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专利名称：一种光学电流传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于领糧电力系统高压大电流的光学传麟，属测量技术领域。
背景技术：
光学电流传自(OCT)是高压大电流测量的理想器件。从20世纪60年f^，人们就开始研 究光学电流传 。电力工业用光学电流传 —皿用Faraday磁光效应原理。经过30多年的 研究，取得了很大进展，国内夕湘继有多种样机挂网试运行的报道。但是到目前为止，光学电流 传麟长期运行的稳态测量精度却仍不能达到电力系统的计量要求，其主要原因是传 的性能 易鈔卜界环境因素(如变化的影响。
中国专利号CN 1523618给出了一种光电电流互感器的技术方案，它采用引入永磁体和参考光 路的方法，补jf^显度对测量光路中敏感元件的影响。该方法理论上可以消除温度的影响，但实用 中的不足之处是测量准确度依赖于永磁体长期运行的稳定性，对永磁体及参考光路需要严格的电 H屏蔽，对参考通道和测量鹏的一致性要刺艮高。该光电电^5繊经过长期运行后，其两个 以及*通道的两个光路的光学器件参数会发生不一致变化，这将对测量7隹确度产生不容忽
视的影响。 发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足、提供一种具有长期运行稳定性和高测量准确度 的光学电流传 。
本实用新型所称问题是以下述技术方案实现的
一种光学电流传自，由电流传感单元和光电处理单元组成，戶腿电流传感单元包括两个电 流传感头，第一电流传感头由沿光路方向依次分布的第一输入准直器、第一起偏器、第一磁光元 件、第一检偏器、第一平行分量输出准直器和第一垂直分量输出准直器组成；第二电流传感头由沿光路方向依次分布的第二输入准直器、第二起偏器、第二磁光元件、第二检偏器、第二平行分 量输出准直器和第二垂直分量输出准直器组成；針电流传感头的输入准直器接光源，输出准直 器经光纤、光缆接光电处理单元的输入端；所述两个电流传感头的磁光元件对称分布在通流导体 的两侧，它们的通光方向相互平行并与通流导体相垂直，二者材料不同，且费尔德常数的比f直与 温度之间具有单调的函数关系。
上述光学电流传自，所述电流传感头的磁光元件为薄片状，其通光长度小于l咖。 上述光学电流传感器，所述电流传感头的磁光元件的费尔德常数大于1(Trad/A 。 本实用新型釆用对称分布于通流导体两顶啲双电流传感头对高压电流战行观糧，通31)(寸传感 变比和 鹏因子之间的关系进行精确标定，可实时补徵驢对费尔德常数的影响；电流传感头的 磁光元件采用薄片式结构，有效降低了材料中的线性双折射对测量结果的影响；采用高费尔德常 数的磁光元件，可提高测量的灵每娘。本实用新型不需要引入外部标准参考源就可补偿ag对费 尔德常数的影响，不仅具有长期运行稳定性和高测量准确度，而且体积小、易于加工、适合批量 生产。以下结合附图对本实用新型进一步说明。


图1是本实用新型的结构示意图2为电流传感头的结构图3为低压侧光电处理单元的原理结构图4为本实施例中光学电流传感器的线性度标定过程图5为本实施例中光学电流传感器的温度补偿曲线标定过程图6为本实施例中光学电流传感器的实时测量温度补偿过程图。
图中各标号为1、通流导体，2、电流传感单元，3、第一电流传感头，4、第二电流传感头， 5、光纤束，6、绝缘子，7、底座，8、光纤连接器，9、光缆，10、光电处理单元，11、第一输入 准直器，12、第一起偏器，13、第一磁光元件，14、第一检偏器，15、第一平行分量输出准直器，16、第一垂直分量输出准直器，17、第二输入准直器，18、第二起偏器，19、第二磁光元件，20、 第二检偏器，21、第二平行分量输出准直器，22、第二垂直分量输出准直器。
