专利名称：一种光电电流互感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种互感器，具体地说，是一种光电电流互感器。
背景技术：
电磁感应式电流互感器(Current Transducer，简称CT)存在以下缺点(1)潜在着突然失效的危险，例如突发性爆炸；(2)如果输出负荷处于开路，有高电压；大型沉重而必需的支撑架；易受电磁干扰；(3)不能正确反映电力系统故障时的一次电流变化状况，难以适应电力系统保护的要求。为此，发达国家都在寻求将光学传感技术用于高压大电流的电力网络中。这其中比较成功的是利用法拉第磁光效应的电流传感器(Optical currentTransducer简称OCT)。从60年代至今，该技术已有一定的研究基础了，也取得了一系列的挂网试运行研究进展，但一直没有真正进入实用阶段并大规模地生产和应用。最主要原因是由于OCT在测量时易受温度及振动引起的双折射的干扰，从而使得测量的准确度及稳定性受到影响。为此，研究人员采用了许多办法来加以改善，其中，比较有影响的有(1)和偏振态调制有关的方法，但这种方法实施起来教复杂，还受到温升速率的影响，不同的温升速率，补偿的曲线将变化，因此，不可能真正达到实用的目的。具体可见Peter Menbe，Thomas Bosselmann.Temperaturecompensation in magneto optic AC current sensors using an intelligentAC-DC signal evaluation，Journal of lightwave technology，1995，13(7)1362-1370。
(2)通过测量传感器所在环境的温度，对温度引起的双折射造成的测量误差进行补偿，但在高电压环境下，用普通热电偶是不行的，只能用光纤温度传感器，这样势必使整个系统变得更复杂，降低可靠性。同时，对于保护用途的OCT，温度补偿必须精确到1℃；对于计量用途的OCT，温度补偿必须精确到0.1℃，这么高的温度测量要求，光纤温度传感器几乎不可能达到，因而此方法不能在高电压环境下使用。具体可见W.Lain Madolen etal.Temperature compensation for optical current sensors.OpticalEngineering，1999，38(10)1699-170发明内容本发明针对现有技术中存在的缺陷，提供了一种光电电流互感器，其稳定性基本上不受环境温度及振动的影响，同时又简单易行，便于批量加工生产。
本发明的光电电流互感器，包括第一敏感元、及分别位于该敏感元两端部的第一起偏器和第一检偏器，其特征在于该互感器还包括第二敏感元，该敏感元的两端部也设有第二起偏器和第二检偏器，二个敏感元相互垂直放置、且材料与长度相同；永久磁体与第二敏感元平行，且与截流导体垂直，上述各部件共同构成电流传感头；该电流传感头通过光纤、光缆与光电处理单元相连，光电处理单元包括二个光源、四个光电检测器和放大器以及信号处理单元，两光源发出的光经过光缆传至电流传感头，被电流信号调制后，分成四路光，经光缆传输至四个光电检测器，将光信号转换变成电信号，再至放大器放大后进入信号处理单元，完成信号处理，输出数字信号至显示装置。
本发明引入了一个标准磁场，该磁场的大小在环境温度范围(-40℃~+80℃)内不受温度影响，或影响极小(＜1×10-4，利用参考光路测量该磁场大小，设计时使参考光路与测量光路受温度的影响一致，然后通过比较测量法，消除该影响。即通过标准磁场的引入，达到实时补偿温度、振动引起的双折射对测量影响的目的，以获得OCT的长时间稳定性。具体而言，本发明具有以下技术效果1、本发明可以从原理上完全消除温度及振动引起的双折射对测量的影响。
2、本发明的光学部分加工非常简单，适合批量加工生产的要求，同时生产成本大大低于现在普遍采用的块状和条状玻璃传感单元。
图1为本发明的光电电流互感器的结构示意图；
图2为图1中电流传感头的结构示意图；图3为光电处理单元的结构示意图；图4为数据处理流程图，其中K为标定系数。
具体实施例方式
本发明的结构如图1所示，包括电流传感头2、光电处理单元7、显示装置8以及用于光传输的光纤、光缆。
电流传感头2的结构如图2所示它包括相互垂直放置、且材料与长度相同的二个敏感元9、10，位于每一敏感元9两端部的第一起偏器11、第一检偏器12，位于每二敏感元10两端部的第二起偏器14、检偏器15，以及与第二敏感元10相互平行的高稳定度永久磁体13。永久磁体13与载流导体1相互垂直，以便载流导体产生的磁场不影响永久磁体磁场。起偏器11、14的作用是将平行光变成偏振光，检偏器12、15的作用是将与被信号成正比的角度转化为光强。
光电处理单元7如图3所示，二个基准电源15、16通过二个驱动电路17、18使两只发光二极管19、20发光。二路光经过光缆传至高压区的传感头，被电流信号调制后，分成四路光，经光缆传输至四个光电检测器21-24将光电转换变成电信号，再至放大器25-28放大后进入信号处理单元29，完成图4中的运算功能后输出。信号处理单元29可以用DSP芯片编程完成运算，也可以用模拟器件完成相关的运算。
光电处理单元7内的发光管将光束输入至光缆6，经光纤连接盒5将光传至光纤4，光纤4外套有复合绝缘体伞裙3，光束由光纤输入至电流传感头2，电流传感头2套在截流导体1上。使用时将被测导体与载流导体1相连接，当有电流通过时，光束通过电流传感头2获得被测电流的信息，此光束即被调制，被调制的光经光纤、光缆再传至光电处理单元7内的光电探测器解调，经信号处理单元处理后将此电信号输至显示装置8显示被测电流值。
