的线性双折射率包括制造、弯曲、接触的剩余应力和热应力(Yamashita等人的“Extremely Small Stress-optic Coefficient Glass Single Mode Fibers For CurrentSensor”Optical Fiber Sensors，Sapporo Japan，paper We2-4，page168(1996)(“Yamashita”)。
对应力所致的双折射率进行量化用系数来表示，称之为光弹性常数(或光弹性系数)。可以把光弹性系数(BP)定义为在应力方向上的折射率(n(par))和在垂直方向上的折射率(n(per))的差和所施加的应力值的关系(5)n(par)－n(per)＝BPσ也可以认为是以每通路长度(以厘米(cm)为单位)之波长(以纳米(nm)为单位)为单位的相移除以每平方厘米的千克应力((kg/cm2)为单位)。那么，值的单位是(nm/cm除以kg/cm2)。
理想玻璃纤维的光弹性系数为零，从而使任何应力所致的双折射率为零。然而，已经证明难于连同其它所要求的特性一起得到这种情况。因此，已经认为接近-零值，例如，在-0.2到0.2范围内的值，适合于某些用途。
在测量浪涌电流中，保持旋转角在90度以下是很重要的。因为玻璃纤维具有大的Verdet常数，故障电流测量易于产生大于90度的旋转角。旋转角大于90度将和旋转角小于90度进行相同的记录。对比之下，当测量大故障电流时，具有低Verdet常数的光纤的装置将不会有这么大的旋转角。因此，它将正确地测量这种电流。
本发明的目的是提供一种改进的方法和装置，用于测量诸如浪涌和故障电流之类的大电流。
另一个目的是提供一种适用于这种改进的方法和装置的玻璃。
又一个目的是提供一种制造玻璃的方法，事实玻璃具有接近-零光弹性系数和低Verdet常数。
仍又一个目的是提供一种方法，用于降低具有低Verdet常数的玻璃的光弹性系数。
发明概要本发明的一部分在于一种方法，用于在适合于测量的波长处降低氟化物玻璃的光弹性系数，所述氟化物玻璃具有低Verdet常数，而且包括氟化锆作为它的组成的主要成分，所述方法包括在玻璃组成中结合少量氟化铅的步骤。
本发明又在于一种方法，用于确定高达200kA的浪涌或故障电流值，所述方法包括提供玻璃纤维电流传感器，所述玻璃具有的组成主要由氟化锆组成，并包含高达3％的氟化铅，在用于测量的波长处具有低Verdet常数，并且能够在每次通过该波长处使偏振光的旋转角小于0.45°/kA；通过导体传导电流以建立围绕导体的磁场；把电流传感器放置在如此建立的磁场中；把偏振光传播到玻璃纤维电流传感器；测量在玻璃纤维传感器中的偏振光的旋转角；以及从偏振光的旋转角确定电流值。
附图简述在附图中的单张图纸是一种装置，用于执行根据本发明的方法。
发明描述本发明涉及一种方法和装置，用于确定异常大电流的值。当光在磁场中传播通过光纤时，通过测量电流在偏振光中产生的旋转角来测量电流值。当拉制光纤的玻璃具有较低Verdet常数时，旋转角较小。尤其，从根据本发明的氟化物玻璃制造的光纤将具有低于0.45度/kA的Verdet常数。因此，当使光纤遭受高达至少200kA的电流值时，异常大的电流时，它将记录小于90°的旋转角，并将正确地测量电流。
参考表明包层光纤的一种光纤，它基本上包括纤芯和外部包复层。纤芯是电流测量的功能性部件。然而，众知纤芯需要较低折射率的包层，以在光的传播中防止光从芯中损耗。
除了折射率特性之外，要求包层玻璃的特性与在包层光纤中的那些芯玻璃接近匹配。相应地，通常在实践中对芯和包层采用相同组成系列的玻璃。除了修改包层玻璃赋予较低折射率之外，包层玻璃与芯玻璃具有相同的组成。
把氟化铅(PbF)添加到所选择的氟化物玻璃组成中，以调换氟化钠(NaF)而制造纤芯。可以使用具有相同组成，但是其中省略PbF和恢复NaF的玻璃作为包层玻璃。其它调换，诸如用氟化钡和/或氟化锆，可以降低包层玻璃的指数。例如，可以用NaF，或诸如氟化钙或氟化锰之类的其它氟化碱土金属调换氟化钡或氟化锆以提供较低的折射率。可以融化两种玻璃，并使用众知的双熔炉技术拉制包层光纤。
图1示出本发明的装置的实施例。最好，使用如上所述的包层光纤3。然而，可以使用任何玻璃制品，诸如一大块玻璃(未示出)。光纤3的作用是作为偏振光的通路。导体4载有产生磁场的电流。最好，围绕导体4缠绕光纤3，如图所示，以增加光通路的长度。还有，最好光纤3和导体绝缘。
装置还包括光射线1的源，如此地放置源，致使把光射线导向光纤3的输入端。一般，光射线1的源是激光器。把偏振器2放置在光射线1的源的邻近，致使光射线线性地偏振。把分析器5放置在光纤3的输出端。
分析器5得到与通过导体4流过的电流成比例地产生的旋转偏振分量。还包括一种手段8，用于指示相应于分析器5的输出的测量电流。一般，手段8是光检测器6和显示器装置7。光检测器6接收并检测分析器5的输出。装置7接收光检测器6的输出，并把光检测器6的输出提供给显示器。
可选择地，分析器可以是如Yamashita等人所述的Wollaston棱镜。然后，从光纤输出的光射线分成两个正交的偏振光。手段8检测每个信号的输出，并指示相应于输出的测量电流。
可以通过使用玻璃电流传感器(最好，以包层光纤的形式)来确定正常发电站操作中的电流。为了避免双折射效应，要求使用具有较低光弹性系数的玻璃，最好，是零或接近零。然后玻璃的Verdet常数可以象通常那么尽可能地大，以增加确定的灵敏度。如上所述，在测量异常大的电流中，现在要求低Verdet常数。这样避免使偏振光的旋转角超过90°。
