本發(fā)明涉及一種光學(xué)電流互感器，尤其涉及一種適用于柔性直流輸電系統(tǒng)的快速響應(yīng)的高精度全光纖電流互感器。

背景技術(shù)：

光學(xué)電流互感器具有體積小、重量輕，絕緣結(jié)構(gòu)簡單，無磁飽和和鐵磁諧振以及二次開路等問題，動態(tài)范圍大、響應(yīng)頻帶寬，暫態(tài)特性好，便于數(shù)字化等優(yōu)點，更能適應(yīng)電力系統(tǒng)的需求。光學(xué)電流互感器按光路結(jié)構(gòu)可分為磁光玻璃式和全光纖兩類，全光纖式電流互感器利用光纖作為電流傳感材料，系統(tǒng)各元件均是通過光纖熔接連接而成，無分立元件，結(jié)構(gòu)簡單，抗振動能力強(qiáng)，連接可靠，長期穩(wěn)定性好，是電流互感器制造商重點研發(fā)的方向。

目前研究較多的是互易反射干涉儀結(jié)構(gòu)的光學(xué)電流互感器，系統(tǒng)光路完全對稱，兩束偏振光始終在同一根光纖的兩個正交模式上傳輸，大多數(shù)干擾如振動等由于其良好的互易性而得到很好地抑制，只有由于faraday效應(yīng)在一次導(dǎo)體周圍的光纖傳感環(huán)中產(chǎn)生的與電流成正比的相移是非互易的，因而這種光學(xué)電流互感器能排除振動、溫度等環(huán)境因素的干擾，較好地探測出電流信息。

全光纖式光學(xué)電流互感器測量動態(tài)范圍大，一個光纖傳感環(huán)能同時滿足測量和保護(hù)的需求,可以同時測量直流和交流電流,而且其一次端只有光纖是無源的，抗電磁干擾能力強(qiáng)，近年來在交流特高壓控制保護(hù)和直流輸電系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。

與傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)相比，柔性直流輸電技術(shù)具有可控性高、設(shè)計施工方便環(huán)保、占地小及換流站間無需通信等優(yōu)點，在可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電等方面具有明顯的優(yōu)勢。柔性直流電網(wǎng)與交流電網(wǎng)有較大不同，其故障有故障電流上升時間快，故障定位困難，影響范圍廣等特點。故柔性直流系統(tǒng)對測量設(shè)備的響應(yīng)時間、動態(tài)范圍和精度要求極高。

目前常規(guī)交流和直流輸電系統(tǒng)要求光學(xué)電流互感器的采樣率一般為4khz(交流)或10khz(直流)，額定延遲時間小于500us，階躍響應(yīng)上升時間不超過400us即可，這也是大多數(shù)光學(xué)電流互感器能滿足的技術(shù)水平。而柔性直流輸電系統(tǒng)對光學(xué)電流互感器響應(yīng)時間和輸出數(shù)據(jù)的采樣頻率提出了更高的要求，要求光學(xué)電流互感器階躍響應(yīng)時間不超過100us，輸出電流數(shù)據(jù)的采樣頻率不低于50k。

光學(xué)電流互感器的光路系統(tǒng)的純延時τ(系統(tǒng)中兩束正交偏振光在干涉之前的渡越時間)決定了系統(tǒng)的調(diào)制頻率，而調(diào)制頻率則限制了電流數(shù)字信號最高采樣頻率；另一方面影響光學(xué)電流互感器階躍響應(yīng)時間的主要因素有兩個：信號處理系統(tǒng)的相頻特性造成的延時和互感器的純延時，而影響其階躍響應(yīng)時間的主要原因是解調(diào)輸出信號波動范圍較大，需要進(jìn)行積分修正并反饋和作為系統(tǒng)數(shù)字輸出，此過程加大了光學(xué)電流互感器的純延時，從而加大階躍響應(yīng)死區(qū)時間。

