[发明专利]闭环光纤电流互感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤电流互感器，尤其涉及一种闭环的全光纤方案的电流互感器，它的传感部件和光信号传输部件都是光纤，它的信号处理部分采用一种相关检测方案的多闭环技术。

背景技术

电流互感器是电力输变电网络中最基本、最重要的检测设备之一，它的作用主要包括：一、将输电线路上高电压环境中的大电流数值降到可以用二次仪表直接测量的数值，以便于用普通仪表进行测量；二、为各种监控及保护设备提供电信号，以监测电力系统的安全和稳定运行；三、对高电压一次设备和低电压的二次设备进行隔离。

因此，电流互感器的性能与电力系统的安全、可靠和经济运行状况密切相关。电力系统中，常规的电流检测设备是采用以电磁互感原理为基础的电流互感器。在高电压、大电流和强功率的电力系统中，这种传统电流互感器暴露出一系列严重的缺点：潜在的突然失效危险、绝缘困难、铁芯磁饱和、二次侧负荷开路等等。

光纤电流互感器由于其固有特点而具备传统电磁式电流互感器不可比拟的优势。随着其可靠性的不断提高，光纤电流互感器将成为电力领域电能计量和保护使用的主要选用设备，已逐步成为国内外业界共识。

安培定律指出，当导体内有电流流过时，其周围会产生闭合磁场，采用法拉第磁光效应的办法测量出该磁场就能得到导体内流过电流的大小。光纤电流互感器通常是到体外绕上一定圈数的光纤形成一个光纤传感单元。当导体内有电流流过时，根据法拉第效应，其周围的磁场将使得传感光纤内传输光的偏振方向变化一个角度，测量出角度的变化量就能得到导体内流过的电流大小。由于该角度很小，直接测量角度来确定电流大小精度很低，因此采用干涉测量的方法，把偏振光角度旋转转变成光的相位变化量，再通过干涉后应用基于相关调制解调的微弱信号处理方法进行提取。

但是，现有的光纤电流互感器存在以下一些缺点：1、光路系统结构复杂，不利于系统集成；2、光路中的元件容易受到温度等工作条件的影响，测量误差大，不能实现闭环反馈。现有的光纤电流互感器技术参见CN100575959C、CN101299147B、CN101364475B、CN101521104B、CN101692401B、CN101915866A、CN101957395A、CN102087307A、CN102082606A等。

发明内容

本发明的目的在于以下几个方面：一、光路系统结构简单、便于集成和模块化；二、所用光学元件体积小、重量轻，且不受电磁干扰，对被测量也没有干扰；三、利用反射式光路和简单光器件实现正交偏振光的模式互换，形成互易性光路，提高光路抗干扰能力；四、采用多个闭环技术，有效克服光源功率衰减、光相位调制器半波电压漂移造成的系统测量误差，提高互感器运行稳定性和可靠性。

为了简化系统并有效提高系统可靠性，有必要针对传感的信号处理单元和数据采集单元进行一体化设计。

鉴于上述情况，本发明提供一种闭环光纤电流互感器，包括：光源、光源驱动单元、光电探测器、光学器件集成组件、传感头，其中，光学器件集成组件，用于将光源输出的光线起偏并分解为模式正交的两束线偏振光，然后把所述两束线偏振光耦合在同一根保偏光纤的两个正交模式上并传输至传感头；接收从传感头处返回的光线并使得返回的光线在所述光学器件集成组件中发生干涉；将干涉结果输出到光电探测器；接收来自信号处理单元的反馈调制信息，在两束线偏振光间叠加偏置调制相位和反馈调制相位；闭环信号处理单元，接收光电探测器的输出信号，对该信号进行处理，并将信号处理结果作为反馈调制信息反馈给光器件集成组件和光源驱动单元；光源驱动单元，用于给光源提供恒流和温控信息，同时接收信号处理单元的反馈信号输入，使光源输出稳定的光强。

根据本发明的一个方面，所述光学器件集成组件包括：分光合光器件、保偏光纤、光相位调制器、光延迟器。

根据本发明的一个方面，所述光器件集成组件包括：分光合光器件、保偏光纤、光起偏器、光相位调制器、光延迟器。

根据本发明的一个方面，所述光器件集成组件包括：第一分光合光器件、保偏光纤、Y型光相位调制器、第二分光合光器件、光延迟器。

根据本发明的一个方面，所述闭环信号处理单元包括：模拟放大滤波单元、模数转换单元、主回路数字逻辑电路、数模转换单元、2π电压控制单元以及滤波单元。

根据本发明的一个方面，采用方波偏置调制方式，在两束相干偏振光间引入±π/2偏置调制相位差；采用阶梯波反馈调制方式在两束相干偏振光间引入与传感头处形成的法拉第相位信息大小相等、方向相反的相位差；采用相关调制解调的办法进行信号解调。