一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器制造技术

全光纤电流互感器，光源发出的光束经Ｌｏｙｔ消偏器后进入集成光学器件处理产生两束线偏振光，两束线偏振光经保偏光纤延迟线、λ／４波片后转变为两束椭圆偏振光并进入敏感光纤传播。由于Ｆａｒａｄａｙ磁光效应，两束椭圆偏振光在被测电流产生磁场的作用下产生相位差，随后两束光经反射镜反射后再次进入敏感光纤，两束光线互换光路，在被测电流产生磁场的作用下，再次产生相位差；携带电流信息的两束椭圆偏振光经λ／４波片、保偏光纤延迟线回到集成光学器件形成干涉光送至光电探测器，光电探测器将其中携带被测电流信息的光强信号转换为电压信号后送至双闭环控制装置，双闭环控制装置根据电压信号分别完成对两束线偏振光的相位置零闭环控制和调制波复位闭环控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电流互感器，特别是一种采用双闭环控制光波相位差和调 制波复位误差的全光纤电流互感器装置。
技术介绍
电流互感器(简称CT)是电力系统中继电保护与电能计量的重要设备，其 长期稳定性、可靠性、安全性与电力系统的安全、稳定运行密切相关。目前常用的电流互感器主要为电磁式电流互感器，其利用了电磁感应的原 理将高压侧的电流转换到低压侧，因此存在一些原理上不能克服的困难，如铁 磁谐振、磁饱和、频带有限、需充油充气、二次开路隐患等问题。新型的基于Faraday效应的光学电流互感器可以克服以上问题，光学电流 互感器从结构上可以分为磁光玻璃结构和全光纤结构。其中磁光玻璃结构的电 流互感器的玻璃块中传播的光波在磁场作用下发生偏转，通过检测偏转角度可 以得到所施加的磁场强度，从而得出穿过的电流大小，此方案为开环方案，因 此存在测量范围小、灵敏度低、长期稳定性差等缺点；另一种结构为全光纤的 结构，在敏感光纤中传播的两束光波之间会产生正比于磁场的相位差，利用干 涉的方法可以检测出此相位差，从而得出与磁场对应的电流大小，通过低压侧 的光学相位调制器可以实现对相位差的闭环检测，这样就可以达到一个很大的 测量范围，但是现有技术存在一定缺陷第一、由于调制器的性能会发生緩慢 漂移，单一闭环控制不能保证互感器长期的稳定性；第二、光路较为复杂，使用了较多的独立光学元器件，过多的光学元器件不利于光路的长期稳定；第三、线偏振光路对光源出射光要求较高，光路兼容性较差。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种光路筒单、易于实现、测量范围广、灵每文度高、长期稳定性好的的采用双闭环控制的全光 纤电流互感器。本专利技术与现有技术相比的优点在于(1 )本专利技术采用双闭环控制装置实现对进入集成光学器件中的两束线偏振 光的相位置零闭环控制和调制波复位闭环控制，克服了集成光学器件的緩慢漂 移产生的测量误差，在保证测量范围广、灵每文度高的同时提高了互感器的长期 稳定性；(2)本专利技术的双闭环控制装置通过AD、 DA转换器、运算》文大器、积分 器、可变数字电阻等常用器件组成双闭环控制体系，结构简单、易于实现，且 控制灵敏度高、稳定性好；(3 )本专利技术釆用了一种通过钬扩散和质子交换两种工艺制成的特种集成光 学器件，大大降低了光路复杂度，同时提高了光路长期稳定性；(4) 本专利技术光路中采用了一个Loyt消偏器，降低了对激光器偏振特性的 要求，可以适应任意偏振态的半导体激光器，提高了光路兼容性的同时也改善 了光路的稳定性；(5) 本专利技术双闭环控制装置中方波调制器产生四种形式的调制方波信号， 有利于调制方波复位误差和两束椭圆偏振光产生相位差的提取，提高了双闭环 控制的精度及稳定性；(6) 本专利技术双闭环控制装置中AD转换器和主DA转换器采用10位以上， 副DA转换器或可变数字电阻采用8位以上的器件，可以提高双闭环控制的控 制范围及稳定性。附图说明图1为本专利技术全光纤电流互感器的结构原理图2为本专利技术全光纤电流互感器中双闭环控制装置的结构原理图3是本专利技术全光纤电流互感器中集成光学器件的结构示意图4为本专利技术全光纤电流互感器双闭环控制装置中方波调制器产生的调制方波信号波形图5为本专利技术全光纤电流互感器双闭环控制装置中方波调制器产生的调制 方波^r号与阶梯波生成器产生的阶梯波叠加后形成的复位波形图。 