本發(fā)明就是針對柔性直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用需求，提出一種響應(yīng)快、延遲時間短、電流數(shù)據(jù)采樣速率高的高精度光學(xué)電流互感器解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，在于提供一種能滿足柔性直流輸電系統(tǒng)需求的、數(shù)據(jù)輸出采樣頻率高、階躍響應(yīng)時間短的高精度光學(xué)電流互感器。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

一種光學(xué)電流互感器，由采集單元1、傳輸光纖3和光纖傳感環(huán)2組成。所述采集單元1包括光源4、光電探測器5、分束器6、集成光學(xué)組件7和保偏光纖環(huán)8，以及包含光源驅(qū)動和信號調(diào)制解調(diào)功能的電子電路9。所述集成光學(xué)組件7由偏振模塊71和雙折射調(diào)制模塊72組成，偏振模塊71的透光軸和雙折射調(diào)制模塊72的主軸成45°或者135°。所述光纖傳感環(huán)2包含λ/4波片10，傳感光纖11和反射鏡12。光源4的尾纖與分束器6輸入光纖連接，分束器6另外兩光纖分別連接光電探測器5和集成光學(xué)組件7的輸入光纖；集成光學(xué)組件7的輸出光纖與保偏光纖環(huán)8尾纖連接，保偏光纖環(huán)8的另一尾纖與傳輸光纖3的一端連接，傳輸光纖3的另一端與光纖傳感環(huán)2的λ/4波片10熔接，波片10另一端與傳感光纖11熔接，反射鏡12位于傳感光纖11尾端，其中，λ為所述光源的中心波長。

所述光學(xué)電流互感器中光源4發(fā)出的光經(jīng)分束器6進(jìn)入所述集成光學(xué)組件7，集成光學(xué)組件7中偏振模塊71產(chǎn)生線偏光，該線偏光偏振方向與雙折射調(diào)制模塊72的主軸成45°，線偏光分成兩束正交的線偏光并均受到調(diào)制，兩束正交線偏光進(jìn)入保偏光纖環(huán)8，分別沿其快軸和慢軸傳播，之后兩束線偏光經(jīng)過λ/4波片10變成兩束正交橢圓偏光，經(jīng)傳感光纖11到達(dá)反射鏡12并返回；傳感光纖11纏繞在一次導(dǎo)體13周圍，兩束正交偏振光在傳感光纖11中往返傳輸時，由于一次導(dǎo)體13中傳輸電流的faraday磁光效應(yīng)，兩束正交橢圓偏光產(chǎn)生相位差，返回后的兩束正交偏振光經(jīng)過λ/4波片10變成兩束線偏光，且偏振方向互換。之后返回集成光學(xué)組件7中偏振模塊71處發(fā)生干涉，干涉后的光信號經(jīng)分束器6到達(dá)光電探測器5進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，其輸出的電信號經(jīng)電子電路9處理后得到干涉光信號中攜帶的faraday相移，從而得到被測一次電流信息。

所述集成光學(xué)組件7中所述偏振模塊71是linbo3集成光學(xué)波導(dǎo)起偏器或者偏振片，所述雙折射調(diào)制模塊72是表面鍍有電極的linbo3集成光學(xué)雙折射波導(dǎo)。

所述分束器6由光纖準(zhǔn)直器和具有光功率分束功能的光學(xué)介質(zhì)膜組成，或者是環(huán)形器，或者是2×2光纖耦合器。

所述保偏光纖環(huán)8的光纖長度不超過500m。

所述光纖傳感環(huán)2的纏繞匝數(shù)不少于12圈。

本發(fā)明的有益效果在于：

1，本發(fā)明采用的集成光學(xué)組件其偏振模塊和雙折射調(diào)制模塊的對準(zhǔn)精度更高，減少了系統(tǒng)的偏振交叉耦合，可降低系統(tǒng)的偏振誤差，從而可優(yōu)化光學(xué)電流互感器的互易性能，減少光學(xué)噪聲，提高其電流測量精度。

2，本發(fā)明通過控制光學(xué)電流互感器的保偏光纖環(huán)的光纖長度來減少其渡越時間τ，使光學(xué)電流互感器的純延時減少，從而實現(xiàn)快速響應(yīng)和數(shù)據(jù)輸出高采樣率。