文中所用符号AXT)、第一电流传感头传感变比，AS(T)、第二电流传感头传感变比，尸m、尸02、 输入光强，A、第一电流传感头平行分量输出光，尸21、第二电流传感头平行分量输出光，仏、A 经光电转换和处理后输出的电压信号，A、 A经光电转换和处理后输出的电压信号，A、第一电 流传感头垂直分量输出光，A、第二电流传感头垂直分量输出光，"2、 /L经光电转换和处理后输
出的电压信号，&、 A经光电转换和处理后输出的电压信号，《(:r)、温度因子，K(T)、第一磁
光元件费尔德常数，K(T)、第二磁光元件费尔德常数，义、第一磁光元件的通光长度，；第 二磁光元件的通光长度，六被测电流，A、输入光强，~第一磁光元件法拉第旋转角，^ 第二磁光元件法拉第旋转角，St、线性双折射，T、温度，u。、真空磁导率，h、电流传感头与电 流导体中心的间距，B、 h处电流i产生的磁感应强度，H、 h处电流i产生的磁场强度，《、第 一电流传感头平行分量传感通道的转换系数，l第二电流传感头平行分量传感鹏的转换系数，
f、第一电流传感头垂直分量传感通道的转换系数，y 2'、第二电流传感头垂直分量传感通道的
转换系数，瓜调制度，A、电流的标准值。
具体实施方式
本实用新型传感单元2的两个磁光元件13、 19材料不同(材料相同就无法鹏补偿了，温度 因子将没意义)，为薄片式，具有高费尔德常数(为了提高测量灵每娘，i^寸于精度很重要)；同 时选择两个磁光元件13、 19材料，使两个费尔德常数的比值与温度之间具有单调的函数关系；温 度补偿方飽括下列步骤
1、 在实验室将标准测量通道和本实用新型提出的光学电流传感器串联接入同一个电流回路， 由标准测M道^i共电流的标准值A 。
2、 计算两个传感鹏的传感变比
"11 " 12"22 — "21
"u、 i&分别为两个电流传感头平行分量输出光A、尸21经光电转换和处理后输出的电压信号;
"12、 &分别为两个电流传感头垂直分量输出光月2、尸22经光电转换和处理后输出的电压信号。
3、 计算MS因子《(r)=《(T)/尼(T)。
g(r)反映传感单元的^^信息，和两个磁光元件13、 19费尔德常数"T)、 K(T)的关系为 g(r) = K(T)*厶/( h(T)氺力)，义、厶分别为磁光元件13、 19的通光长度，二者相等时， 两个磁光元件13、 19费尔德常数K(T)、 K(T)的比值即为《(T)。
4、 将本实用新型提出的光学电流传感器的传感单元2放入温控箱，依据电子式电流互感器国 际标准IEC60044-8和电子式互感器国家标准，对光学电流传感器施加升温-降温-升温的M^循 环，在实验室对AXT) — g(r)和&(T)—g(r)进行标定。
5、 实时测量时计算《(r户11 一 12承J"~^，由标定曲线《(T)一《(r)和&(T)—g(r)
"11 "12 "22 I "21
给出实际的变比A(T)、 A(T)，计算被测电流
或对二者进行数字平均可以进一步提高测量精度
>丄*麵* ^ii^赠)* ^Zi^L )
2 "11 I "12 "22 I "21
由于传感单元中的磁光元件为薄片式，材料中的线性双折射可以忽略，可利用本实用新型所 述的定标方法补偿驢对费尔德常数的影响。
为说明线性双折射的影响，假设磁光元件13为条状，其通光长度大于通流导体1的直径，考 虑较大的统性双折射时，其输出为
11 2 《
12 2 ^凡、/L分别为平行分量和垂直分量的f俞出光强；^为输入光强；^为与电流成正比的法fe^ 旋转角；S激性双折射。
可以看出线性双折射的存在降低传感灵敏度，带来较大误差。线性双折射是由于磁光 元件在受热或冷却过程中内应力分布不均匀引起的，磁光元件为温度的不良导体，在温度 变化过程中材料沿光路方向产生温差引起内应力分布不均匀。线性双折射具有不确定性， 难以进行标定补偿。
因为线性双折射与材料沿光路方向的长度成正比，所以本实用新型提出的薄片式材料 (长度〈lmm)可以看作一个空间微元，线性双折射可以忽略。为保证灵敏度，选择高费尔 德常数的磁光元件(一般大于10—3rad/A)。
