專利名稱：高精度全光纖電流互感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電流互感器，特別是一種全光纖電流互感器。
背景技術(shù)：
互感器是電力系統(tǒng)的眼睛，通過互感器檢測線路的電壓或電流并實現(xiàn)與一次設備的隔離，同時與二次設備配合實現(xiàn)電力系統(tǒng)的計量、保護、測控等功能。傳統(tǒng)的電磁式電流互感器結(jié)構(gòu)類似變壓器，線路導線做一次繞組，通過硅鋼片鐵芯的把電磁傳遞給短路狀態(tài)的二次線圈，二次線圈感應產(chǎn)生的電流與一次線圈產(chǎn)生的電流在硅鋼片鐵芯中相互抵消， I1^N1 = I2*N2，從而在二次線圈中感應出正比于線路電流的二次電流。傳統(tǒng)的電磁式電流互感器以硅鋼片鐵芯為傳導介質(zhì)，除感應產(chǎn)生與一次電流成正比的二次電流外，還承擔著絕緣、驅(qū)動負載、信號傳導的作用，該類型互感器存在鐵損大、鐵磁飽和、諧振、絕緣結(jié)構(gòu)復雜、 精度受負載影響、開路高壓、接地故障、電磁干擾等問題，已不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)一次系統(tǒng)電壓高、容量大和二次系統(tǒng)微機化、小型化、網(wǎng)絡化的要求。有源電子式互感器采用不含鐵芯的傳感頭檢查電壓或電流、通過遠端采集模塊本地采樣、通過光纖遠程傳輸，實現(xiàn)了信號傳感與驅(qū)動、絕緣、傳輸功能分離，簡化了互感器的絕緣結(jié)構(gòu)，減少了互感器的體積和重量，提高了互感器的性能。有源電子式互感器的缺點是遠端采集模塊的供電成本高、電子元器件工作環(huán)境惡劣容易老化、遠端模塊位于高壓端停電檢修不方便。新型的基于Fraday效應的光學電流互感器可以解決上述問題，光學電流互感器從結(jié)構(gòu)上可以分為磁光玻璃結(jié)構(gòu)和全光纖結(jié)構(gòu)。采用磁光玻璃結(jié)構(gòu)的電流互感器利用高菲爾德常數(shù)的重火石磁光玻璃作載體，使線偏振光在其中繞過時受到被測電流的調(diào)制而改變偏轉(zhuǎn)角度，再通過渥拉斯頓棱鏡作檢偏器件來實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角的檢測從而間接測量電流，該方案為開環(huán)模式，光路系統(tǒng)采用獨立光學器件粘接而成，光學器件容易受加工精度、環(huán)境溫度、振動的影響，存在測量范圍小、靈敏度低、長期穩(wěn)定性差等缺點，難以滿足實用化的要求；另一種為全光纖結(jié)構(gòu)，在敏感光纖中傳輸?shù)钠窆猱a(chǎn)生與磁場強度成正比的相位差，通過檢測相位差即可檢測得出與磁場對應的電流的大小，但是現(xiàn)有技術(shù)存在以下缺陷第一、 光纖相位調(diào)制器的抗干擾能力差，系統(tǒng)的靈敏度有待提高；第二、傳感光纖的雙折射系數(shù)大，對偏振光的影響大。

實用新型內(nèi)容為了解決上述的技術(shù)問題，本實用新型的目的是提供一種的高精度全光纖電流互感器。本實用新型為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是高精度全光纖電流互感器，包括光路系統(tǒng)和信號調(diào)制解調(diào)單元，所述光路系統(tǒng)包括光源、所述光源依次連接有消偏器、環(huán)形器、起偏器、相位調(diào)制器、光纖延遲線、λ /4波片、 傳感光纖、光纖反射鏡，所述光源發(fā)出光束經(jīng)光纖反射鏡反射后沿傳感光纖、λ /4波片、光
