一种新型集磁环式光学电流互感器结构的制作方法

本实用新型涉及光学电流互感器技术领域，具体为一种新型集磁环式光学电流互感器结构。

背景技术：

光学电流互感器(oct)作为电力系统电能计量和保护的重要设备，在电力系统的正常运行中发挥着重要作用，提高oct的测量精度、改善其各方面的性能是十分必要的。集磁环式oct是oct中的一种，利用磁光材料的法拉第磁光效应进行电流测量，它的传感机理是通过将磁场信息集中在光学材料上，通过对光学材料的磁场测量能近似反映整个闭合回路的磁场情况，进而反映电网的电流信息。提高faraday磁光效应光学电流互感器的运行稳定性的关键是要尽可能简化光路结构，集磁环结构及尺寸对传感头的测量效果起关键作用，直接影响了集磁环式oct的测量灵敏度和测量精度。为了结合工程生产需要，有必要研发与输入电流等级相匹配的集磁环式oct的最优结构。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种新型集磁环式光学电流互感器结构，具有更高的灵敏度和抗干扰性，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种新型集磁环式光学电流互感器结构，包括从左往右依次设置的左自聚焦玻璃、起偏器、传感头、检偏器和右聚焦玻璃，以及横向贯穿连接在左自聚焦玻璃、起偏器、传感头、检偏器和右聚焦玻璃内部的光纤，所述传感头由集磁环、导线、气隙和磁光晶体组成；所述集磁环上开有一缺口状的气隙，磁光晶体置于所述集磁环的气隙中；所述导线置于集磁环的中央通过测量气隙中的磁场来间接测量线路中的电流。

优选的，所述集磁环为选用纳米晶合金材料制成的圆形截面结构，半径选为12cm，其相对磁导率为8-60×10⁴，电导率为80s.m^-1，矫顽力<2a.m^-1。

优选的，所述导线选用铜质导线，直径为8cm，其相对磁导率为0.999991，电导率为58000000s.m^-1。

优选的，所述磁光晶体选用zf-7材料，其相对磁导率为1.0000004，磁光晶体放置在集磁环内部的尺寸为2cm×2cm×10cm的长方体结构。

优选的，所述气隙端面为矩形状，端面采用平行结构，气隙开口端面距离为12cm，内半径为12cm，气隙内流通空气，相对磁导率为1.0000004。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1、本新型集磁环式光学电流互感器结构，灵敏度特性好，在相同电流激励的情况下，偏转角值越大，集磁环式oct的灵敏度越高，性能越好，将导线周围磁路的磁压降集中到集磁环气隙上，增强气隙内磁场强度，于是将被测电流周围磁场的环路积分转变为气隙内磁场的线积分，提高了互感器的测量灵敏度。

2、本新型集磁环式光学电流互感器结构，抗干扰特性好，外干扰电流在集磁环气隙产生磁通与在集磁环产生的磁通的比值越小，集磁式oct的抗干扰特性越好，对集磁式oct的性能越有利，将气隙开口定为12cm，满足整个结构的抗干扰特性。

3、本新型集磁环式光学电流互感器结构，磁特性高，磁介质的剩磁会造成去磁和磁化过程的磁导率发生变化，导致输出波形的畸变，因此通过本设计尽量减小剩磁对系统响应。

附图说明

图1为本实用新型的基于faraday磁光效应原理oct结构框图；

图2为本实用新型的集磁环式oct传感头结构图；

图3为本实用新型的集磁环结构等效磁路图；

图4为本实用新型的集磁环气隙开口形状对比图；

图5为本实用新型的集磁环结构图。

图中：1左自聚焦玻璃、2起偏器、3传感头、31集磁环、32导线、33气隙、34磁光晶体、4检偏器、5右聚焦玻璃、6光纤。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-2，一种新型集磁环式光学电流互感器结构，包括从左往右依次设置的左自聚焦玻璃1、起偏器2、传感头3、检偏器4和右聚焦玻璃5，以及横向贯穿连接在左自聚焦玻璃1、起偏器2、传感头3、检偏器4和右聚焦玻璃5内部的光纤6，传感头3由集磁环31、导线32、气隙33和磁光晶体34组成；集磁环31上开有一缺口状的气隙33，磁光晶体34置于所述集磁环31的气隙33中；导线32置于集磁环31的中央通过测量气隙33中的磁场来间接测量线路中的电流。

在上述实施例中：传感头3的材料参阅下表：

其中，气隙33开口结构形状的设计：由于集磁环31的整体结构设计对气隙33内磁场有着直接的影响，进而影响整个光学电流互感器的性能，气隙33内磁场的分布是影响整个光学电流互感器的精度和抗干扰性能的最主要因素，故可以忽略涡流、集肤效应等附加效应，在光学电流互感器的气隙33中间的磁光晶体34周围加上了改变磁场特性的集磁环31，如果集磁环31的气隙33很小，集磁环31内部和气隙33内磁场强度分布均匀，在磁路上气隙33磁阻和集磁环31磁阻相当于串联关系，等效模型如图3所示；气隙33上的磁压降与集磁环31上的磁压降式之比k＝rg/rr，rg为集磁环内气隙磁阻，rr为集磁环磁阻，由于空气的相对磁导率远小于集磁环31的相对磁导率，故气隙33上的磁压降远大于集磁环31上的磁压降，导线32周围磁路的磁压降集中到集磁环31的气隙33上，增强气隙33内磁场强度，于是将被测电流周围磁场的环路积分转变为气隙33内磁场的线积分，提高了互感器的测量灵敏度；