具体实施例方式本专利技术光纤电流互感器的本质是利用两束光的干涉原理，通过测量干涉光 强度的变化得到被测电流。所提出的双闭环控制除了完成对电流引起的相位置 零外，还对调制波复位进行了准确控制。如图1所示，为本专利技术光纤电流互感器的结构原理框图。光路部分包括光 源1、 Loyt消偏器2、集成光学器件3、保偏光纤延迟线4、入/4波片5、敏感 光纤6、反射镜7、光电探测器8和双闭环控制装置9。光源1的尾纤与Loyt 消偏器2连接、Loyt消偏器2的另一端与集成光学器件3的a端连接，光电探 测器8与集成光学器件3的b端连接，集成光学器件3的c端与保偏光纤延迟 线4对轴连接，保偏光纤延迟线4的另 一端与入/4波片5的入端连接，入/4波 片5的出端与敏感光纤6的一端连接，敏感光纤6的另一端与反射镜7连接。 光电探测器8的输出信号送至双闭环控制装置9，由双闭环控制装置9产生控 制信号控制集成光学器件3。光源1发出的光要经过一个Loyt消偏器2以消除光源输出光的偏振，消偏 光进入集成光学器件3的a端，经集成光学器件3处理后由c端输出两束线偏 振光，其中只有一束光受到了调制，两束线偏振光进入保偏光纤延迟线4分别 沿X轴(快轴)和Y轴(慢轴)传输，两束线偏振光经过入/4波片5后，转变 为两束椭圆偏振光， 一束左旋，另一束右旋，经过敏感光纤6传播，在敏感光 纤中传播的两束椭圆偏振光在Faraday磁光效应和被测电流共同作用下产生相 位差卸-2症w，其中为圆偏振光分量所占比例(与偏振有关的参数)，线偏 振时=0,圆偏振时=±1,椭圆偏振时0<||<1; 7V为壽丈感光纤的匝数；r为维 尔德常数；/为穿过敏感光纤头的被测电流。两束光波到达反射镜7净M射后 再次进入敏感光纤6，原左旋光变为右旋光，原右旋光变为左旋光，在Faraday》兹光效应和^皮测电流共同作用下，再次产生了 Ap-2aM7的相位差，这样，总 相位差为A化-4M7。两束光波携带了电流信息，经过入/4波片5后转变为线 偏振光，此时，原X轴的光进入Y轴，原Y轴的光进入X轴，沿保偏光纤延 迟线4回到集成光学器件3发生干涉，干涉光由集成光学器件3输出后到达光 电探测器8。如图2所示，为本专利技术双闭环控制装置9的原理框图，包括前置运算放大 器91、 AD转换器92、 FPGA或DSP数字处理单元93、主DA转换器94、副 DA转换器95或可变数字电阻96、运算放大器97。光电探测器8的输出端与 前置运算放大器91连接，运算放大器前置91的输出连接到AD转换器92， AD转换器92的输出连接到FPGA或DSP数字处理单元93，实现第一个闭环 控制的主DA转换器94与数字处理单元93相连，主DA转换器94的输出通 过运算放大器97连接到集成光学器件3，完成进入集成光学器件3中的两束线 偏振光的相位置零。实现另一个闭环控制的连接方法有两种， 一种方法是副DA 转换器95的输入与数字处理单元93连接，副DA转换器95的输出连接到主 DA转换器94参考端(副DA转换器95的输出作为主DA转换器94的参考电 平)，这样，随着调制波复位误差的变化即可自动调节主DA转换器94的参考 电压，也就对调制波的增益进行反馈控制，从而实现了调制波复位的准确控制； 另一种方法是利用一个可变数字电阻96作为运算放大器97的增益电阻，同样 根据调制波复位误差对调制波的增益进行反^t贵控制，从而实现了调制波复位的 准确控制。前置运算放大器91包括放大、隔直、滤波电路。光纤电流互感器的探测 器输出的被测信号工作频率在1MHz,且非常微弱，而直流载波通常为1V量级， 所以需要一个隔直电路，本专利技术中利用电容将直流分量隔离在AD转换器以外； 为了将微弱信号放大到AD转换器响应范围，需要利用运算放大器将有用信号 