3纖延遲線、相位調(diào)制器、起偏器返回至環(huán)形器，所述環(huán)形器還連接有光探測器，所述光探測器的輸出端連接至調(diào)制解調(diào)單元的輸入端，所述調(diào)制解調(diào)單元的輸出端與相位調(diào)制器相連構(gòu)成閉環(huán)相位控制。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述信號調(diào)制解調(diào)單元包括前置放大器、濾波器、AD 采樣單元、信號處理單元、數(shù)字鎖相深度調(diào)制單元、相位解調(diào)電流計算單元、電光轉(zhuǎn)換單元、 光電轉(zhuǎn)換單元、信號發(fā)生器，所述信號處理單元包括1倍頻三角函數(shù)發(fā)生器、2倍頻三角函數(shù)發(fā)生器、第一乘法器、第二乘法器、第一累加器、第二累加器、倍頻單元，輸出的光束經(jīng)光探測器轉(zhuǎn)換成電壓的變化，經(jīng)前置放大器提高信號幅度、濾波器濾除不需要的高次諧波，然后經(jīng)高精度AD采樣單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述AD采樣單元由同步輸入信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成電同步信號后經(jīng)倍頻采樣單元倍頻后觸發(fā)，AD采樣單元輸出的數(shù)字信號分別與1 倍頻三角函數(shù)發(fā)生器、2倍頻三角函數(shù)發(fā)生器相乘，第一乘法器、第二乘法器的輸出信號分別經(jīng)第一累加器、第二累加器累加后相疊加，所述疊加后的信號一路經(jīng)相位解調(diào)電流計算單元、電光轉(zhuǎn)換單元作為電流信號輸出；另一路經(jīng)數(shù)字鎖相深度調(diào)制單元、信號發(fā)生器反饋至相位調(diào)制器構(gòu)成相位閉環(huán)控制，所述1倍頻三角函數(shù)發(fā)生器、2倍頻三角函數(shù)發(fā)生器、第一乘法器、第二乘法器、數(shù)字鎖相深度調(diào)制單元分別都與光電轉(zhuǎn)換單元的電同步信號相連。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述傳感光纖為超低雙折射率、高菲爾德常數(shù)旋轉(zhuǎn)光纖，所述旋轉(zhuǎn)光纖由單模光纖緊密旋轉(zhuǎn)而成。本實用新型的有益效果是本實用新型通過信號調(diào)制解調(diào)單元和相位調(diào)制器實現(xiàn)了對光纖電流互感器的相位閉環(huán)控制，大大提高了系統(tǒng)的信噪比和抗干擾能力；本實用新型采用了全光纖結(jié)構(gòu)和閉環(huán)檢測控制回路，提高了系統(tǒng)的可靠性；本實用新型通過采用超低雙折射率、高菲爾德常數(shù)旋轉(zhuǎn)光纖做傳感光纖，降低了光路傳輸過程中偏振光的偏轉(zhuǎn)誤差。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。

圖1是本實用新型光纖電流互感器的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是本實用新型光纖電流互感器信號調(diào)制解調(diào)單元的原理框圖。
具體實施方式
參照圖1，高精度全光纖電流互感器，包括光路系統(tǒng)和信號調(diào)制解調(diào)單元9，所述光路系統(tǒng)包括光源1、所述光源1依次連接有消偏器2、環(huán)形器3、起偏器4、相位調(diào)制器5、 光纖延遲線6、λ /4波片7、傳感光纖8、光纖反射鏡11，所述光源1發(fā)出光束通過消偏器2 消偏后經(jīng)過環(huán)形器3進入起偏器4變成線偏振光；起偏器4的尾纖與相位調(diào)制器5的尾纖以45°角熔接，這樣線偏振光就被平分成分別沿保偏光纖的快軸和慢軸傳輸兩束正交模式的線偏振光；兩束線偏振光通過相位調(diào)制器5時調(diào)制成光強為500kHz的三角函數(shù)波形，而后經(jīng)光纖延遲線6保偏進入λ /4波片7轉(zhuǎn)變成為左旋和右旋的圓偏振光，同時進入傳感光纖8 ；由于被測電流對兩束光的Faraday磁光效應使得這兩束圓偏振光以不同的速度傳輸從而產(chǎn)生相位變化；在傳感光纖的末端安裝了光纖反射鏡11，兩束圓偏振光經(jīng)光纖反射鏡 11反射后偏振模式互換(即左旋光變?yōu)橛倚?，右旋光變?yōu)樽笮?，然后再次穿過傳感光
