一种全光纤电压互感器的制作方法

本发明涉及一种全光纤电压互感器(fovt)，属于光纤传感技术领域。

背景技术：

电压互感器是电力系统中不可缺少的重要测量设备，在高压电网中大量投入使用的是常规的电磁式电压互感器和电容分压式互感器。电磁感应式电压互感器是在较低压中常用的一种电压互感器，随着电网电压的提高及智能化一次、二次设备的发展，传统的电磁式互感器已逐渐暴露出其自身的缺点，如电气绝缘薄弱、体积笨重、动态范围小、存在铁芯饱和、铁磁谐振过电压等，它实际上是一台容量很小的变压器。因此，现在的电力系统高电压部分采用电容分压式互感器。

对于电容分压式互感器，它主要由电容分压器部分和光学电压互感器(ovt)构成。它利用电容分压器从被测高压线路分出一个较低电压加于ovt上，这种电容分压器的电压一般在几千伏，ovt既可以采用横向调制，也可以采用纵向调制方式。对于锗酸铋(bgo)晶体式ovt，电压直接加在晶体上，当周围温度发生变化时，晶体的双折射会由于温度的变化而产生一些变化，从而影响互感器最终检测精度。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有技术，提出一种全光纤电压互感器，能够消除环境温度变化对全光纤电压互感器测量准确度的影响。

技术方案：一种全光纤电压互感器，包括电容分压器、全光纤电流互感器、双折射光纤温度传感器、补偿电路；电容分压器的低压输出端与载流线圈连接，补偿电路并联在所述载流线圈两端；全光纤电流互感器的传感光纤圈和所述载流线圈均呈螺线管形式绕制，所述传感光纤圈绕制在所述载流线圈上，使得所述载流线圈所形成的磁场方向与所述传感光纤圈的光路传播方向相同；所述双折射光纤温度传感器的光纤温度探头与所述传感光纤圈封装在同一壳体中，所述全光纤电流互感器的信号处理模块根据所述双折射光纤温度传感器的传感信号对温度变化特性进行补偿。

进一步的，所述全光纤电流互感器采用闭环调制解调方式，加入方波和阶梯波进行相位调制。

进一步的，所述补偿电路由电容cc和电阻rc串联组成。

进一步的，所述全光纤电流互感器的信号处理模块根据所述双折射光纤温度传感器的传感信号对温度变化特性进行补偿的方法为：对所述双折射光纤温度传感器测得不同温度信号进行标定后，通过四阶多项式拟合得到随温度t变化的标度因数η(t)，所述全光纤电流互感器的测量值为im，采用所述标度因数η(t)对所述测量值im进行补偿得到实际电流值ir＝η(t)im。

有益效果：1、将电容分压器与全光纤电流互感器连接测出在低压臂产生的与一次电压成正比的容性电流，通过全光纤电流互感器(foct)测量该容性电流，即可更加精确地测量出一次电压。

2、通过双折射光纤温度传感器监测传感光纤圈的实际温度特性，实时消除环境温度变化对整个fovt测量准确度的影响。系统利用光纤作为电流及温度感知材料，各元件均通过光纤熔接连接而成，无分立元件，使得抗振动能力强、连接可靠性高、长期稳定性好、工艺一致性高等优点。

3、全光纤电流互感器的传感光纤圈和载流线圈均呈双螺线管形式绕制，缩短了光纤长度，减少了光路损耗，与单螺线管结构相比，提高了系统灵敏度。

4、采用补偿电路的方法改善系统的幅频特性，经过补偿电路后，可明显减小谐波分量对系统测量精度的影响。

附图说明

图1为本发明全光纤电压互感器的结构示意图；

其中，1-sld宽谱光源，2-分路器，3-环形器，4-起偏器，5-传输光缆，6-补偿电路，7-低压侧连接导线，8-电容分压器，9-光纤温度探头，10-双螺线管式电流传感环，11-相位调制器，12-信号处理器；

图2为温度补偿流程示意图；

图3为双螺线管结构示意图；

其中，101-传感光纤圈，102-载流线圈；

图4为无补偿电路的解调波形图；

图5为加入补偿电路后的解调波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种全光纤电压互感器，包括电容分压器、全光纤电流互感器、双折射光纤温度传感器、补偿电路。电容分压器的低压输出端与载流线圈连接，补偿电路并联在载流线圈两端。全光纤电流互感器的传感光纤圈和载流线圈均呈螺线管形式绕制，传感光纤圈绕制在载流线圈上，使得载流线圈所形成的磁场方向与传感光纤圈的光路传播方向相同。双折射光纤温度传感器的光纤温度探头与传感光纤圈封装在同一壳体中，全光纤电流互感器的信号处理模块根据双折射光纤温度传感器的传感信号对温度变化特性进行补偿。

本发明的全光纤电压互感器，将高电压施加于电容分压器，一次电压经过电容分压器后，在低压臂产生与一次电压成正比的容性电流，采用全光纤电流互感器测量该容性电流，即可测量出一次电压。其中，电容分压器将母线电压信号u1按一定比例分压得到幅值足够小的低压信号u2，其中两者的关系为：

