一种采用高磁光系数传感光纤的电子式全光纤电流互感器制造技术

技术领域本发明专利技术涉及一种采用高磁光系数‑即高费尔德常数传感光纤的电子式全光纤电流互感器，可以用于测量高压输电网的电流。本发明专利技术将适当掺杂浓度的逆磁或顺磁材料掺杂获得的高菲尔德常数光纤制作的传感光纤圈用于电子式全光纤电流互感器(FCT)，则既能提供足够信号强度以保证FCT测量准确度，又可以减少传感光纤圈的匝数以保证FCT温度稳定性等指标；而且还能够大大降低传感光纤圈的复杂程度，并优化传感光纤圈及FCT整机的可靠性及一致性等特性。采用了这种高费尔德常数光纤构成的传感光纤圈，电子式全光纤电流互感器就可以满足工业实际应用。

An electronic optical fiber current transformer with high magnetic optic coefficient sensing fiber

The technical field of the invention relates to an electronic all fiber current transformer with high magnetic light coefficient, that is, a high field constant sensing fiber, which can be used to measure the current of a high voltage transmission network. The present invention uses the sensing fiber ring produced by the high field constant fiber doped with the concentration of the reverse magnetic or paramagnetic material, which is used in the electronic full fiber current transformer (FCT), which can provide sufficient signal strength to ensure the accuracy of the FCT measurement, and also reduce the turn number of the photosensitive fiber ring to ensure the temperature stability of the FCT and so on. It also can greatly reduce the complexity of the transmitting optical fiber ring, and optimize the reliability and consistency of the sensing fiber ring and the FCT machine. The electronic fiber optic current transformer can meet the industrial practical application by using the fiber ring of the high field constant fiber.

