[发明专利]一种基于LPCT的压电驱动式光纤Bragg光栅电流传感器及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于LPCT的压电驱动式光纤Bragg光栅电流传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。

背景技术

目前电力系统中电压等级越来越高、电流越来越大，采用传统的电磁式电流互感器在线测量大电流的方法已经不能满足要求，电子式电流互感器（ECT）应运而生。国际电工委员会在IEC60044-8《Electronic Current Transformer》中，将电子式电流互感器按照传感机理分为三种：光学电流互感器(OCT)、低功率电流互感器(LPCT)、Rogowski线圈电流互感器。

LPCT是常规感应式电流互感器的发展，具有输出灵敏度高、技术成熟、性能稳定、易于大批量生产等特点；此外，由于其二次负荷较小，加上高导磁铁心材料的应用，可以实现对大动态范围电流的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于LPCT的压电驱动式光纤Bragg光栅电流传感器及其使用方法，一次被测大电流通过LPCT和取样电阻的集成单元线性地转换为低电压信号，低电压信号加在叠堆型压电陶瓷上，由于逆压电效应，叠堆型压电陶瓷发生一个相对长度的左右伸缩变化，同时带动光纤Bragg光栅变化，利用解调仪得到光纤Bragg光栅中心波长的移位值，实现对高压一次侧大电流的光学实时在线监测。

本发明的技术方案是：一种基于LPCT的压电驱动式光纤Bragg光栅电流传感器，包括LPCT、取样电阻4、叠堆型压电陶瓷5、光纤Bragg光栅6、光纤粘接点7和外接光纤8。LPCT连接取样电阻4后通过导线连接至叠堆型压电陶瓷5上下两端，叠堆型压电陶瓷5由若干片压电陶瓷片物理串联组成，光纤Bragg光栅6通过光纤粘接点7固定设置在叠堆型压电陶瓷5中轴线的左右两端，外接光纤8一端与光纤Bragg光栅6连接，另一端与解调仪相连。

所述LPCT包括一次绕组1、铁芯2和二次绕组3。一次绕组1、铁芯2和二次绕组3顺次排列，二次绕组3与取样电阻4连接后通过导线连接至叠堆型压电陶瓷5上下两端。

一种基于LPCT的压电驱动式光纤Bragg光栅电流传感器的使用方法，所述方法为一次被测大电流通过LPCT和取样电阻4的集成单元线性地转换为低电压信号，低电压信号加在叠堆型压电陶瓷5上，由于逆压电效应，叠堆型压电陶瓷5发生一个相对长度的左右伸缩变化，同时带动光纤Bragg光栅6变化，因此，叠堆型压电陶瓷5的应变线性转换为光纤Bragg光栅6的中心反射波长的移位，利用解调仪得到光纤Bragg光栅6中心波长的移位值，利用公式                                                ，公式中为光纤Bragg光栅6的中心波长，为波长移位量，=0.216为有效弹-光系数，为与叠堆型压电陶瓷5的压电系数和拉伸结构有关的常量，、分别为二次绕组3和一次绕组1的匝数，为取样电阻4阻值，从而可以计算出一次大电流。

本发明的工作原理是：

（1）LPCT的一次绕组串接被测大电流，二次绕组损耗极小并连接一个取样电阻，二次电流在取样电阻上产生幅值和相位正比于一次大电流的低电压信号；低电压信号连接到叠堆型压电陶瓷上下两端，叠堆型压电陶瓷由若干片压电陶瓷片物理串联组成，光纤Bragg光栅通过粘接点固定设置在叠堆型压电陶瓷中轴线的左右两端，外接光纤与解调仪相连。这样叠堆型压电陶瓷的应变线性转换为光纤Bragg光栅中心反射波长的移位，利用解调仪测到光纤Bragg光栅中心波长的移位值，这样就可以反算出高压导线上被测一次大电流。

（2）LPCT的小铁芯选择微晶合金等高导磁性材料，具有饱和磁场大、磁路短、漏磁小的特点。

（3）取样电阻选择高精度和低温度系数的精密电阻。

本发明专利测量技术的数学模型如下：

光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为：

                          （1）

式（1）中，为光纤Bragg光栅的中心波长，为波长移位量，=0.216为有效弹-光系数，为轴向应变量。

而轴向应变量可表示为如下： 

                               （2）

式（2）中，为光纤Bragg光栅的长度，为光纤Bragg光栅的轴向伸缩长度。

当被测大电流经过一次绕组时，通过小铁芯在二次绕组上产生的变比为：

                              （3）

、分别为二次绕组和一次绕组的匝数，为取样电阻阻值。