基于磁控光栅光阀的电流互感器及检测母线电流的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于磁控光栅光阀的电流互感器，该电流互感器包括高压母线、光源、磁控光栅光阀、光电接收机、AC/DC分离模块、除法器和输出电压值；所述的光源的输出端与磁控光栅光阀的输入端连接；磁控光栅光阀的输出端与光电接收机的输入端连接；光电接收机的输出端与AC/DC分离模块的输入端连接；AC/DC分离模块的输出端与除法器的输入端连接；除法器的输出端与输出电压值连接；高压母线与磁控光栅光阀平行，且高压母线位于磁控光栅光阀一侧，光源和光电接收机位于磁控光栅光阀另一侧。该电流互感器具有无需供能的功效。同时，还提供了利用该电流互感器检测母线电流的方法，该方法结构易操作，且价格低廉。

【技术实现步骤摘要】
基于磁控光栅光阀的电流互感器及检测母线电流的方法
本专利技术属于电力系统监测领域，具体来说，涉及一种基于磁控光栅光阀的电流互感器及检测母线电流的方法。
技术介绍
国民经济的快速发展，使得电力的需求日益增长。电力系统在各个环节具有信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、经济、优质的电能。测量电流是一种获取电力系统信息的常规手段。目前电力系统中大量使用的传统电磁式电流互感器存在着磁饱和、电磁干扰、动态范围小、频带范围窄以及易燃易爆等问题。为了解决这一问题，人们开始研究电子式互感器(英文简称：ECT)。电子式互感器具有电磁式互感器所不具备的优点：优良绝缘性、体积小、价格低、无磁饱和现象、无高压开路危险、频率响应宽、适应电力计量和保护数字化、智能化发展的潮流。目前，电子式互感器分为全光型和混合型两种。全光型电流互感器无需高压供电，简化了高压端的设计，但是灵敏度以及易受温度等因素影响，稳定性和可靠性存在问题。混合型电流互感器技术相对比较成熟，具有广阔的应用前景，但是高压端需要供电，增加了系统复杂度。同时，高压端供电技术被国际少数几家大公司垄断，制约了国内电力行业的发展。如何有效地解决全光型电流互感器稳定性和可靠性的问题成为了混合型电流互感器的一个发展方向。1996年，加拿大的Calgary大学提出了利用SF6玻璃的法拉第效应来测量母线电流，但是由于这种方法对机械加工工艺要求较高，精度难以提高。2005年，加拿大的NxtPhase公司提出了利用铌酸锂IOPC来测量母线电流的方案，但是由于其输入、输出光纤分别使用偏振光纤和保偏光纤，成本高，难以大规模应用。
技术实现思路
技术问题：本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于磁控光栅光阀的电流互感器，该电流互感器具有无需供能的功效。同时，还提供了利用该电流互感器检测母线电流的方法，该方法结构易操作，且价格低廉。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于磁控光栅光阀的电流互感器，该电流互感器包括高压母线、光源、磁控光栅光阀、光电接收机、AC/DC分离模块、除法器和输出电压值；所述的光源的输出端与磁控光栅光阀的输入端连接；磁控光栅光阀的输出端与光电接收机的输入端连接；光电接收机的输出端与AC/DC分离模块的输入端连接；AC/DC分离模块的输出端与除法器的输入端连接；除法器的输出端与输出电压值连接；高压母线与磁控光栅光阀平行，且高压母线位于磁控光栅光阀一侧，光源和光电接收机位于磁控光栅光阀另一侧。进一步，所述的磁控光栅光阀包括硅衬底、支柱、永磁材料层、贯通孔、恒磁源、输入光纤和输出光纤，输入光纤作为磁控光栅光阀的输入端，输出光纤的输出端作为磁控光栅光阀的输出端；支柱固定连接在硅衬底上，永磁材料层固定在支柱上，永磁材料层中设有n个贯通孔，输入光纤的输出端与永磁材料层的顶面相对，输出光纤的输入端与永磁材料层的顶面相对，恒磁源固定连接在输入光纤的输出端与输出光纤的输入端之间；其中，n为大于或等于1的正整数。