3，本發(fā)明通過適當(dāng)增加光學(xué)電流互感器的光纖傳感環(huán)圈數(shù)來減少其積分環(huán)節(jié)的平均次數(shù)從而減少系統(tǒng)純延時，以保證其電流測量精度和階躍響應(yīng)時間，按本發(fā)明提供的技術(shù)方案，光學(xué)電流互感器的延時可控制在100us以內(nèi)，采樣率達(dá)50k或者100k，其響應(yīng)速度、采樣率和測量精度滿足柔性直流輸電系統(tǒng)的對高速測量設(shè)備的要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中光學(xué)電流互感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明中集成光學(xué)組件7結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1.采集單元、2.光纖傳感環(huán)、3.傳輸光纖、4.光源、5.探測器、6.分束器、7.集成光學(xué)組件、8.保偏光纖環(huán)、9.電子電路、10.λ/4波片、11.傳感光纖、12.反射鏡、13.一次導(dǎo)體、71.偏振模塊、72.雙折射調(diào)制模塊。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明所述光學(xué)電流互感器如圖1所示，由采集單元1、傳輸光纖3和光纖傳感環(huán)2組成。采集單元1包括光源4、光電探測器5、分束器6、集成光學(xué)組件7和保偏光纖環(huán)8，以及包含光源驅(qū)動和信號調(diào)制解調(diào)功能的電子電路9。集成光學(xué)組件7由偏振模塊71和雙折射調(diào)制模塊72組成，偏振模塊71的透光軸和雙折射調(diào)制模塊72的主軸成45°或者135°。集成光學(xué)組件7中偏振模塊71是linbo3集成光學(xué)波導(dǎo)起偏器或者偏振片，雙折射調(diào)制模塊72是表面鍍有電極的linbo3集成光學(xué)雙折射波導(dǎo)。光纖傳感環(huán)2包含λ/4波片10，傳感光纖11和反射鏡12。傳輸光纖11為保偏光纖。

光源4的尾纖與分束器6的輸入光纖連接，分束器6另外兩光纖分別連接光電探測器5和集成光學(xué)組件7的輸入光纖；集成光學(xué)組件7的輸出光纖與保偏光纖環(huán)8尾纖以0°對接，保偏光纖環(huán)8的另一尾纖與傳輸光纖3的一端以0°對接，傳輸光纖3的另一端與光纖傳感環(huán)2的λ/4波片10熔接，波片10另一端與傳感光纖11熔接，反射鏡12位于傳感光纖11尾端。反射鏡12可以通過在傳感光纖11尾端鍍反射膜實現(xiàn)，也可以分立的反射鏡和傳感光纖通過光學(xué)膠粘結(jié)。

光學(xué)電流互感器中光源4發(fā)出的光經(jīng)分束器6進(jìn)入所述集成光學(xué)組件7，集成光學(xué)組件7中偏振模塊71產(chǎn)生線偏光，該線偏光偏振方向與linbo3雙折射調(diào)制模塊72的主軸成45°，這樣線偏光分成兩束正交的線偏光并均受到調(diào)制，兩束正交線偏光進(jìn)入保偏光纖環(huán)8，分別沿其快軸和慢軸傳播，之后兩束線偏光經(jīng)過λ/4波片10變成兩束正交圓偏光，經(jīng)傳感光纖11到達(dá)反射鏡12并返回；傳感光纖11纏繞在一次導(dǎo)體13周圍，兩束正交偏振光在傳感光纖11中往返傳輸時，由于一次導(dǎo)體13中傳輸電流的faraday磁光效應(yīng)，兩束正交圓偏光產(chǎn)生相位差，返回后的兩束正交偏振光經(jīng)過λ/4波片10變成兩束線偏光，且偏振方向互換。之后返回集成光學(xué)組件7中偏振模塊71處發(fā)生干涉，干涉后的光信號經(jīng)分束器6到達(dá)光電探測器5，光電探測器5進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，其輸出的電信號經(jīng)電子電路9處理后得到干涉光信號中攜帶的faraday相移，從而得到被測一次電流信息。