忽略线性双折射的影响，ms对本实用新型电流传感头的影响主要是弓胞磁光元件菲尔德常 数变化。磁光元件的法fe^旋转角与电流成正比
《=r (r风=k (7>0叫=& (2>0 ^
式中，K (T)、 V2 (T)为磁光元件的费尔德常数，是温度T的函数；i为待测电流；U。为真
空磁导率；h为电流传感头3， 4与电流导体1中心的间距；B和H为h处电流i产生的磁感应强 度和磁场强度；负号代表方向相反。
费尔德常数随fig变化具有确定的关系，可以通过实验室标定来补偿。
本实用新型传感单元体积小、易于加工、适合批量生产，双电流传感头互为备用，可靠性高。 可以采用数字平均方法提高测量精度。
本实用新型可以进行传感fflit参数不一致变化实时校正。
当各电流传感头平行分量和垂直分量传感M参数不一致时，电流传感头平行分量输出光A、 尸a经光电转换和处理后输出的电压信号"u、 &，垂直分量输出光/^、尸22经光电转换和处理后输 出的电压信号&'、化2'分别为<formula>formula see original document page 8</formula>
《、尼、《'、《'分别为电流传感头3、 4平行分量和垂直分量传感通道的转换系数， 和光电检测器参数及各光学器件的耦合情况有关。
正常稳态运行时，e" ^反映交流电流i的变化，所以以上四式中第2项为交流分量，
第l项为直流分量，分别设为 "11DC人 "12DC 、 "21DC 、 ^^22DC o 令
贝盹流传感头平行分量仏、^分另鹏垂直分量"2、 ^具有相同的传感鹏转换系数，称为通
道具有一致性，即鹏配平。通道配平后才可以依据差除和运算求解电流i:《(T)*
<formula>formula see original document page 8</formula>或i=^(T)* ^丄或i」*a(T)* ^~~^+&(T)* ^^2M。差除和运算用于消除
光源光强波动的影响，同时又能解调暂态故障时电流的直流分量。
本实用新型还可以减少相邻相通流导体在暂态故障大电流时的电磁干扰影响。 电流传感头和相邻相通流导体的距离相等，所受的电磁干扰可看做共模分量，采用求
差运算即可抑制。
参看图l，本实用新型提出的光学电流传感器系统包括高压侧电流传感单元2、低压
侧光电处理单元IO、光纤束5和光缆9。光纤束5置于绝缘子6中，通过底座7中的光纤 连接器8和光缆9耦合，光纤束5和光缆9用于传输光信号。使用时通流导体l与被测电流导体相连，本实用新型中通流导体l为铜棒。传感单元2通过绝缘物体固定在通流导体 1上。高压侧的两个电流传感头3、 4共同构成传感单元2。低压侧光电处理单元10完成 光电转换、电流信号解调和温度补偿算法。
参看图2，两个电流传感头中沿光路方向依次分别分布有输入准直器11或17、起偏器12或18、 磁光元件13或19、检偏器14或20、平行分量输出准直器15或21、垂直分量输出准直器16或 22;两个磁光元件13和19材料不同(材料相同就无法f鹏补偿了，》鹏因子将没意义)，设计成 薄片式以抑制线性双折射的影响，选择具有高费尔德常数以期获得高灵敏度，对称分布在通流导 体1的两侧，二者通光方向相互平行且与通流导体1相垂直；选择两个磁光元件使两个费尔德常 数的比值与ag之间具有单调的函数关系，以便进行纟鹏补偿。磁光元件可采用石榴石晶体(因 其具有高费尔德常数)，截面可以是方形也可以是圆形。磁光元件可选择稀土铁石榴石类材料，如 钇铁石榴石晶体Y3FeA2(YIG)和各种掺杂的钇铁石榴石晶体，包括铋掺杂YIG (Bi: YIG)、 礼掺杂YIG (Gd: YIG)、双掺杂YIG (BiGd: YIG)等。本实施例中磁光元件13为YIG (韦乙铁 石權石晶体)，截面积为1咖2方形，通光长度为0.5咖；磁光元件19为Gd:YIG (轧掺杂的锐铁石 榴石晶体)，截面积为1咖2方形，通光长度为0.1咖。