进一步，所述的支柱为两个，分别固定连接在硅衬底顶面两端。进一步，所述的支柱上设有水平贯通的通孔，永磁材料层嵌至在支柱的通孔中。进一步，所述的输入光纤和输出光纤均为单模光纤，输入光纤的输出端面为斜8°。进一步，所述的永磁材料层由铝镍钴合金制成。进一步，所述的贯通孔为圆形。一种利用上述的电流互感器检测母线电流的方法，该方法包括以下过程：启动光源，光源产生的光经输入光纤传输至永磁材料层，一部分光被永磁材料层反射，另一部分光透过贯通孔传输至硅衬底的表面；传输至硅衬底表面的光中，一部分光经过硅衬底的反射穿过贯通孔，与被永磁材料层反射的光形成干涉，产生干涉光，干涉光传输至输出光纤中，当高压母线的母线电流发生变化时，磁控光栅光阀对光源产生的光的衰减也发生改变，根据μ＝Pin·α·I·β/A，由输出电压值测算出高压母线的母线电流变化；其中，μ表示输出电压值，Pin表示光源的功率，I表示高压母线的母线电流，α表示磁控光栅光阀的光衰减度与高压母线的母线电流的比值，β表示光电接收机的响应度，A表示经过AC/DC分离模块分离得到的DC分量的幅值。进一步，所述的电流互感器检测母线电流的方法，还包括对输出光纤进行抖动消除，消除输出光纤抖动带来的干扰；该抖动消除过程为：干涉光由输出光纤输出，产生输出光，输出光经过光电接收机转换成电信号传输至AC/DC分离模块，AC/DC分离模块将电信号分解成交流信号和直流信号，并传输至除法器，其中交流信号对应于高压母线产生的变化磁场，直流信号对应于恒磁源产生的恒定磁场，利用除法器将交流信号除以直流信号，消除输出光纤抖动带来的干扰，相除之后的信号即为输出电压值。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益效果：(1)本专利技术中高压端使用的器件如硅衬底、永磁材料层、支柱、输入光纤和输出光纤均为绝缘器件，且高压端与低压端之间的信号传输使用光信号，高压端与低压端之间不存在任何导电介质，因此无需复杂的绝缘设计，降低了绝缘设计成本。同时，高压端的器件均为无源器件，无需供电即可运行，有效地降低了购买国外垄断的光供能系统或传统的昂贵的电供能系统等的供能成本。(2)本专利技术中的硅衬底，永磁材料层、支柱均为常用的廉价材料，成本低廉。整个电流互感器结构简单，制作工艺便捷。(3)永磁材料层上的贯通孔为圆形，透过贯通孔的光为各向同性，即为非偏振光，所以输入光纤、输出光纤无需使用保偏光纤，降低了光器件成本，同时也保证了系统的可靠性。(4)放置于输入光纤与输出光纤之间的恒磁源能够对永磁材料层施加恒定的磁力，使永磁材料层发生恒定的形变，即磁控光栅光阀对光源产生的光有恒定的衰减，此恒定的衰减经过光电接收机转换为恒定的直流电压，将经过AC/DC分离模块后得到的交流信号除以恒定直流电压，即可消除输出光纤抖动带来的干扰，提高系统的准确性。(5)本专利技术中的电流检测方法基于磁控光栅光阀。利用母线电流附近变化的磁场与恒磁源产生的磁场相叠加共同作用于永磁材料层，使永磁材料层发生形变，进而改变干涉光程，改变磁控光栅光阀对光源的衰减度，利用简单的电路对输出光进行检测即可推出母线电流大小，此方法简单易行；由于永磁材料层上的贯通孔为圆形，穿过贯通孔的光为非偏振光，因此输出光纤只需要使用非偏振光纤，无需考虑光的偏振所带来的误差；对光电接收机转换得到的电信号进行交直流分离相除的方法，降低输出光纤抖动带来的误差，提高测量精度。附图说明图1是本专利技术中电流互感器的结构示意图。图2是本专利技术中磁性材料俯视示意图。图3是本专利技术中AC/DC分离模块10的结构示意图。