基于法拉第磁光效应的光学电流传感器及其电流测量方法与流程

本发明属于非接触式的光学电流传感器测量技术领域，具体的为一种基于法拉第磁光效应的光学电流传感器及其电流测量方法。

背景技术：

随着电力系统的发展，系统对安全及稳定性的要求也越来越高。电流传感器作为电力系统中进行电能计量和继电保护的重要设备，其准确度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。传统的电磁式电流传感器存在着诸多缺点，例如：绝缘结构复杂、体积大、易产生磁饱和铁磁谐振、存在磁滞等，越来越难适应电力系统发展的需求。虽然传统的电磁式电流传感器也在不断的改进，但这并不能从根本上改变其存在的缺点。与传统的电磁式电流传感器相比，光学电流传感器在以下几个方面都存在优势，例如:无铁心、高低压隔离、体积小、频率响应宽、适合数字化变电站的要求等。因此，人们将目光转向新型电流传感器的研究，光学电流传感器在此背景下产生。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于法拉第磁光效应的光学电流传感器及其电流测量方法，能够满足电流测量的要求。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明首先提出了一种基于法拉第磁光效应的光学电流传感器，包括：

激光发生器，用于产生设定波长的偏振激光；

集成探头，包括磁光介质，所述磁光介质的两端分别设有起偏器和检偏器，所述起偏器和检偏器分别绝缘封装在所述磁光介质的两端；

光电探测器，用于将光信号转换为电信号；

数据分析与处理装置，采用硬件滤波与软件滤波相结合的方式滤除噪声，得到良好的响应效果；

所述激光发生器与所述起偏器之间、以及所述光电探测器与所述检偏器之间分别采用光纤光路相连。

进一步，所述磁光介质采用磁光玻璃。

进一步，所述磁光玻璃为用于测量螺旋管线电流的圆柱形或用于测量长直导线电流的长方体形。

本发明还提出了一种如上所述的基于法拉第磁光效应的光学电流传感器的电流测量方法，令所述起偏器和所述检偏器之间成45°或135°角时，利用激光发生器输入光强i1，经过起偏器、磁光玻璃、检偏器后输出光强i2为：

其中，β为法拉第旋转角，由于β极小，可将sinβ近似为β，则有：

其中，β＝vbl

式中，v为磁光材料的费尔德(verder)常数，单位为rad/(t·m)；b是电流引起的磁场；l是偏振光透射磁光介质的光程，即磁光介质的厚度；

则：

当被测导线为长直导线时，最终输出电压与被测电流之间的关系为：

其中，则，

其中，i为长直导线内的被测电流；r为测量点距离长直导线的距离；μ0为磁光介质的磁导率；

当i1和r为定值时，k2和k3为常数；

当被测导向为螺旋管线时，最终输出电压与被测电流之间的关系为：

其中，b＝nμ0i，则，

其中，i为螺旋管线内的被测电流，n为螺旋管线单位长度匝数，μ0为磁光介质的磁导率；当i1为定值时，则，k2和k4均为常数。

本发明的有益效果在于：

本发明基于法拉第磁光效应的光学电流传感器相对于现有的电流传感器具有以下优点：

1)安全可靠，对线路设备的绝缘性能不产生影响；

2)灵敏度高，量程大；

3)可测量多种类型的电流，包括直流电流、交流电流以及电网故障时的冲击大电流；

4)集成化设计，安装方便可靠；

5)频率响应宽，暂态性能好；体积小，无铁心，高低压隔离，适合数字化变电站要求。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明基于法拉第磁光效应的光学电流传感器结构示意图；

图2为本实施例1的集成探头的结构示意图；

图3为本发明基于法拉第磁光效应的光学电流传感器实施例2的集成探头的结构示意图；

图4为采用本实施例2的光学电流传感器测量长直导线内电流值时的使用状态参考图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1和图2所示，为本发明基于法拉第磁光效应的光学电流传感器实施例1的结构示意图。本实施例基于法拉第磁光效应的光学电流传感器，包括：