4纖8，因而Faraday效應產(chǎn)生的相位加倍；在兩束光再次通過λ /4波片7后，恢復成為線偏振光，并且原來光纖延遲線6快軸傳播的光變?yōu)檠芈S傳播，原來沿光纖延遲線慢軸傳播的光變?yōu)檠乜燧S傳播；分別沿光纖延遲線快軸、慢軸傳播的光在光纖起偏器4處發(fā)生干涉后經(jīng)環(huán)形器3進入光探測儀10 ；信號調(diào)制解調(diào)單元9根據(jù)光強變化解調(diào)出兩束光相位的變化從而測出被測電流的大小，信號調(diào)制解調(diào)電路11同時根據(jù)特征量對相位調(diào)制器5的調(diào)制深度進行閉環(huán)控制，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述信號調(diào)制解調(diào)單元9包括前置放大器91、濾波器92、AD采樣單元93、信號處理單元94、數(shù)字鎖相深度調(diào)制單元95、相位解調(diào)電流計算單元96、電光轉(zhuǎn)換單元97、光電轉(zhuǎn)換單元98、信號發(fā)生器99，所述信號處理單元94包括1倍頻三角函數(shù)發(fā)生器941、2倍頻三角函數(shù)發(fā)生器942、第一乘法器943、第二乘法器944、第一累加器945、第二累加器946、倍頻單元947，輸出的光束經(jīng)光探測器10轉(zhuǎn)換成電壓的變化， 經(jīng)前置放大器91提高信號幅度、濾波器92濾除不需要的高次諧波，然后經(jīng)高精度AD采樣單元93轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述AD采樣單元93由同步輸入信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換單元98轉(zhuǎn)換成電同步信號后經(jīng)倍頻采樣單元947倍頻后觸發(fā)，AD采樣單元93輸出的數(shù)字信號分別與1倍頻三角函數(shù)發(fā)生器941、2倍頻三角函數(shù)發(fā)生器942相乘，第一乘法器943、第二乘法器944 的輸出信號分別經(jīng)第一累加器945、第二累加器946累加后相疊加，所述疊加后的信號一路經(jīng)相位解調(diào)電流計算單元96作傅里葉運算后即可得到當前時刻的相位值，從而可計算出該時刻的電流值，經(jīng)電光轉(zhuǎn)換單元97以光數(shù)字形式輸出當時的電流值；另一路經(jīng)數(shù)字鎖相深度調(diào)制單元95、信號發(fā)生器99反饋至相位調(diào)制器5構(gòu)成相位閉環(huán)控制，根據(jù)疊加信號的特征值判斷相位調(diào)制器5的調(diào)制深度是否發(fā)生變化，若有變化則由數(shù)字鎖相深度調(diào)節(jié)單元 95動態(tài)調(diào)整信號發(fā)生器99的調(diào)制深度。所述1倍頻三角函數(shù)發(fā)生器941、2倍頻三角函數(shù)發(fā)生器942、第一乘法器943、第二乘法器944、數(shù)字鎖相深度調(diào)制單元95分別都與光電轉(zhuǎn)換單元98的電同步信號相連。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述傳感光纖8為超低雙折射率、高菲爾德常數(shù)旋轉(zhuǎn)光纖，所述旋轉(zhuǎn)光纖由單模光纖緊密旋轉(zhuǎn)而成，能大大降低各向異性，因而能把傳感光纖的圓偏振光的雙折射系數(shù)降到最低。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述信號發(fā)生器99產(chǎn)生的信號為500ΚΗΖ正弦波信號。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述倍頻采樣單元947輸出的電同步信號的頻率為 8MHz。進一步作為優(yōu)選的實施方式，光源1發(fā)出的光經(jīng)待測電流和相位調(diào)制器5調(diào)制后的綜合輸出公式為