基于实际安装限制等因素，由于集磁环31截面圆形结构比方形结构的体积小，故本设计中选择圆形结构，气隙33的开口形状可选择图4所示的a型开口或b型开口，由于同尺寸磁性晶体34在b型开口气隙内的有效磁场强度积分数值少于a型，因此本设计的集磁环31采用a型开口，沿导线32周围积分环路的集磁环31端面可以选择为圆形或矩形结构，为了减少加工难度及加工成本，采用矩形端面。

在上述实施例中：集磁环31内气隙33的开口尺寸：根据实际工程需要，集磁环31内所放的磁性晶体34尺寸为2cm×2cm×10cm的长方体结构，磁性晶体34两端的起偏和检偏装置应预留出2cm的空间，因此气隙33的尺寸应≥12cm，但是，气隙33开口尺寸的增加，会导致气隙33内磁场强度降低，这对整个光学电流互感器的灵敏度不利，也降低了系统的抗干扰性；另外，对于整体结构而言，如图5所示，在集磁环31内半径r1不变的情况下，气隙33开口增大会使集磁环31整体结构同圆形差异较大，这导致气隙33尺寸增大，也需要增大集磁环31内半径，使得集磁环31体积和质量进一步增加，因此，气隙33开口尺寸不宜过大，鉴于此，将气隙33开口定为12cm，通过试验验证，该尺寸可以满足集磁环式oct各方面的性能。

在上述实施例中：集磁环31内的气隙33矩形端面尺寸设计：根据实际应用可知，集磁环式oct的测量范围越大，应用越广泛，随着集磁环31端面边长增加，集磁环式oct的线性范围的顶端阈值明显提升，同时在气隙33开口尺寸不变时，边长增加将使漏磁的比例降低，气隙33内光通路上的磁场积分将增加，保证了oct线性范围的低端阈值没有变化，因此边长的增加会使oct线性范围增加，同时保证其灵敏度不降低；在电力系统中短路电流通常是额定电流的20-40倍，为保证在大短路电流下集磁环31不饱和，就要针对不同容量的系统选用不同规格的集磁环31，试验分析可知，端面为5cm×5.5cm的集磁结构可以使用在额定电流为1200a的测量系统，端面为4cm×4.4cm的集磁结构可以使用在额定电流为500a的测量系统。

在上述实施例中：集磁环31的半径设计：集磁环31内半径增大会导致集磁环31整体重量增加，因此集磁环31尽量选用较小的半径尺寸，试验分析知道，小半径集磁环31的积分值更高，灵敏度更高，另外，考虑到集磁环31内气隙33开口最小尺寸为12cm，集磁环31内半径过小又会导致集磁环31整体圆形结构遭到破坏，在测量导线32的直径为8cm，考虑到导线32的外包裹层厚度和集磁环31固定装置的尺寸，将集磁环31内半径选为12cm。

综上所述：本新型集磁环式光学电流互感器结构，将磁光晶体34材料与集磁环31结构相结合，提高了oct的测量精度，在设计时通过磁路方式定性分析了影响集磁环式oct的灵敏度、抗干扰性能和其线性测量范围的因素，根据实际工程需要和结构性能分析，确定了集磁环式光学电流互感器oct的整体结构，集磁环31的结构为圆形，气隙33端面为矩形，气隙33端面采用平行结构，气隙33开口端面距离为12cm，内半径为12cm，端面为5cm×5.5cm的集磁环31结构可以使用在额定电流为1200a的系统，端面为4cm×4.4cm的集磁环31结构可以使用在额定电流为500a的系统，这种集磁环式光学电流互感器的测量精度可以达到0.2级设计要求。

工作原理：本新型集磁环式光学电流互感器结构，基于法拉第磁光效应原理oct的基本工作结构框图(参阅图1)，线偏转光通过位于磁场中的旋光材料晶体时，其偏转角发生偏转，而偏转角度与磁场强度和磁场作用光路的长度的乘积成正比，传感系统通过光路结构使偏振光围绕着无限长通电导体旋转测量电流，faraday磁光效应具有良好的测量线性度，具有与电流大小和波形无关的线性化动态响应能力，不仅可以测量变化电流，而且可以测量稳恒电流，在测量原理上不存在测量频带问题，另外，当光路闭合后，偏转角只与闭路内的电流大小有关，而同外界电磁场以及被测电流与光路的相对位置无关，具有较强的抗电磁干扰能力。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。