【技术实现步骤摘要】
一种采用高磁光系数传感光纤的电子式全光纤电流互感器
本专利技术涉及一种采用高磁光系数传感光纤-即高费尔德常数传感光纤的电子式全光纤电流互感器，可以用光学的方法测量电流，特别是用于测量高压输电网的电流；也可以用于以光学方法测量其它物理量，如磁场等。属于电力能源与光电子领域。
技术介绍
基于Faraday-磁光效应的电子式全光纤电流互感器(简记：光纤电流互感器；或缩写：FCT)属于无源型的电子式光学电流互感器，具有传统电磁式电流互感器无法比拟的优势。电子式全光纤电流互感器充份利用了现代光电和光纤传感技术的优异特性，安全，可靠，理论完善，性能优越，具有其它各种技术方案无法比拟的优势，是新一代光学电流互感器的发展方向，是智能电网必需的关键设备之一。利用Faraday-磁光效应，处于交变磁场有效分量方向上的石英光纤中所传输光束的偏振面转动角度与该处磁场强度成比例。所谓高磁光系数传感光纤-即高费尔德常数光纤则具有较现用常规石英光纤高的比例系数，即有高的菲尔德常数-Verdet常数。电子式全光纤电流互感器的优点基于磁光效应制造的电子式全光纤电流互感器充份利用了现代光电和光纤传感技术的优异特性，具备如下重要优点：-优异的电气绝缘性能：高低压电气完全隔离；-抗杂散电磁场干扰；-无铁磁饱和；-频域宽度大；-响应速度快；-大动态范围内的高精度；-高的谐波准确度；-轻得多的重量；-小得多的体积；-无需油，纸，塑料，特殊气体等绝缘材料，保护环境；-光纤输出数字信号；-无燃烧，爆炸危险，具有高安全特性；-不存在二次开路危险；-运行及维修费用低；-抗快速暂态过电压(VFTO)干扰；-暂态特性好；-可靠性强；-集成化、智能化的优势；上述重要的优点，很大程度上是依赖于其特定的光学结构：传感光纤与其余部分的光纤经过熔接，与很少几个在线运行的光纤器件结合而贯穿全光路，构成一根完整的光纤。其中关键的部分是闭合围绕载电流导体的传感光纤圈，它由传感光纤弯曲盘绕成若干圈后闭合而构成，决定了光纤电流互感器所获取电流(所生成磁场)对应的光信号的强度。只有信号强度足够，才可以保证测量的准确度。尚未逾越的技术障碍目前所研制出的FCT的性能已经接近实际应用的水平。然而还存在一些尚未逾越的技术障碍：这就是传感光纤圈的结构复杂，制作困难，材质脆弱，并且温度特性不够稳定；而且难以达到足够的一致性。使得电子式全光纤电流互感器的整体准确度，可靠性，稳定性，一致性都受到不利影响。具体如下：-传感光纤圈的温度特性不够稳定，即主要由于传感光纤圈的输出信号随环境温度的变化而改变，因温度变化形成的误差造成FCT的整体误差难以降低到国家标准允许的程度以内；-所制出的传感光纤圈一致性较差，且难以提高；-制造工艺相当繁杂，艰难，成品率很低；-所制出的传感光纤圈结构复杂，材质脆弱，牢固性差；在FCT中，围绕载流导体闭合的传感光纤圈中服从安培定律：θ：传感光纤中两束偏振光之间的相位差(对应于待测电流的光信号)；I：流过载流导体的电流(被测的电流)；H：流过载流导体的电流产生的磁场强度；N：闭合传感光纤圈的匝数V：菲尔德常数目前所普遍应用的关键的传感光纤，其成分都基于通讯中所应用的常规石英光纤的熔融石英材料制成，相应的菲尔德常数处于大约1微弧度/1安培·匝(1μrad/A.1)的数值上，对应的波长为：1310nm。在专门为磁场传感所制作的传感光纤中，尽管制作工艺以及光纤构造多种多样，但是由于所用材料相同，磁场传感光纤的菲尔德常数同样约为1μrad/A。但是在这个水平上获取的信号强度明显不足以保证全部测量电流范围中国家标准所要求的准确度。为了满足这个精度要求对应的信号强度，利用现有熔融石英材料旋光纤必须采用相当多匝数的光纤来制作传感光纤圈。至今为止作为最佳选择，制作传感光纤圈的传感光纤都是采用熔融石英材料制作的特种光纤：旋光纤(spunfiber)，其材料为熔融石英，对应的表征磁光转换效益的菲尔德常数在波长1310nm处约为1μrad/(安培.匝)。尽管采用了非常复杂，极为困难的工艺及设备制作出昂贵的旋光纤，但因为其原材料都是用的熔融石英材料，都具有大致相同的菲尔德常数。即使采用了熔融石英材料旋光纤，但是为制作能够提供足够信号强度的传感光纤圈，不得不采用了非常复杂的工艺技术，利用了结构很脆弱的专用器件，其结果：成品率非常低下，一致性很差，并且很难提高。尽管如此，这种FCT测量的准确度仍然无法保证达到0.2s级别，而只能够达到0.2级。而且测量准确度在全温度区间(-40℃～+70℃)里保持在国家标准要求范围内还是十分困难，十分勉强的，各类测试中实际上勉强达到标准要求。由于制作传感光纤圈时必须弯曲光纤使其成圆圈，这会改变光纤内部的应力分布，从而改变光纤内部的折射率分布，在光纤内部形成线性双折射，由此改变光纤中所传播光束的偏振态。这就改变了FCT所测信号的强度，因而造成了FCT测量结果的误差。不仅如此，由于制造传感光纤圈不得不采用相当多匝数的传感光纤，并且这种传感光纤圈的直径受应用条件约束而不能够过大，所以多匝数小直径传感光纤圈就导致了光纤内部弯曲应力较大，对应的线性双折射也就较大。当外界温度变化时，这些光纤内部较大的应力及其对应的线性双折射会随外界温度而改变，更为难解决的是该线性双折射还会随外界温度的变化率而改变，最后导致电子式全光纤电流互感器(FCT)的准确度受到温度的影响，并且非常难于以数字补偿的方式克服此影响，使得FCT对于同一电流测出的信号也随环境温度变化。线性双折射的变化率随环境温度的变化速率而变化使得线性双折射随温度变化的数值实际上难以重复出现，并且测试操作中的各种因素，以及测试经历过程都对其有影响。这就使得对线性双折射的误差作温度补偿变得异常复杂而且效果不稳定，不确定，以至于实际应用中无法可靠进行。由于FCT工作的全温度区间高达110℃，所对应的误差数值足以显著影响国家标准规定的测试精确度，无法忽略。因此增大传感光纤的菲尔德常数，使得在保证对相同待测电流传感出相同信号强度的前提下，尽量减少传感光纤圈的匝数，从而降低传感光纤因弯曲成圈而产生的线性双折射，以此显著降低因温度变化对光纤传感圈输出信号造成的误差，并且降低线性双折射随温度变化过程而变化对应的不稳定。由此方式FCT可以降低整体误差，提高全温度范围内的测试准确度。本专利给出的技术方案按照本专利设计制造的电子式全光纤电流互感器，不仅具备上述优点，而且还有特别的优势：·整体结构精炼，轻便，紧凑，牢固；·传感光纤圈构造简单，容易制作；·长期运行可靠；·抵抗振动和温度等干扰；高可靠性，长寿命，低成本，可以在恶劣工作环境下长期使用。本专利给出的方案：改变传感光纤所用材料的性质-增加传感光纤的磁光系数，即显著增大传感光纤的菲尔德常数。应用本专利技术制出的特种光纤构成的传感光纤圈，能够既通过具有高费尔德常数的光纤提供足够信号强度以保证测量准确度，又可以减少传感光纤圈的匝数，以保证FCT温度稳定性等指标；同时还能够大大降低传感光纤圈的复杂程度，简化制作工艺，增加传感光纤圈的坚固程度，并且增强所制出传感光纤圈的一致性。这样的特种光纤既要满足现用光纤的光学特征基本指标，又必须具有比常规光纤高很多的菲尔德常数，才能够利用这种高磁光系数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用高磁光系数‑即高费尔德常数传感光纤的电子式全光纤电流互感器，包括：光电单元；所述光电单元包括光源，光纤，光学器件，光电探测器，等；电气绝缘单元；所述电气绝缘单元包括：高压电气绝缘子，导流母线及其支撑构架和防护外壳，均压环，等；信号处理单元；用于处理所述传感单元给出的信号，并由此信号作计算得出待测电压数值，并将其输出，以及承载电气绝缘子并且安置光电单元及信号处理单元的箱壳；传感单元；所述传感单元包括：由高费尔德常数光纤制成的传感光纤圈；由特定光纤组合制成的光纤四分之一波片；安置传感光纤圈的光纤盘，以及防护用的外壳；所述光电单元发出的光束经光学器件处理后通过光纤进入所述电气绝缘单元高电压区域中的所述传感单元；所述光束在传感光纤圈感应到待测电流的信号；再通过光纤返回所述光电单元随后信号处理单元进行信号处理而获得待测电流数值；其特征在于：传感光纤圈采用高费尔德常数的逆磁或顺磁材料掺杂光纤绕制而成；该逆磁或顺磁材料掺杂光纤的费尔德常数值远高于目前所应用的各类未作这类掺杂的普通石英光纤的费尔德常数值。