激光发生器1，用于产生设定波长的偏振激光，本实施例的激光发生器1产生波长为632.8nm的偏振激光，在该波长下，所选用磁光玻璃的维尔德常数最大；

集成探头8，包括磁光介质2，磁光介质2的两端分别设有起偏器3和检偏器4，起偏器3和检偏器4分别绝缘封装在磁光介质2的两端；另外，集成探头还包括固定支架和封装等；本实施例的磁光介质2采用磁光玻璃，磁光玻璃为用于测量螺旋管线电流的圆柱形；

光电探测器5，用于将光信号转换为电信号；

数据分析与处理装置6，采用硬件滤波与软件滤波相结合的方式滤除噪声，得到良好的响应效果。

本实施例的激光发生器1与起偏器3之间、以及光电探测器5与检偏器4之间分别采用光纤光路7相连。

本实施例基于法拉第磁光效应的光学电流传感器的电流测量方法为，令起偏器3和检偏器4之间成45°或135°角，利用激光发生器输入光强i1，经过起偏器、磁光玻璃、检偏器后输出光强i2为：

其中，β为法拉第旋转角，由于β极小，可将sinβ近似为β，则有：

其中，β＝vbl

式中，v为磁光材料的费尔德(verder)常数，单位为rad/(t·m)；b是电流引起的磁场；l是偏振光透射磁光介质2的光程，即磁光介质2的厚度；

则：

被测导线为螺旋管线，最终输出电压与被测电流之间的关系为：

其中，b＝nμ0i，则，

其中，i为螺旋管线内的被测电流，n为螺旋管线单位长度匝数，μ0为磁光介质的磁导率；当i1为定值时，则，k2和k4均为常数。

测量前，先在本实施例基于法拉第磁光效应的光学电流传感器的安装处实地测量多组确定的电流值，数据分析处理装置输出多组对应的电压值，计算得到传感器的相关参数k2和k4，而后则可以根据公式以及输出的电压值，反算得到被测电流的精确值。

实施例2

如图3所示，为本发明基于法拉第磁光效应的光学电流传感器实施例2的集成探头的结构示意图。本实施例基于法拉第磁光效应的光学电流传感器，包括：

激光发生器1，用于产生设定波长的偏振激光，本实施例的激光发生器1产生波长为632.8nm的偏振激光，在该波长下，所选用磁光玻璃的维尔德常数最大；

集成探头，包括磁光介质2，磁光介质2的两端分别设有起偏器3和检偏器4，起偏器3和检偏器4分别绝缘封装在磁光介质2的两端；另外，集成探头还包括固定支架和封装等；本实施例的磁光介质2采用磁光玻璃，磁光玻璃为测量长直导线电流的长方体形；

光电探测器5，用于将光信号转换为电信号；

数据分析与处理装置6，采用硬件滤波与软件滤波相结合的方式滤除噪声，得到良好的响应效果。

本实施例的激光发生器1与起偏器3之间、以及光电探测器5与检偏器4之间分别采用光纤光路7相连。

本实施例基于法拉第磁光效应的光学电流传感器的电流测量方法为，令起偏器3和检偏器4之间成45°或135°角，利用激光发生器输入光强i1，经过起偏器、磁光玻璃、检偏器后输出光强i2为：

其中，β为法拉第旋转角，由于β极小，可将sinβ近似为β，则有：

其中，β＝vbl

式中，v为磁光材料的费尔德(verder)常数，单位为rad/(t·m)；b是电流引起的磁场；l是偏振光透射磁光介质2的光程，即磁光介质2的厚度；

则：

被测导线为长直导线，最终输出电压与被测电流之间的关系为：

其中，则，

其中，i为长直导线内的被测电流；r为测量点距离长直导线的距离；μ0为磁光介质的磁导率；

当i1和r为定值时，k2和k3为常数；

测量前，将本实施例基于法拉第磁光效应的光学电流传感器放置于距离被测长直导线较近的位置处，得到更高的灵敏度；集成探头的安装须与被测导线平行，若是测量三相导线中的一相，可以设置两个或多个集成探头，最后利用数学解耦的方法求解单根导线的电流大小与波形。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。