[发明专利]一种光学电流互感器传感头及传感方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学电流互感器领域，特别涉及一种光学电流传感头及其传感方法。

背景技术

随着电力系统中电网电压等级的不断提高，容量不断增加，对电流互感器提出了更高的要求。传统的电磁式电流互感器逐渐暴露出了严重的缺陷，主要包括：(1)当系统发生短路、电流异常增大时，互感器铁心饱和严重，其测量动态范围有限，且暂态性能恶化，使二次电流不能正确反映一次电流，造成继电保护拒动或误动；(2)暂态信号和谐波测量能力差，其线性度和动态特性均不能满足快速故障响应的要求；(3)随着电压等级的提高，依靠油绝缘、气体绝缘的绝缘结构越来越复杂，成本高、重量重、体积大且有爆炸危险；(4)不能直接提供数字信号，不适应电力计量与保护数字化信息化的发展要求。鉴于此，暂态性能和绝缘性能更好的电子式电流互感器成为进一步发展的重点。

目前，电子式电流互感器主要分为两大类：光学电流互感器和空心线圈电流互感器(又称Rogowski线圈式电流互感器)。比较而言，目前后者的实用化程度更高，但仍存在很多难题需要克服。空心线圈电流互感器的传感头往往由漆包线均匀绕制在环形骨架上，骨架采用塑料或者陶瓷等非铁磁材料，其相对磁导率与空气中的相对磁导率相同。空心线圈电流互感器由于不带铁心，易受外界电磁干扰；其线圈绕制形状和工艺要求很高，且线圈骨架的温度稳定性不高，尤其在电流波形发生畸变的情况下，其测量准确度不够高；其输出信号是被测电流的微分，目前利用的模拟和数字积分电路还不能在宽频带上实现准确积分功能，限制了其暂态性能；由于其高压侧信号处理电路需要长期可靠的供电电源，稳定供能设计和低功耗设计是其目前发展的难点和关键，同时也限制了其绝缘性能。虽然近年来出现了印刷电路板式空心线圈，提高了布线的精度和灵活性，以及线圈骨架的温度稳定性，但作为有源电子式互感器，需要在高压侧引入电源和地，使得整个装置非常复杂。所以在电力系统中应用互感器的理想形式应该是无源型的光学电流互感器，以大大降低绝缘要求。

目前，光学电流互感器的种类有很多，按敏感材料类型可分为块状磁光材料型、磁致伸缩材料型和全光纤型等几大类。块状磁光材料包括磁光玻璃和磁光晶体等，可加工成条状或围绕载流导体的闭合环状传感头使用。对于环状磁光玻璃为传感头的光学互感器，被测电流通过直线导体从主体玻璃环中心的孔穿过，偏振光经过反射面的多次全反射围绕导体一周。这种传感头的不足之处是随时间的推移，反射面的性质会发生变化，测量的精度和可靠性越来越差，长期稳定性不好，而且加工难度大，安装不方便。磁光晶体(以石榴石晶体为代表)也被研究应用于电流测量领域，但其费尔德常数受温度影响比较大，磁化过程带有随机性，使测量的稳定性和精度都不高，且成本较高。磁致伸缩材料与光纤结合可实现电流传感，但由于光纤和磁致伸缩材料耦合的负载效应、磁致伸缩材料本身的磁饱和和磁致效应的限制以及材料对温度和振动等环境因素的敏感性，都制约了该类传感头在光学互感器中的实际应用。全光纤传感头就是将光纤直接绕制在载流导体上实现电流传感，光路结构简单。由于温度、应力等环境因素可导致光纤内部双折射的随机变化，大大影响了基于偏振检测的全光纤电流互感器的测量精度和稳定性。虽然基于干涉检测方法的Sagnac全光纤电流互感器近年来得到了足够的重视，也出现了挂网试运行的样机，但这种方案很难区分由振动引起的光陀螺效应对传感检测的影响。

近年来，随着功能薄膜技术的发展，光学电流互感器的传感头也有向薄膜化发展的趋势。美国专利US0103380公开了一种基于磁光材料薄膜和光波导共振结构的电流传感元件。美国专利US5736856公开了一种利用磁光克尔效应以铁磁材料或亚铁磁材料薄膜为敏感元件的磁场传感器。中国专利CN101672870公开了一种电流传感器，其敏感单元为保护层、永磁薄膜和磁光材料层叠生长结构。中国专利CN101672865公开了一种光纤电流传感器，传感光纤上涂有磁致伸缩材料膜层。但由于上述技术方案仍受磁性材料性能的限制，所以在实际应用中存在许多问题。

随着纳米技术的迅速发展和人们对微观世界认识的深化，以表面等离子激元为代表的纳米光子学领域取得了很大进展。表面等离子体激元是指金属表面自由电子同入射光子相互耦合形成的非辐射“局域”电磁模式，金属表面自由电子在入射光场的激励下集体相干振荡，将光能量聚集在金属和介质的界面上几百纳米的空间范围内，产生巨大的局域电磁场增强效应，极大加强了光与物质之间的相互作用，可显著增强金属膜层的磁光特性，从而加强了其对外界磁场变化的光传感响应能力。