迄今为止，熔融石英已经提供在无机玻璃中可得到的最小Verdet常数，在1150nm处该值为0.1°/kA。然而，熔融石英还具有大的光弹性系数，在560nm处为3.5(nm/cm)/(kg/cm2)。这导致寻找具有可比拟的Verdet常数和低的、接近零的光弹性系数的一种玻璃。
已经可以看出，某些氟化物玻璃具有相当小的光弹性系数。此外，它们还具有小的Verdet常数。特别参考众知缩写为ZBLAN的一种氟化物玻璃。据报告，所述玻璃的组成包括以摩尔百分数表示的53ZrF4、20BaF2、4LaF3、3AlF3和20NaF。对该玻璃的测量表示，在633nm处具有所需要的低Verdet常数0.22°/kA，以及在546nm处具有光弹性系数0.34(nm/cm)/(kg/cm2)。
为了测量异常大电流，甚至要求更低的光弹性系数。我们发现，可以把量高达约3mol％的氟化铅(PbF2)添加到ZBLAN型玻璃组成。最好，用该添加来调换氟化钠(NaF)。
我们进一步发现，这种添加导致玻璃具有降低的光弹性系数。根据这些发现，用于本目的的芯光纤最好基本上包括(用mol％计算)52-56％ZrF414-24％BaF23-6％ LaF33-6％ AlF314-22％NaF高达约3％ PbF2具体实施例根据ZBLAN组成制备三种玻璃。在两种玻璃组成中，用少量氟化铅(PbF2)代替氟化钠(NaF)。否则，不改变ZBLAN的组成。
在633nm处进行Verdet常数的测量，并对一种玻璃在1150nm处测量，以及在546nm处测量光弹性系数(B)。表I示出以摩尔和重量％表示的PbF2的含量，以及Verdet常数和光弹性系数的测量值。
表IPbF2摩尔％重量％V(633 nm)V(1150 nm)B(546 nm)0.0 0.0 0.22 -0.340.7 1.430.22 0.12 0.252.0 4.280.20 -0.18这些数据表示增加PbF2替代物将提供趋近零的光弹性系数。然而，使组成融化变得更困难。
通过混合氟化物成分的合适的批料而准备在表I中示出的玻璃，把批料放在有盖的白金熔炉中以保留氟化物，并在800℃处融化约40分钟。然后打开熔炉的盖子，并在用气态硫磺六氟化物覆盖的同时使融化物进行2-3小时的热处理。然后把融化物倒入加热到260℃的模子，并使玻璃在该温度处退火。经退火的玻璃经清理，并准备测试块进行测试，得到表I中记录的测量值。
权利要求
1.一种用于降低氟化物玻璃之光弹性系数的方法，所述氟化物玻璃在适合于测量的波长处具有低Verdet常数，并包含氟化锆作为它的组成的主要成分，所述方法包括在玻璃组成中包含少量氟化铅的步骤。
2.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括在氟化物玻璃组成中包括不超过约3.0mole％的氟化铅量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在主要是氟化锆且包含更少量的钡、镧、铝和钠之氟化物的氟化物玻璃组成中包含氟化铅。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括在玻璃组成中包含氟化铅，所述玻璃组成以mole％表示主要包括53％ZrF4、20％BaF2、4％LaF3、3％AlF3和20％NaF。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括把光弹性系数降低到小于约0.20(nm/cm)/(kg/cm2)的值。
6.一种用于确定高达约200 kA的异常大电流值的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤提供玻璃纤维电流传感器，其纤芯玻璃的组成主要包括氟化锆，并包含多达约3mole％的氟化铅，在用于测量的波长处具有低Verdet常数，并在每次以该波长通过时，能够使偏振光的角度旋转小于0.45°/kA；通过导体传导电流，以建立围绕导体的磁场；把电流传感器放置在如此建立的磁场中；把偏振光传播到玻璃纤维电流传感器中；在玻璃纤维传感器中测量偏振光的旋转角；以及从偏振光的旋转角确定电流值。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括把玻璃电流传感器制成一个线圈，导体延伸通过该线圈。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括提供光弹性系数不超过0.25(nm/cm)/(kg/cm2)的玻璃纤维传感器。
9.一种玻璃纤维传感器，用于测量在磁场中异常大的电流，纤芯玻璃具有氟化物玻璃组成，所述氟化物玻璃组成包含ZrF4作为主要成分，并包含不超过3mole百分数的PbF2，从而使玻璃的光弹性系数降低到不超过0.25(nm/cm)/(kg/cm2)的值。
10.如权利要求9所述的玻璃纤维传感器，其特征在于，纤芯玻璃以mol％计算基本上包括52-56％ZrF414-24％BaF23-6％ LaF33-6％ AlF314-22％NaF高达约3％ PbF全文摘要
一种用于确定在导体(4)中的异常大电流的方法,它包括用玻璃纤维(3)传感器测量来自光源(1、2)的偏振光(6、7、8)在电流所建磁场中的旋转角,所述玻璃纤维传感器是由具有低Verdet常数和不超过约0.25(nm/cm)/(kg/cm
文档编号C03C13/00GK1332852SQ99815423
公开日2002年1月23日 申请日期1999年12月15日 优先权日1999年1月5日
发明者N·F·伯里尼, Y·A·布罗彻顿, L·K·考耐尔路易斯, P·L·耐特尔, D·L·瑞考尔特, P·A·提克 申请人:康宁股份有限公司