【技术特征摘要】
1.一种采用高磁光系数-即高费尔德常数传感光纤的电子式全光纤电流互感器，包括：光电单元；所述光电单元包括光源，光纤，光学器件，光电探测器，等；电气绝缘单元；所述电气绝缘单元包括：高压电气绝缘子，导流母线及其支撑构架和防护外壳，均压环，等；信号处理单元；用于处理所述传感单元给出的信号，并由此信号作计算得出待测电压数值，并将其输出，以及承载电气绝缘子并且安置光电单元及信号处理单元的箱壳；传感单元；所述传感单元包括：由高费尔德常数光纤制成的传感光纤圈；由特定光纤组合制成的光纤四分之一波片；安置传感光纤圈的光纤盘，以及防护用的外壳；所述光电单元发出的光束经光学器件处理后通过光纤进入所述电气绝缘单元高电压区域中的所述传感单元；所述光束在传感光纤圈感应到待测电流的信号；再通过光纤返回所述光电单元随后信号处理单元进行信号处理而获得待测电流数值；其特征在于：传感光纤圈采用高费尔德常数的逆磁或顺磁材料掺杂光纤绕制而成；该逆磁或顺磁材料掺杂光纤的费尔德常数值远高于目前所应用的各类未作这类掺杂的普通石英光纤的费尔德常数值。2.根据权利要求1的采用高费尔德常数传感光纤的电子式全光纤电流互感器，其特征在于：所述传感单元的传感光纤圈是采用逆磁或顺磁材料掺杂的高费尔德常数光纤绕制而成。3.根据权利要求2的所述传感单元的传感光纤圈采用的是高费尔德常数的特制掺杂光纤，其特征在于：所述高费尔德常数的特制掺杂光纤在制作所述光纤的原材料或光纤预制坯中加入特定的逆磁或顺磁掺杂元素或化合物成份，并且取恰当的份量及配比。4.根据权利要求3的所述传感单元的传感光纤圈是采用高费尔德常数的特制掺杂光纤，其特征在于：在制作所述掺杂光纤的原材料或光纤预制坯中加入的共掺杂元素或化合物包含实现逆磁性特性所必需的各种可以增高费尔德常数的掺杂元素或它们的化合物，如：铅Pb，硼B，锗Ge，碲Te，锑Sb，铋Bi，Tl铊，...等等，及其化合物。5.根据权利要求3的所述传感单元的传感光纤圈是采用高费尔德常数的特制掺杂光纤，其特征在于：在制作所述掺杂光纤的原材料中加入的共掺杂元素或化合物包含实现顺磁性光学材料所必需的铽(Tb)元素及其化合物；以及其它各种可以增高费尔德常数的掺杂元素或化合物，如：镨Pr，铯Ce，镉Nd，镝Dy，...等等，及其化合物。6.根据权利要求2的所述传感单元的传感光纤圈，其特征在于：在对于同样的待测电流数值，如1200A的额定电流，获取同样强度传感信号的前提下，采用了高费尔德常数的掺杂光纤所制作的传感光纤圈需要绕制的匝数，对应此额定电流，一般不大于4匝；比目前所应用各类石英光纤的...

【专利技术属性】
技术研发人员：湾世伟，湾晓文，
申请(专利权)人：湾世伟，湾晓文，
类型：发明
国别省市：江苏,32