分束器6可以是由半透半反鏡的分離光學(xué)器件組成，也可以是2×2光纖耦合器，還可以是光纖環(huán)形器。

對于光學(xué)電流互感器系統(tǒng)，設(shè)加在集成光學(xué)組件7的雙折射調(diào)制模塊72上調(diào)制信號為一次電流引入的位相差為φs，τ為兩束偏振光在集成光學(xué)組件7中干涉之前在光路中傳播所需時間也即渡越時間，則系統(tǒng)輸出為：

其中：

τ＝2n*l/c(2)

式(2)中l(wèi)為保偏光纖環(huán)和傳輸光纖以及傳感光纖的總長，n為傳輸路徑上光纖的折射率，c為真空中的光速。

faraday相移φs與傳感光纖的verdet常數(shù)和光纖傳感環(huán)的纏繞圈數(shù)有關(guān)：

φs＝4vni(3)

其中v是verdet常數(shù)，n是光纖傳感環(huán)圈數(shù)，i是一次電流。

目前高精度大動態(tài)范圍的光學(xué)電流互感器采用方波調(diào)制和閉環(huán)解調(diào)的方案，實現(xiàn)方案如下：集成光學(xué)組件的調(diào)制信號為占空比為1:1方波，頻率為f＝1/(2τ)，方波幅值為π/4。這樣探測器的輸出是一個疊加在直流0.5i0上的幅值為0.5i0sinφs的方波，通過在正負(fù)半周期上各取若干點，分別求和后相減即可得到解調(diào)結(jié)果：faraday相移φs。而為擴(kuò)大電流測量范圍，采用了閉環(huán)解調(diào)技術(shù)：通過階梯波反饋調(diào)制技術(shù)，在兩束正交偏振光之間引入一個與faraday相移φs大小相等，方向相反的反饋補(bǔ)償相移φr，用來抵消faraday相移φs，避免了大電流的非線性。階梯波高度即是光學(xué)電流互感器的數(shù)字輸出，反映了一次電流的大小和方向。

調(diào)制頻率f即是光學(xué)電流互感器的本征頻率，它決定了輸出電流數(shù)字信號的最高采樣頻率，f≥50k時，渡越時間τ≤10us，l≤1000m。

由于光學(xué)電流互感的faraday相移是微弱信號，雖然經(jīng)過高頻調(diào)制和上述相關(guān)解調(diào)能將其從噪聲中提取出來，但是白噪聲影響不能完全消除，解調(diào)電流的波動范圍仍較大，目前普遍采用的措施是將閉環(huán)輸出信號進(jìn)行積分修正后輸出，積分修正選取的點數(shù)決定了光路純延時，設(shè)其點數(shù)為m，則積分修正環(huán)節(jié)引入的純延時為2mτ。故積分修正環(huán)節(jié)選取的點數(shù)越多，光學(xué)電流互感器延時越大，而此時光學(xué)電流互感器的輸出電流波動范圍越小，也即其精度越高?？芍鈱W(xué)電流互感器的高精度和短延時是有一定制約關(guān)系的。

為了減小光學(xué)電流互感器的純延時，可以通過減少渡越時間τ和減少積分修正選取的點數(shù)來實現(xiàn)?？刂票Ｆ饫w環(huán)8的光纖長度可以保證高采樣頻率電流數(shù)字信號輸出且不致使光學(xué)電流互感器的渡越時間τ過長。例如保偏光纖環(huán)8和傳輸光纖3以及光纖傳感環(huán)2的總長度為200m時，其渡越時間約為2μs，考慮到閉環(huán)解調(diào)系統(tǒng)頻率特性造成的延時約為20μs，要滿足總延時小于100us，則m不能超過20?？紤]到閉環(huán)解調(diào)系統(tǒng)還有階躍響應(yīng)上升調(diào)節(jié)時間，實際上積分修正能選取的點數(shù)m更少。

