[发明专利]螺线管嵌套型全光纤电流传感器

说明书

技术领域：

本发明属于电力领域，涉及一种光纤电流(小信号)传感装置，尤其是一种螺线管嵌套型全光纤电流传感器。

背景技术：

目前，在电力系统中广泛使用的电流互感器是电磁式电流互感器，其传感器采用电磁感应原理，在不同的电压等级下，把一次侧几安培到几千安培的电流变换到零电位状态下的二次侧的几安培电流，供计量、控制和监视仪表使用。电磁式电流互感器的结构简单，因此可靠性高，不易损坏，这是其主要优点，也是其得以普遍使用的主要原因。但由于结构和使用条件的特殊性它也存在以下几个突出的缺点：

a.有发生系统失效及灾难性事故的危险。充油电磁式电流互感器在超高压环境有发生绝缘击穿引起对地短路或突然爆炸的可能，且如果互感器二次侧不慎开路，将会产生高压，对配电设备造成危害甚至危及人身安全。

b.可能发生磁饱和现象。当被测电流异常增大时，互感器铁芯将出现磁饱和，使测量准确度严重下降。特别在短路等故障情况下，测量数据可能完全失效。

c.频率响应差，对高压线路上的暂态过程不能正确反应。这是由于电磁感应式电流互感器是用铁芯制成的，对高频信号的响应特性较差。

d.电磁干扰严重。因为电磁式电流互感器工作时处于高压环境，对于高压及特高压电站来讲，占地面积都较大，因而传输二次侧电信号距离亦较远，电流信号通过导线传输时将受到严重的电磁干扰，使测量准确度下降。

e.设备笨重，运输和安装困难。电磁式电流互感器主要由铁芯、变压器油、铜导线以及绝缘介质组成，这些材料的体积和重量都较大，且设备工作于高压环境，要求在高、低压端之间提供复杂昂贵的电气绝缘，随着输配电网朝着高电压、大容量方向发展，不仅使高电压等级的电磁式电流互感器变得越来越笨重，价格越来越昂贵，而且给运输和安装带来困难。

针对这些问题，光纤电流传感器理论上几乎能克服传统电磁式电流互感器的所有缺点，其优点主要体现在以下方面：

a.绝缘性能好，造价低。电磁式互感器的高压母线与二次线圈之间通过铁芯藕合，结构复杂，造价昂贵，其价格随输电电压的增长呈指数上升。光纤传感器所用材料主要是石英光纤，自身就是绝缘体，结构简单，造价随电压等级的增加略有增加。

b.不含铁芯，不存在磁饱和、铁磁谐振等问题，因而测量范围大，线性度好，频率响应范围宽，测量准确度高。

c.以光波传输信号，抗电磁干扰能力强，且低压侧不存在因开路而产生的高压危险，也消除了常规电磁式互感器因充油产生易燃易爆等问题。

d.体积小，重量轻。

e.适应电力计量、保护的数字式、微机化、自动化及光通信等的发展潮流。

f.动态测量范围大。正常情况下，电网运行的额定电流并不大，但短路电流却很大，且随着容量的增加，故障短路电流越来越大。电磁式电流互感器的电流测量范围有限，同时大电流时会影响它的准确度。光纤电流传感器额定电流可测到几千安培，瞬时过电流可测到几十万安培。

光学电流互感器最早进行试验的装置出现在美国60年代，安装在230KV电网上，它通过玻璃波导实现了信号传输。同一时期，日本利用磁光效应原理进行了超高压电力线电流测量研究。这一时期的研究为光纤电流传感器的发展打下了初步的理论和技术基础。

20世纪70年代开始，随着光纤制造技术的逐步完善，出现了全光纤型电流传感器。英国电力研究中心最早对全光纤电流传感器的原理进行了分析，在实验室试验成功。从90年代起，由于温度及振动的测量准确度大大提高，使得偏振计量型和相位调制型均得到了显著的进展。其中，加拿大NxtPhase公司研制成功全光纤型电流传感器，准确度等级达到0.2级，目前已通过各种工业性试验，进入商业生产阶段。德国西门子公司也在研究类似的全光纤电流互感器。在后来的研究发现全光纤型电流传感器容易引起双折射，其中一部分方案不能解决，一部分又带来新的问题。

光纤电流传感器的主要工作原理是利用光纤材料的法拉第效应，即处于磁场中的光纤会使在光纤中传输的偏振光发生偏振面的旋转，其旋转角度θ与磁场强度H、磁场中光纤的长度L成正比：

θ＝VHL    (1)

式中，V是费尔德常数。由于载流导线在周围空间产生的磁场满足安培环路定律，故对于长直导线有：