[发明专利]法拉第光学电流传感器装置

说明书

背景技术

法拉第光学电流传感器可以用于测量附近的电力线中的电流。法拉第光学电 流传感器依靠法拉第效应工作。法拉第效应说的是偏振光束的旋光度与光束方向 上的磁场分量成比例。电荷在导体内迁移会产生环绕导体的环形磁场。因此，通 过将光学法拉第光学电流传感器平行于磁场线的方向放置，可以测量电流的大 小。

与变流器之类的常规技术相比，使用法拉第光学电流传感器提供了许多优 点。最重要的优点之一是法拉第光学电流传感器可以完全由介电材料构成的事 实。这对高电压/强电流应用来说尤其重要，并且赋予了法拉第光学电流传感器相 当大的克服电磁干扰的抗扰性。法拉第光学电流传感器的另一个重要优点是它们 可以与电力线电分离，并且它们不以任何方式影响电力线中的电流。这几乎消除 了通过测量系统的电力线短路的风险。这种法拉第光学电流传感器的一个例子是 本申请人的公司生产的并且在US 7,068,025中描述的模块，引用 该文献，因此该文献通过引用被并入本说明书中。

法拉第光学电流传感器包括一般形如棒、纤维或者类似物的磁光部件，它们 用表现出高法拉第效应的材料制成。这一般是指具有高维尔德常数的材料。维尔 德常数是法拉第效应的比例常数。偏振光的旋光角可以用下式描述：

β＝V×B×d

其中β是旋光角，d是磁场和光相互作用的路径的长度，B是光传播方向上 的磁通密度，而V是维尔德常数。导体外部某位置处的磁通密度可以用如下公知 的公式来计算：

B=μ0I2πr]]>

其中B是磁通密度，μ₀是磁常数，I是电流，而r是距导体的距离。

可以为磁光部件提供来自光源的偏振光，例如发射特定波长的线偏振光的灯 或者LED。光源可以包括偏振滤光器，用于产生具有特定线偏振的光。射出磁光 部件的光可以被检测，并且优选被检测单元转换成电信号。检测单元检测射出磁 光部件的偏振光的旋光度。控制单元可以评价来自检测单元的信号，进行必要的 纠错和计算，以求出电力线中的电流。可能的误差来源包括传感器相对于电力线 的位置、光学噪声、当光进出不同光学介质时的过渡效应以及温度的影响。法拉 第光学电流传感器优选在使用之前进行校准，例如用标准的电流测量设备。标准 的电流测量设备可以包括例如变流器。在校准之后，法拉第光学电流传感器可以 代替例如变流器，用于监测电流，并将测量值报告给控制系统。法拉第光学电流 传感器也可以用来检测故障电流，例如短路电流，并将这种现象报告给安全系统， 接着安全系统可以激活相关的断路器和保障系统，以免损坏配电网中的其他设 备。

磁光部件、光源和检测单元优选经光纤之类的光导管连接。光纤具有相当大 的挠性，并且允许光远距离传播，而光的强度没有太大的损失。但是，重要的是 要知道光纤的挠性是有限的。如果弯曲超过挠性限制，光纤可能因断裂、损坏或 者变形而出故障。光纤因过度弯曲而出的故障一般会永久地使它们无法用于传导 光。一般的光纤可以弯曲的程度比电缆小得多。

由于光学传感器可以用介电材料来构造，因此只有该传感器可以放在其他传 感器，即包含导电材料的传感器，不适合放的位置。这样的位置包括受强电场影 响的地方，而强电场在强电流和高电压工程领域是常见的。另外，法拉第光学电 流传感器非常紧凑而且轻，因为它们不含任何金属部件。用于高电压和强电流应 用的磁光部件可以制作成具有毫米范围内的维度。为了更好地处理与保护，磁光 部件以及与光导管的接合处用小的圆柱形外壳封装起来。光学法拉第光学电流传 感器的上述所有特点使得大量的新的测量位置变得可行。

新的测量位置需要合适的固定设备，以将法拉第光学电流传感器固定到电力 线上。多数情况下，电流测量设备在例如子站(substation)内构成独立单元。具 有独立的电流测量单元需要大量空间和材料。但是，使用法拉第光学电流传感器 不需要独立的电流测量单元。由于法拉第光学电流传感器的小尺寸和介电性能， 因此它也可以与任何其他高电压或者强电流设备结合使用。