基于反射式强度调制的光纤互感器电流测量方法与流程

本发明涉及一种电流测量方法，具体涉及一种基于反射式强度调制的光纤互感器电流测量方法，属于变电站自动化技术领域。

背景技术：

在智能变电站领域，随着特高压建设的不断推进，电压等级越来越高、电网容量越来越大，常规的电磁式互感器由于其绝缘结构复杂、设备笨重、容易产生磁饱和、存在易燃易爆的危险等缺点，难以适应新形势下电网安全运行的要求。现有的电子式互感器，如基于法拉第电磁感应原理的罗氏线圈电子式互感器、基于法拉第磁光效应的全光纤电流互感器等，有些是容易受环境因素(如温度、振动)的影响而导致测量变化，有些则易受双折射影响且需要采用保偏光纤等高成本元件，均未在电力系统中得到大规模的应用。

基于光波调制的光纤互感器具有传输损耗低、不受电磁场干扰、绝缘性能极好、测量灵敏度高、动态范围大的优点，按照被光波调制特征参量的不同，可分为强度调制、频率调制、波长调制、偏振调制等不同原理的传感器。其中，基于强度调制原理的光纤互感器利用发射光纤发送光信号到反射面并产生反射光，通过检测接收光纤接收到的光强信号来探测反射镜面的角度、位移、表面粗糙度等变化量，具有结构简单、成本低廉、可靠性高、测量动态范围大等优点，在光纤传感领域中占据了重要地位。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于，克服现有技术的缺陷，提供一种基于反射式强度调制的光纤互感器电流测量方法，实现电流的稳定、准确、安全测量，提升变电站的智能化水平、提高变电站的运行稳定性并降低建设成本。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

基于反射式强度调制的光纤互感器电流测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，建立测量用的几何模型，所述几何模型包括光源、发射光纤、接收光纤、导电的反射面和用于测量光强的探测器；

步骤二，在步骤一的几何模型基础上建立反射系数与反射面到光纤端面的距离的映射关系；

步骤三，在步骤一中的几何模型上增加磁场，利用光源发射光信号，在反射面通电后测量反射系数，根据步骤二建立的映射关系和测量得到的反射系数计算反射面到光纤端面的距离；

步骤四，根据步骤三计算出的反射面到光纤端面的距离结合振动时间，计算反射面的运动加速度，并进一步计算反射面受到的安培力；

步骤五，根据反射面的质量、长度、磁场的强度及步骤四中计算得到的安培力参数，计算得到被测电流的值。

前述的基于反射式强度调制的光纤互感器电流测量方法，其特征在于，所述步骤三中的磁场为同时垂直于反射面及光轴的空间磁场。

前述的基于反射式强度调制的光纤互感器电流测量方法，其特征在于，所述步骤二中的反射系数与反射面到光纤端面的距离的映射关系，即反射系数M与反射面到光纤端面的距离d的映射关系，用如下公式表示：

其中，

s为发射光纤发出的光束在距离2d处光斑所产生的半径，计算公式为：

s＝2dtanθ1+r1＝2dtan(sin^-1NA1)+r1(2)

θ1为发射光纤的数值孔径角，有sinθ1＝NA1，

r1，r2分别为发射、接收光纤的芯径，NA1为发射光纤的数值孔径，l为光纤的轴间距，δ为反射面的反射率。

本发明具有以下有益效果：本发明利用反射式强度调制光纤互感器的工作原理，结合通电导体在磁场中收到安培力作用产生振动偏移的现象，实现了电流的稳定、准确、安全测量。测量原理可靠，测量结果精度高，实现成本较低，提升了变电站一次设备的智能化水平，提高变电站的运行稳定性并降低了建设成本。

附图说明

图1是本发明的基于反射式强度调制的光纤互感器电流测量方法的测量原理图。

图2是本发明的基于反射式强度调制的光纤互感器电流测量方法的测量流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的基于反射式强度调制的光纤互感器电流测量方法，使用的测量装置如图1所示，包括信号处理单元、光源、探测器、光纤收发装置、导电材料制成的反射面和同时垂直于反射面及光轴的空间磁场，其中光纤收发装置包括处于同一端面的接收光纤和发射光纤，即两个光纤的端面与反射面的距离相同。电流通过反射面时，反射面在磁场的作用下会产生安培力，根据左手定则，在力的作用下产生于沿着发射、接收光纤的光轴方向的振动。

光源通过发射光纤发出光信号，光信号经反射面反射并被接收光纤接收，通过探测器检测出反射光强，由信号处理单元计算出光强的反射系数。结合发射、接收光纤的芯径、数值孔径、光纤的轴间距、反射面到光纤端面的距离可建立光的反射模型，进而求得光强的反射系数。同理，也可根据已有反射模型及光强的反射系数计算出反射面到光纤端面的距离，进而解算出反射面的振动方程，得到其运动加速度和所受到的安培力，最终根据反射面的质量、长度等参数，求解出反射面上的被测电流。

根据上述原理，基于反射式强度调制的光纤互感器电流测量方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤一，建立测量用的几何模型，所述几何模型包括光源、发射光纤、接收光纤、导电的反射面和用于测量光强的探测器，通过合理选取发射、接收光纤的芯径、数值孔径、轴间距等参数，使得接收光纤既可以接收到光信号，又不会完全落在反射光照射区域内；

步骤二，在步骤一的几何模型基础上建立反射系数与反射面到光纤端面的距离的映射关系；

步骤三，在步骤一中的几何模型上增加同时垂直于反射面及光轴的空间磁场，利用光源发射光信号，在反射面通电后测量反射系数，根据步骤二建立的映射关系和测量得到的反射系数计算反射面到光纤端面的距离；

步骤四，根据步骤三计算出的反射面到光纤端面的距离结合振动时间，计算反射面的运动加速度，并进一步计算反射面受到的安培力；

步骤五，根据反射面的质量、长度、磁场的强度及步骤四中计算得到的安培力参数，计算得到被测电流的值。

为了由光强的反射系数M求得反射面到光纤端面的距离d之间，首先建立两者之间的一一映射关系，即反射模型。反射系数M与多个因素有关，r1，r2分别为发射、接收光纤的芯径，NA1为发射光纤的数值孔径，l为光纤的轴间距，δ为反射面的反射率，忽略系统的损耗，对图1中的模型，根据光学原理可推导出，反射系数M的计算公式如下：

其中，

s为发射光纤发出的光束在距离2d处光斑所产生的半径，计算公式为：

s＝2dtanθ1+r1＝2dtan(sin^-1NA1)+r1(2)

θ1为发射光纤的数值孔径角，有sinθ1＝NA1。

同理，也可根据上述公式及光强的反射系数M，计算出反射面到光纤端面的距离d。

本发明利用反射式强度调制光纤的工作原理，结合通电导体在磁场中收到安培力作用产生振动偏移的现象，实现了利用强度调制原理测量电流的工程方法。通过建立发射、接收光纤和反射面的几何模型并合理选择光纤、反射面到光纤端面距离等参数，实现反射面到光纤端面的距离与光纤反射系数的一一映射关系；光源发射的光经过反射面反射，并由探测器检测光强，从而得到光强的反射系数，进一步可求得反射面到光纤端面的距离和其振动方程；由反射面的振动方程可得其运动加速度，最终根据牛顿定律得到安培力作用下被测电流的大小。本发明测量原理可靠，测量结果精度高，实现成本较低，解决电流的稳定、准确、安全测量问题，提升了变电站一次设备的智能化水平。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。