權(quán)利要求1.高精度全光纖電流互感器，其特征在于包括光路系統(tǒng)和信號調(diào)制解調(diào)單元(9)，所述光路系統(tǒng)包括光源(1)、所述光源(1)依次連接有消偏器O)、環(huán)形器(3)、起偏器、相位調(diào)制器(5)、光纖延遲線(6)、λ/4波片(7)、傳感光纖(8)、光纖反射鏡(11)，所述光源 (1)發(fā)出光束經(jīng)光纖反射鏡(11)反射后沿傳感光纖(8)、λ/4波片(7)、光纖延遲線(6)、 相位調(diào)制器( 、起偏器(4)返回至環(huán)形器(3)，所述環(huán)形器C3)還連接有光探測器(10)，所述光探測器(10)的輸出端連接至調(diào)制解調(diào)單元(9)的輸入端，所述調(diào)制解調(diào)單元(9)的輸出端與相位調(diào)制器( 相連構(gòu)成閉環(huán)相位控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度全光纖電流互感器，其特征在于所述信號調(diào)制解調(diào)單元(9)包括前置放大器(91)、濾波器(9 、AD采樣單元(93)、信號處理單元(94)、數(shù)字鎖相深度調(diào)制單元(95)、相位解調(diào)電流計算單元(96)、電光轉(zhuǎn)換單元(97)、光電轉(zhuǎn)換單元 (98)、信號發(fā)生器(99)，所述信號處理單元(94)包括1倍頻三角函數(shù)發(fā)生器(941)、2倍頻三角函數(shù)發(fā)生器(94 、第一乘法器(94 、第二乘法器(944)、第一累加器(94 、第二累加器(946)、倍頻單元(947)，輸出的光束經(jīng)光探測器(10)轉(zhuǎn)換成電壓的變化，經(jīng)前置放大器 (91)提高信號幅度、濾波器(9 濾除不需要的高次諧波，然后經(jīng)高精度AD采樣單元(93) 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述AD采樣單元(93)由同步輸入信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換單元(98)轉(zhuǎn)換成電同步信號后經(jīng)倍頻采樣單元(947)倍頻后觸發(fā)，AD采樣單元(9 輸出的數(shù)字信號分別與1倍頻三角函數(shù)發(fā)生器(941)、2倍頻三角函數(shù)發(fā)生器(94 相乘，第一乘法器(943)、第二乘法器(944)的輸出信號分別經(jīng)第一累加器(945)、第二累加器(946)累加后相疊加，所述疊加后的信號一路經(jīng)相位解調(diào)電流計算單元(96)、電光轉(zhuǎn)換單元(97)作為電流信號輸出；另一路經(jīng)數(shù)字鎖相深度調(diào)制單元(％)、信號發(fā)生器(99)反饋至相位調(diào)制器( 構(gòu)成相位閉環(huán)控制，所述1倍頻三角函數(shù)發(fā)生器(941)、2倍頻三角函數(shù)發(fā)生器(942)、第一乘法器(943)、第二乘法器(944)、數(shù)字鎖相深度調(diào)制單元(％)分別都與光電轉(zhuǎn)換單元(98)的電同步信號相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度全光纖電流互感器，其特征在于所述傳感光纖(8) 為超低雙折射率、高菲爾德常數(shù)旋轉(zhuǎn)光纖，所述旋轉(zhuǎn)光纖由單模光纖緊密旋轉(zhuǎn)而成。
專利摘要本實用新型公開了一種高精度全光纖電流互感器，包括光路系統(tǒng)和信號調(diào)制解調(diào)單元，所述光路系統(tǒng)包括光源、所述光源依次連接有消偏器、環(huán)形器、起偏器、相位調(diào)制器、光纖延遲線、λ/4波片、傳感光纖、光纖反射鏡，還包括與信號調(diào)制解調(diào)單元相連的光探測器。本實用新型通過信號調(diào)制解調(diào)單元和相位調(diào)制器實現(xiàn)了對光纖電流互感器的相位閉環(huán)控制，大大提高了系統(tǒng)的信噪比和抗干擾能力；采用全光纖結(jié)構(gòu)和閉環(huán)檢測控制回路，提高了系統(tǒng)的可靠性；通過采用超低雙折射率、高菲爾德常數(shù)旋轉(zhuǎn)光纖做傳感光纖，降低了光路傳輸過程中偏振光的偏轉(zhuǎn)誤差?？蓮V泛應用于電力檢測領(lǐng)域。
文檔編號G01R15/24GK201935950SQ20102067524
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者吳明玉, 鄧忠華 申請人:廣東中鈺科技有限公司