如图1所示，全光纤电流互感器和双折射光纤温度传感器的的输入光采用同一宽谱光源(sld)，sld发出的光经过分路器被分成两路光线，即一路作用于全光纤电流互感器，另一路作用于双折射光纤温度传感器。foct基于法拉第(faraday)磁光效应及萨格纳克(sagnac)干涉原理实现一次电流的测量。在全光纤电流互感器中，一条光路在经过起偏器后变为线偏振光，起偏器与相位调制器的输入端口呈45°角熔接，线偏光被分成正交的两束线偏光，相位调制器的输出端口与传输光缆的输入端连接，传输光缆的输出端与保偏光纤传连接，正交的两束线偏光分别沿保偏光纤的快、慢轴传输，到达光纤λ/4波片处，分别变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤圈，传感光纤圈缠绕在载流线圈(即一次导体)外感应被测电流产生的磁场，在传感光纤圈中，由于载流线圈内电流产生磁场的faraday磁光效应作用，两束圆偏振光的传输速度不同而产生faraday相差；左旋和右旋圆偏振光经传感光纤末端的反射镜反射后，偏振模式互换，并再次穿过光纤电流传感环，然后经过光纤λ/4波片后，恢复为两束正交的线偏光，携带电流信息的两束线偏光在起偏器处干涉后，由环形器的端口送往信号处理器的输入端口，经过光电转换后，解调出被测电流信息，即测量值im。

为了提高全光纤电流互感器的线性度和动态范围，全光纤电流互感器采用闭环调制解调方式，加入方波和阶梯波进行相位调制。具体的，应用方波调制技术使faraday相差产生±π/2偏置，使系统工作在较灵敏的区域，提高互感器的响应灵敏度，同时在频域上将输出信号频谱由低频区迁移到高频，避开低频区的1/f噪声，f为系统的本征频率。为了减小系统输出非线性误差和增大动态测量范围，在相向传输的两束光之间引入一个与faraday相移φs大小相等、方向相反的反馈补偿相移φl，用来抵消faraday效应相移。采用阶梯波反馈调制产生反馈相位差φl。加入反馈补偿相移φl后，输出光强id为：

式中，i0为输入光强，k1为传感光纤圈匝数，v为传感光纤圈的费尔德(verdet)常数，i为被测电流。由于，φs+φl≈0，所以此时互感器系统始终工作在线性度最好的零相位附近区域，因此测量灵敏度最高。

另外，在foct中，由于温度引起了相位差的变化没有朝预估的方向变化，这个变化发生在了用于制备波片的保偏光纤中。由于全光纤电流互感器测量精度受温度的影响大，抗温漂能力差，因此必须要进行温度补偿。

通过sld分光的另一束光路通过环形器、起偏器及传输光缆最终与温度探头相连接，将温度探头与电流传感头集成在一个壳体内，通过温度探头的温度信息获知同一温度场内foct的传感光纤圈的温度信息。具体的，双折射光纤温度传感器中，传感光纤的一端与保偏光纤呈45°角熔接，另一端镀有全反射膜，实现对入射光的反射。当环境温度发生变化时，温度双折射效应会改变传感光纤中两本征模的传播常数差，从而导致本征模之间的位相差随温度变化。信号处理模块采用信号解调及拟合算法，当环境温度发生变化时，通过检测因位相差引起的干涉场的能量变化，即可以获得温度变化信息。

其中，双折射光纤温度传感器输出光强iout为：

式中，δx及δy为保偏光纤中快、慢轴的相位延迟；iin为入射光光强。

线偏光在x，y方向上传输的相位差为：

δx-6y＝l·(βx-βy)＝l·δβ(4)

式中，l为光纤温度探头的长度；δβ为x，y方向传播常数差，在-200℃～400℃的范围内与温度成线性关系。

如图2所示，全光纤电流互感器的信号处理模块根据双折射光纤温度传感器的传感信号对温度变化特性进行补偿的方法为：对双折射光纤温度传感器测得不同温度信号进行标定后，通过四阶多项式拟合得到随温度t变化的标度因数η(t)：

η(t)＝at⁴+bt³+ct²+dt+e(5)

式中，a、b、c、d、e分别为拟合系数。

全光纤电流互感器的测量值为im，采用标度因数η(t)对测量值im进行补偿得到实际电流值ir＝η(t)im。

如图3所示，全光纤电流互感器的传感光纤圈和载流线圈均呈螺线管形式绕制，传感光纤圈绕制在所述载流线圈上，使得载流线圈所形成的磁场方向与传感光纤圈的光路传播方向相同，以提高整个系统的灵敏度。其原理是：

根据faraday磁光效应，利用磁场作用下的偏振光的旋转角与光路长的关系，可以得到：

式中，h为磁场强度，dl为磁场作用光路的长度的微分，v为verdet(费尔德)常数，μ为真空磁导率，l为磁场作用光路的长度，θ为偏振光的旋转角。

光路闭合之后，偏转角θ只与被测电容电流i有关，得出：

θ＝k1k2vi(7)

式中，k1为传感光纤圈匝数，k2为载流线圈匝数。采用双螺线管测量方式缩短了光纤长度，减少了光路损耗，与单螺线管结构相比，系统灵敏度提高了k1或者k2倍。

根据电容分压器和载流线圈串联结构，载流线圈两端电压和一次电压关系对应的幅频和相频响应曲线如图4所示，在宽频带范围内出现非平坦响应特性，该特性会导致系统不能真实地反映源电压中的各次谐波特性，进而导致测量波形出现畸变。为矫正畸变，在载流线圈两端并联补偿电路来对系统的幅频特性进行修正，补偿电路由电容cc和电阻rc串联组成。如图5所示，经过补偿电路后，可明显减小谐波分量对系统测量精度的影响。建立了系统传递函数模型，仿真分析系统的幅频及相频特性，可见经补偿后，系统的幅频响应在50～10khz范围内均较平坦。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。