图中有：硅衬底1、支柱2、永磁材料层3、贯通孔4、恒磁源5、输入光纤6、输出光纤7、光源8、光电接收机9、AC/DC分离模块10、除法器11、磁控光栅光阀12、输出电压值13、高压母线14、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2、减法器A1。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的技术方案进行详细的说明。如图1所示，本专利技术的一种基于磁控光栅光阀的电流互感器，包括高压母线14、光源8、磁控光栅光阀12、光电接收机9、AC/DC分离模块10、除法器11和输出电压值13。AC/DC分离模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁控光栅光阀的电流互感器，其特征在于，该电流互感器包括高压母线(14)、光源(8)、磁控光栅光阀(12)、光电接收机(9)、AC/DC分离模块(10)、除法器(11)和输出电压值(13)；所述的光源(8)的输出端与磁控光栅光阀(12)的输入端连接；磁控光栅光阀(12)的输出端与光电接收机(9)的输入端连接；光电接收机(9)的输出端与AC/DC分离模块(10)的输入端连接；AC/DC分离模块(10)的输出端与除法器(11)的输入端连接；除法器(11)的输出端与输出电压值(13)连接；高压母线(14)与磁控光栅光阀(12)平行，且高压母线(14)位于磁控光栅光阀(12)一侧，光源(8)和光电接收机(9)位于磁控光栅光阀(12)另一侧。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁控光栅光阀的电流互感器，其特征在于，该电流互感器包括高压母线(14)、光源(8)、磁控光栅光阀(12)、光电接收机(9)、AC/DC分离模块(10)、除法器(11)和输出电压值(13)；所述的光源(8)的输出端与磁控光栅光阀(12)的输入端连接；磁控光栅光阀(12)的输出端与光电接收机(9)的输入端连接；光电接收机(9)的输出端与AC/DC分离模块(10)的输入端连接；AC/DC分离模块(10)的输出端与除法器(11)的输入端连接；除法器(11)的输出端与输出电压值(13)连接；高压母线(14)与磁控光栅光阀(12)平行，且高压母线(14)位于磁控光栅光阀(12)一侧，光源(8)和光电接收机(9)位于磁控光栅光阀(12)另一侧；所述的磁控光栅光阀(12)包括硅衬底(1)、支柱(2)、永磁材料层(3)、贯通孔(4)、恒磁源(5)、输入光纤(6)和输出光纤(7)，输入光纤(6)作为磁控光栅光阀(12)的输入端，输出光纤(7)的输出端作为磁控光栅光阀(12)的输出端；支柱(2)固定连接在硅衬底(1)上，永磁材料层(3)固定在支柱(2)上，永磁材料层(3)中设有n个贯通孔(4)，输入光纤(6)的输出端与永磁材料层(3)的顶面相对，输出光纤(7)的输入端与永磁材料层(3)的顶面相对，恒磁源(5)固定连接在输入光纤(6)的输出端与输出光纤(7)的输入端之间；其中，n为大于或等于1的正整数。2.按照权利要求1所述的基于磁控光栅光阀的电流互感器，其特征在于，所述的支柱(2)为两个，分别固定连接在硅衬底(1)顶面两端。3.按照权利要求2所述的基于磁控光栅光阀的电流互感器，其特征在于，所述的支柱(2)上设有水平贯通的通孔，永磁材料层(3)嵌至在支柱(2)的通孔中。4.按照权利要求1所述的基于磁控光栅光阀的电流互感器，其特征在于，所述的输入光纤(6)和输出光纤(7)均为单模光纤，输入光纤(6)的输...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦朴，程澄，孙小菡，单雪康，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32