而如前所述積分修正選取的點數(shù)m減少會使光學(xué)電流互感器的輸出電流波動范圍變大，這會劣化光學(xué)電流互感器的電流測量精度。

柔性直流輸電系統(tǒng)對光學(xué)電流互感器的精度測量是有要求的，特別是較小電流范圍：10％～120％ir范圍內(nèi)，誤差限值不超過0.2％。本發(fā)明從兩方面來優(yōu)化光學(xué)互感器的電流測量精度：一方面采用本發(fā)明光路方案采用的集成光學(xué)組件7可優(yōu)化光路系統(tǒng)的互易性、減少光路噪聲，另一方面適當(dāng)增加光纖傳感環(huán)2的纏繞圈數(shù)。

集成光學(xué)組件7如圖2所示，其偏振模塊71的透光軸和雙折射調(diào)制模塊72的主軸成45°或者135°，偏振模塊71產(chǎn)生的線偏光振動方向和雙折射模塊72中te和tm模振動方向如圖2中雙端箭頭所示。偏振模塊71與雙折射調(diào)制模塊72的對準(zhǔn)角度直接影響光學(xué)電流互感器的反射式干涉儀光路結(jié)構(gòu)的互易性,目前的光學(xué)電流互感器均采用在線起偏器和相位調(diào)制器的分立器件，二者尾纖通過保偏熔接機(jī)來實現(xiàn)45°對準(zhǔn)，保偏熔接機(jī)熔接45°的精度取決于光纖尾纖的種類和結(jié)構(gòu)的對稱性，對準(zhǔn)精度有時能超過3°，而本發(fā)明的集成光學(xué)組件7中偏振模塊71和雙折射調(diào)制模塊72的對準(zhǔn)均在高倍顯微鏡下通過光學(xué)精密微調(diào)的方法實現(xiàn)的，可保證其對準(zhǔn)誤差不超過0.5°，起偏模塊71輸出的線偏光被均勻地分成兩束正交線偏光，減少了系統(tǒng)的偏振交叉耦合，可降低系統(tǒng)的偏振誤差，這保證了光學(xué)電流互感器的良好互易性，減少了光路系統(tǒng)的噪聲，可提高互感器的測量精度。

為減少光學(xué)電流互感器輸出電流數(shù)據(jù)波動范圍，本發(fā)明的另一手段是增加光纖傳感環(huán)2的纏繞圈數(shù)。相比增加一次導(dǎo)體匝數(shù)來提高光學(xué)電流互感器精度的方法，增加光纖傳感環(huán)的圈數(shù)大電流時不存在安全問題。為保證其延時滿足柔性直流輸電系統(tǒng)的要求，閉環(huán)系統(tǒng)的積分修正環(huán)節(jié)平均次數(shù)不能多于8次，此時要保證10％ir(ir＝3000a)時誤差限值不超過0.2％，則光纖傳感環(huán)2的纏繞圈數(shù)不少于12圈。

為保證光學(xué)電流互感器的采樣率不小于100k，其渡越時間τ不大于10μs，而若保證其延時不大于100μs，則其渡越時間需要更小，平均次數(shù)為8時，其渡越時間τ不能大于5μs。此時光纖傳感環(huán)2和保偏光纖環(huán)8總長度不能大于500m。

本發(fā)明所提出的光學(xué)電流互感器方案，最主要的技術(shù)特征是其采用集成光學(xué)組件，保證起偏模塊和雙折射調(diào)制模塊的45°對準(zhǔn)精度，優(yōu)化了光學(xué)電流互感器光路系統(tǒng)的互易性，減少了光路噪聲，提高了測量精度，同時增加光纖傳感環(huán)的圈數(shù)和適當(dāng)控制保偏光纖環(huán)的長度，按本發(fā)明配置光纖傳感環(huán)圈數(shù)和保偏光纖環(huán)的長度，可兼顧光學(xué)電壓互感器測量精度和響應(yīng)時間，從而保證其階躍響應(yīng)時間和測量精度均可滿足柔性直流輸電系統(tǒng)的快速響應(yīng)和高精度的技術(shù)要求。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只限于這些說明或以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。