进行放大处理；此外，还需要一个低通滤波器将信号中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器，其特征在于包括：光源（１）、Ｌｏｙｔ消偏器（２）、集成光学器件（３）、保偏光纤延迟线（４）、λ／４波片（５）、敏感光纤（６）、反射镜（７）、光电探测器（８）和双闭环控制装置（９）；光源（１）发出的光束经Ｌｏｙｔ消偏器（２）消除偏振后，进入集成光学器件（３）处理产生两束线偏振光，两束线偏振光中只有一束受到了调制；两束线偏振光进入保偏光纤延迟线（４），分别沿快轴和慢轴传输，随后两束线偏振光经过λ／４波片（５），转变为两束椭圆偏振光，一束左旋，另一束右旋，同时进入敏感光纤（６）传播；在敏感光纤（６）中传播的两束椭圆偏振光，由于Ｆａｒａｄａｙ磁光效应，在被测电流产生磁场的作用下产生相位差，随后两束椭圆偏振光到达反射镜（７），经反射镜（７）反射后再次进入敏感光纤（６），左旋光束变为右旋光束，右旋光束变为左旋光束，在被测电流产生磁场的作用下，两束椭圆偏振光再次产生相位差；携带了电流信息的两束椭圆偏振光，经过λ／４波片（５）后转变为两束线偏振光，原先沿快轴传输的光束进入慢轴，原先沿慢轴传输的光束进入快轴，而后沿保偏光纤延迟线（４）回到集成光学器件（３）发生干涉，形成干涉光后送至光电探测器（８）；光电探测器（８）将所述干涉光中携带的被测电流信息由光强信号转换为电压信号后送至双闭环控制装置（９），双闭环控制装置（９）根据传来的电压信号，分别完成对进入集成光学器件（３）中的两束线偏振光的相位置零闭环控制和调制波复位闭环控制。...

【技术特征摘要】
1、一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器，其特征在于包括光源(1)、Loyt消偏器(2)、集成光学器件(3)、保偏光纤延迟线(4)、λ/4波片(5)、敏感光纤(6)、反射镜(7)、光电探测器(8)和双闭环控制装置(9)；光源(1)发出的光束经Loyt消偏器(2)消除偏振后，进入集成光学器件(3)处理产生两束线偏振光，两束线偏振光中只有一束受到了调制；两束线偏振光进入保偏光纤延迟线(4)，分别沿快轴和慢轴传输，随后两束线偏振光经过λ/4波片(5)，转变为两束椭圆偏振光，一束左旋，另一束右旋，同时进入敏感光纤(6)传播；在敏感光纤(6)中传播的两束椭圆偏振光，由于Faraday磁光效应，在被测电流产生磁场的作用下产生相位差，随后两束椭圆偏振光到达反射镜(7)，经反射镜(7)反射后再次进入敏感光纤(6)，左旋光束变为右旋光束，右旋光束变为左旋光束，在被测电流产生磁场的作用下，两束椭圆偏振光再次产生相位差；携带了电流信息的两束椭圆偏振光，经过λ/4波片(5)后转变为两束线偏振光，原先沿快轴传输的光束进入慢轴，原先沿慢轴传输的光束进入快轴，而后沿保偏光纤延迟线(4)回到集成光学器件(3)发生干涉，形成干涉光后送至光电探测器(8)；光电探测器(8)将所述干涉光中携带的被测电流信息由光强信号转换为电压信号后送至双闭环控制装置(9)，双闭环控制装置(9)根据传来的电压信号，分别完成对进入集成光学器件(3)中的两束线偏振光的相位置零闭环控制和调制波复位闭环控制。2、 根据权利要求1所述的一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器，其 特征在于所述的双闭环控制装置(9)包括前置运算放大器(91)、 AD转换 器(92 )、数字信号处理单元(93 )、主DA转换器(94 )、副DA转换器(95 )、 运算放大器(97)，数字信号处理单元(93)又包括方波调制器(931)、主解 调器(932)、副解调器(933),主积分器(934)、副积分器(935)和阶梯波 生成器(936);前置运算放大器(91 )接收光电探测器(8)输出的电压信号， 进行放大、隔直和滤波后，经AD转换器(92)转换为数字信号，所述的数字信号分别进入主解调器(932)和副解调器(933),方波调制器(931 )产生方 波调制信号也分别送至主解调器(932)和副解调器(933),主解调器(932) 和副解调器(933)根据方波调制信号对AD转换器(92)输出的数字信号进 行解调处理，主解调信号进入主积分器(934 )，副解调信号进入副积分器(935 )， 主积分器(934)的输出信号经阶梯波生成器(936)产生阶梯波，并与方波调 制器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王巍，张志鑫，李永兵，刘东伟，阚宝玺，杨清生，王学锋，杨仪松，
申请(专利权)人：南瑞航天北京电气控制技术有限公司，
类型：发明
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