一种光学电流互感器制造技术

本实用新型专利技术公开一种快速响应的高精度光学电流互感器，包括光源、探测器、分束器、集成光学组件、保偏光纤环、传输光纤和光纤传感环；集成光学组件由主轴成45°或者135°的偏振模块和双折射调制模块组成，对准精度更高，优化了光学电流互感器光路的互易性，提高其电流测量精度；合理选取光纤传感环的圈数和保偏光纤环的光纤长度，减少光学电流互感器的纯延时的同时保证了其电流测量精度，从而使光学电流互感器数字输出采样速率高且阶跃响应时间小于100uS，可满足柔性直流输电系统的技术要求。

【技术实现步骤摘要】
一种光学电流互感器
本技术涉及一种光学电流互感器，尤其涉及一种适用于柔性直流输电系统的快速响应的高精度全光纤电流互感器。
技术介绍
光学电流互感器具有体积小、重量轻，绝缘结构简单，无磁饱和和铁磁谐振以及二次开路等问题，动态范围大、响应频带宽，暂态特性好，便于数字化等优点，更能适应电力系统的需求。光学电流互感器按光路结构可分为磁光玻璃式和全光纤两类，全光纤式电流互感器利用光纤作为电流传感材料，系统各元件均是通过光纤熔接连接而成，无分立元件，结构简单，抗振动能力强，连接可靠，长期稳定性好，是电流互感器制造商重点研发的方向。目前研究较多的是互易反射干涉仪结构的光学电流互感器，系统光路完全对称，两束偏振光始终在同一根光纤的两个正交模式上传输，大多数干扰如振动等由于其良好的互易性而得到很好地抑制，只有由于Faraday效应在一次导体周围的光纤传感环中产生的与电流成正比的相移是非互易的，因而这种光学电流互感器能排除振动、温度等环境因素的干扰，较好地探测出电流信息。全光纤式光学电流互感器测量动态范围大，一个光纤传感环能同时满足测量和保护的需求,可以同时测量直流和交流电流,而且其一次端只有光纤是无源的，抗电磁干扰能力强，近年来在交流特高压控制保护和直流输电系统中得到了越来越多的应用。与传统直流输电技术相比，柔性直流输电技术具有可控性高、设计施工方便环保、占地小及换流站间无需通信等优点，在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等方面具有明显的优势。柔性直流电网与交流电网有较大不同，其故障有故障电流上升时间快，故障定位困难，影响范围广等特点。故柔性直流系统对测量设备的响应时间、动态范围和精度要求极高。目前常规交流和直流输电系统要求光学电流互感器的采样率一般为4kHz(交流)或10kHz(直流)，额定延迟时间小于500uS，阶跃响应上升时间不超过400uS即可，这也是大多数光学电流互感器能满足的技术水平。而柔性直流输电系统对光学电流互感器响应时间和输出数据的采样频率提出了更高的要求，要求光学电流互感器阶跃响应时间不超过100uS，输出电流数据的采样频率不低于50k。光学电流互感器的光路系统的纯延时τ(系统中两束正交偏振光在干涉之前的渡越时间)决定了系统的调制频率，而调制频率则限制了电流数字信号最高采样频率；另一方面影响光学电流互感器阶跃响应时间的主要因素有两个：信号处理系统的相频特性造成的延时和互感器的纯延时，而影响其阶跃响应时间的主要原因是解调输出信号波动范围较大，需要进行积分修正并反馈和作为系统数字输出，此过程加大了光学电流互感器的纯延时，从而加大阶跃响应死区时间。本技术就是针对柔性直流输电系统应用需求，提出一种响应快、延迟时间短、电流数据采样速率高的高精度光学电流互感器解决方案。
技术实现思路
本技术的目的，在于提供一种能满足柔性直流输电系统需求的、数据输出采样频率高、阶跃响应时间短的高精度光学电流互感器。为了达成上述目的，本技术提供以下技术方案：一种光学电流互感器，由采集单元1、传输光纤3和光纤传感环2组成。所述采集单元1包括光源4、光电探测器5、分束器6、集成光学组件7和保偏光纤环8，以及包含光源驱动和信号调制解调功能的电子电路9。所述集成光学组件7由偏振模块71和双折射调制模块72组成，偏振模块71的透光轴和双折射调制模块72的主轴成45°或者135°。所述光纤传感环2包含λ/4波片10，传感光纤11和反射镜12。光源4的尾纤与分束器6输入光纤连接，分束器6另外两光纤分别连接光电探测器5和集成光学组件7的输入光纤；集成光学组件7的输出光纤与保偏光纤环8尾纤连接，保偏光纤环8的另一尾纤与传输光纤3的一端连接，传输光纤3的另一端与光纤传感环2的λ/4波片10熔接，波片10另一端与传感光纤11熔接，反射镜12位于传感光纤11尾端，其中，λ为所述光源的中心波长。所述光学电流互感器中光源4发出的光经分束器6进入所述集成光学组件7，集成光学组件7中偏振模块71产生线偏光，该线偏光偏振方向与双折射调制模块72的主轴成45°，线偏光分成两束正交的线偏光并均受到调制，两束正交线偏光进入保偏光纤环8，分别沿其快轴和慢轴传播，之后两束线偏光经过λ/4波片10变成两束正交椭圆偏光，经传感光纤11到达反射镜12并返回；传感光纤11缠绕在一次导体13周围，两束正交偏振光在传感光纤11中往返传输时，由于一次导体13中传输电流的Faraday磁光效应，两束正交椭圆偏光产生相位差，返回后的两束正交偏振光经过λ/4波片10变成两束线偏光，且偏振方向互换。之后返回集成光学组件7中偏振模块71处发生干涉，干涉后的光信号经分束器6到达光电探测器5进行光电转换，其输出的电信号经电子电路9处理后得到干涉光信号中携带的Faraday相移，从而得到被测一次电流信息。所述集成光学组件7中所述偏振模块71是LiNbO3集成光学波导起偏器或者偏振片，所述双折射调制模块72是表面镀有电极的LiNbO3集成光学双折射波导。所述分束器6由光纤准直器和具有光功率分束功能的光学介质膜组成，或者是环形器，或者是2×2光纤耦合器。所述保偏光纤环8的光纤长度不超过500m。所述光纤传感环2的缠绕匝数不少于12圈。本技术的有益效果在于：1，本技术采用的集成光学组件其偏振模块和双折射调制模块的对准精度更高，减少了系统的偏振交叉耦合，可降低系统的偏振误差，从而可优化光学电流互感器的互易性能，减少光学噪声，提高其电流测量精度。2，本技术通过控制光学电流互感器的保偏光纤环的光纤长度来减少其渡越时间τ，使光学电流互感器的纯延时减少，从而实现快速响应和数据输出高采样率。3，本技术通过适当增加光学电流互感器的光纤传感环圈数来减少其积分环节的平均次数从而减少系统纯延时，以保证其电流测量精度和阶跃响应时间，按本技术提供的技术方案，光学电流互感器的延时可控制在100uS以内，采样率达50K或者100K，其响应速度、采样率和测量精度满足柔性直流输电系统的对高速测量设备的要求。附图说明图1是本技术中光学电流互感器的结构示意图。图2是本技术中集成光学组件7结构示意图；图中：1.采集单元、2.光纤传感环、3.传输光纤、4.光源、5.探测器、6.分束器、7.集成光学组件、8.保偏光纤环、9.电子电路、10.λ/4波片、11.传感光纤、12.反射镜、13.一次导体、71.偏振模块、72.双折射调制模块。具体实施方式以下将结合附图，对本技术的技术方案进行详细说明。本技术所述光学电流互感器如图1所示，由采集单元1、传输光纤3和光纤传感环2组成。采集单元1包括光源4、光电探测器5、分束器6、集成光学组件7和保偏光纤环8，以及包含光源驱动和信号调制解调功能的电子电路9。集成光学组件7由偏振模块71和双折射调制模块72组成，偏振模块71的透光轴和双折射调制模块72的主轴成45°或者135°。集成光学组件7中偏振模块71是LiNbO3集成光学波导起偏器或者偏振片，双折射调制模块72是表面镀有电极的LiNbO3集成光学双折射波导。光纤传感环2包含λ/4波片10，传感光纤11和反射镜12。传输光纤11为保偏光纤。光源4的尾纤与分束器6的输入光纤连接，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学电流互感器，其特征在于：包括由传输光纤(3)相连接的采集单元(1)和光纤传感环(2)，其中，所述采集单元(1)包括光源(4)、光电探测器(5)、分束器(6)、集成光学组件(7)和保偏光纤环(8)，还包括具有光源驱动和信号调制解调功能的电子电路(9)；所述集成光学组件(7)包括偏振模块(71)和双折射调制模块(72)；所述光纤传感环(2)包括λ/4波片(10)、传感光纤(11)和反射镜(12)，光源(4)的尾纤与分束器(6)输入光纤连接，分束器(6)的另外两根光纤分别连接光电探测器(5)和集成光学组件(7)的输入光纤；集成光学组件(7)的输出光纤与保偏光纤环(8)的一根尾纤连接，保偏光纤环(8)的另一根尾纤与传输光纤(3)的一端连接，传输光纤(3)的另一端与光纤传感环(2)的λ/4波片(10)熔接，λ/4波片(10)的另一端与传感光纤(11)熔接，反射镜(12)位于传感光纤(11)尾端，其中，λ为所述光源的中心波长。