使用时，将被测导体与位于互感器内的载流导体1连接，位于光电处理单元7内的两光源分别将光强为I′0、I0的两光束通过光纤、光缆分别通入敏感元9、10。根据法拉第磁光效应原理，当载流导体1通电流时，由敏感元9、10分别检测出被测电流信息，将两者检测出的电流信息在信号处理单元中进行比较(即相除)，由于两者处于同一环境条件下，双折射影响在比较中消除。即可准确测出被测电流大小。具体说明如下第一敏感元9采用具有法拉第磁光效应的磁光材料，如重火石玻璃，用于测量被测导体产生的磁场大小，这个磁场大小是与被测电流大小直接成比例关系的。
第二敏感元2与第一敏感元1完全相同的材料，用于测量高稳定度永久磁体产生的参考磁场的大小。
设计时使敏感元9及10的长度相同，取自同一块均匀度较好的大块材料，则可以认为两块材料中的固有线性双折射相等，当敏感元中存在双折射时，基于法拉第效应的图示的敏感元9，输出为 式中I′0为第一光源的光强，AC为被测电流之引起的法拉第偏转角，与i成正比关系；δ是由于敏感元中的线性双折射而引入的相位延迟；敏感元的双折射由敏感材料中的固有双折射及外界因素引入的双折射两部分组成，当选择材料的固有双折射较大时，即δ≥，则，Δ≈δ，此时，(1)，(2)式变为 分析(3)、(4)式，我们可以看到，当δ变化时，由于Sinδ≠δ，因而使得测量受外界引入的双折射的影响，带来较大误差。
对(3)和(4)式进行适当处理 可得到
或对I1及I2中的任何一路进行交、直流分离，并相除可得 敏感元2的输出为 式中，I0——为第二光源的光强，N——为永久磁体的磁场引起的法拉第偏转角。
δ——由于敏感元中的线性双折射而引入的相位延迟。
对(8)、(9)式进行 运算，以消除光强I0变化的影响，可得 用式(5)/(10)，得 求式(6)/(10) 求式(7)/(10) 式(13)的负号只影响被测电流i的相位，可以通过与标准电流的比对和标定消除，所以在以下的推导中可以不考虑。而AC是被测电流i的线性函数，即AC＝f(i)；N是永久磁铁的磁场HN的线性函数，(此处HN为一常数)即N＝f(HN)。
则f(i)=II′Nf(HN)---(14)]]>f(i)=I1′-I2′IN′·f(HN)---(15)]]>
f(i)=I1′IN′f(HN)---(16)]]>f(i)=I2′IN′f(HN)---(17)]]>其中，(14)、(15)是双光路计算公式，(16)及(17)分别是单光路计算公式，用(14)、(15)、(16)、(17)式中的任何一个公式均可以得到f(i)，再通过与标准电流的比对和标定就可以得到被测电流i的大小。
由于HN是高稳定度的永久磁铁产生的磁场，在80°以下的温度范围内，HN大小不受温度及振动的影响，为一常数，因而，通过对敏感元9、10的光强输出进行光电转换成电信号后，进行上述相应的运算，所得到的为一个消除了外界环境因素温度、振动引入的双折射影响且与被测电流i成正比的一个信号，所以，与标准电流比对和标定后就可以得到被测电流的大小，并且这个测量过程不受外界环境因素的影响，具有极高的准确度和长期稳定性。其数据处理流程如图4所示。
权利要求
1.一种光电电流互感器，包括第一敏感元、及分别位于该敏感元两端部的第一起偏器和第一检偏器，其特征在于该互感器还包括第二敏感元(10)，该敏感元(10)的两端部也设有第二起偏器(14)和第二检偏器(15)，二个敏感元(9、10)相互垂直放置、且材料与长度相同；永久磁体(13)与第二敏感元(10)平行，且与截流导体(1)垂直，上述各部件共同构成电流传感头(2)；该电流传感头(2)通过光纤、光缆与光电处理单元(7)相连，光电处理单元(7)包括二个光源(19-20)、四个光电检测器(21-24)和放大器(25-28)以及信号处理单元(29)，两光源(19-20)发出的光经过光缆传至电流传感头(2)，被电流信号调制后，分成四路光，经光缆传输至四个光电检测器(21-24)，将光信号转换变成电信号，再至放大器(25-28)放大后进入信号处理单元(29)，进行模/数转换和数据运算，再输出至显示装置(8)。
2.根据权利要求1所述的光电电流互感器，其特征在于所述信号处理单元(29)可按照下面任一公式得到f(i)，再通过与标准电流的比对和标定得到被测电流i的大小f(i)=II′Nf(HN)]]>f(i)=I1′-I2′IN′·f(HN)]]>f(i)=I′1I′Nf(HN)]]>f(i)=I′2I′Nf(HN)]]>
全文摘要
本发明公开的一种光电电流互感器，包括二个敏感元、及分别位于敏感元两端部的起偏器和检偏器，二个敏感元相互垂直放置、且材料与长度相同；永久磁体与第二敏感元平行，与截流导体垂直，上述各部件共同构成电流传感头；该电流传感头通过光纤、光缆与光电处理单元相连，光电处理单元包括二个光源、四个光电检测器和放大器以及信号处理单元，两光源发出的光经过光缆传至电流传感头，被电流信号调制后，分成四路光，经光缆传输至四个光电检测器，将光信号转换变成电信号，再至放大器放大后进入信号处理单元，完成信号处理，输出数字信号至显示装置。本发明通过标准磁场的引入，达到实时补偿温度、振动引起的双折射对测量影响的目的，以获得OCT的长时间稳定性。
文档编号G01R15/00GK1523618SQ0312539
公开日2004年8月25日 申请日期2003年9月5日 优先权日2003年9月5日
发明者李红斌, 张明明, 刘延冰 申请人:华中科技大学