【技术特征摘要】
1.一种光学电流互感器，其特征在于：包括由传输光纤(3)相连接的采集单元(1)和光纤传感环(2)，其中，所述采集单元(1)包括光源(4)、光电探测器(5)、分束器(6)、集成光学组件(7)和保偏光纤环(8)，还包括具有光源驱动和信号调制解调功能的电子电路(9)；所述集成光学组件(7)包括偏振模块(71)和双折射调制模块(72)；所述光纤传感环(2)包括λ/4波片(10)、传感光纤(11)和反射镜(12)，光源(4)的尾纤与分束器(6)输入光纤连接，分束器(6)的另外两根光纤分别连接光电探测器(5)和集成光学组件(7)的输入光纤；集成光学组件(7)的输出光纤与保偏光纤环(8)的一根尾纤连接，保偏光纤环(8)的另一根尾纤与传输光纤(3)的一端连接，传输光纤(3)的另一端与光纤传感环(2)的λ/4波片(10)熔接，λ/4波片(10)的另一端与传感光纤(11)熔接，反射镜(12)位于传感光纤(11)尾端，其中，λ为所述光源的中心波长。2.如权利要求1所述的一种光学电流互感器，其特征在于：所述光源(4)发出的光经所述分束器(6)进入所述集成光学组件(7)，产生两束正交的线偏光并均受到调制，两束正交线偏光进入所述保偏光纤环(8)，分别沿其快轴和慢轴传播，之后两束线偏光经过所述λ/4波片(10)变成两束正交椭圆偏光，经所述传感光...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎嫦玲，王耀，罗苏南，须雷，丁晔，
申请(专利权)人：南京南瑞继保电气有限公司，南京南瑞继保工程技术有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏,32