由光纤束5进入电流传感头3、 4的输入光尸M、尸。2经输入准直器11、 17变为平行光， 起偏器12、 18将平行光变为线偏振光，根据法拉第磁光效应原理，在通流导体1产生的 磁场作用下，线偏振光通过磁光元件13、 19后其偏振面将发生旋转，旋转的角度称为法 拉第旋转角^、 ^，与电流成比例
2油
& = r2 (r)(一邵2 = r2 (r)//。(-邵2 = -r2 (r)A。 ^ /2 。
检偏器14、 20的两个透光轴与起偏器12、 18的透光轴之间的夹角分别为±45° ，将 角度值转化为平行分量输出光强尸u、 ^和垂直分量输出光强/i2、尸22:
尸广,(l + sin2《)
9<formula>formula see original document page 10</formula>尸u、尸21和尸12、尸22经平行分量输出准直器15、 21和垂直分量输出准直器16、 22耦合进 入光纤束5。
参看图3，低压侧光电处理单元包括光源和信号处理部分。本实施例中光源采用波长 为1550 nm的激光器(LD)，光源驱动电路为恒流输出以减少光强的波动。信号处理部分 包括四个光电检测器、四个前置放大和滤波电路和数字处理系统。数字处理系统由微处理 器、A/D转换�？�、存储�？�、显示模块和通信�？楣钩�。
光源发出的光经过光缆9传送到底座7的光纤连接器8，经分光后分别由光纤束5中 的两根上行光纤传送到传感单元2，成为电流传感头3、 4的输入光^、尸。2。
由传感单元2输出的四路光信号尸u、尸21和尸12、尸22经光纤束5和光缆9传送给四个光 电检测器，光电检测器将光信号转换为和光强成比例的电信号，再经过前置放大和滤波后 输出电压信号"u、 "21和"12、 "22。数字处理系统将"u、 "21和化、"22进行A/D转换，由微 处理器对相应的数字信号进行电流信息的解调和温度补偿算法，并完成信息的存储、显示 和通信功能。微处理器可以采用DSP芯片，也可以采用工控机。
参看图4，光学电流传感器在出厂试验之前完成实验室标定工作。具体的标定内容包 括线性度标定和温度补偿曲线标定。
调节大电流信号发生器，使待测电流在额定值的5% 120%范围内变化，标准测量通道 和光学电流传感器同步测量，对光学电流传感器进行线性度标定。具体歩骤如下 (1)由标准测量通道的输出乘以标准通道的变比计算电流的标准值力
标准通道的各部件需要经过严格的溯源，而且标准通道的精度必须满足微小误差原则， 即与被校验测量通道的测量误差相比可以忽略，则标准通道的测量结果可作为"真值"来
10对待。在本实施例中，标准通道的整体测量误差不大于被校验通道的测量误差的五分之一。 (2)由信号处理单元计算光学电流传感器的调制度
每个电流传感头作为检偏器的偏振棱镜的两个透光轴与起偏器的透光轴之间的夹角分 别为±45° ，由信号处理单元测得电流传感头3、 4的输出信号分别为(" 、 "2)和(&、 〃22)，求得调制度见'
附j
附2
一 w12
+ "12
—M21
"21+ M22
(3)光学电流传感器各传感通道的变比为 训=仏
&(T)=_/y处
参看图5，将光学电流传感器的传感单元2放入温控箱，依据电子式电流互感器国际 标准iec60044-8和电子式互感器国家标准，对光学电流传感器施加升温-降温-升温的温 度循环，对光学电流传感器进行温度补偿曲线标定。具体步骤如下
(1) 对于标准中规定的各温度点重复图4中的各步骤，计算传感通道的变比A^(r)和 ^(r )。
(2) 计算温度因子g(r) = a(t则t)。
(3) 在实验室对a(t)—和&(t)—进行标定。
参看图6， (1)由信号处理单元测得电流传感头3、 4的输出信号分别为("n、
和("21、 "22)，实时计算《(r" ^i^*^z^l。
(2) 由标定曲线《(t)一g(r)和&(t)--《("给出实际的变比a(t)、 ^(t)。
(3) 计算被测电流
聘)* ^~~^或>柳*或 <formula>formula see original document page 12</formula>
权利要求1、一种光学电流传感器，其特征是，它由电流传感单元(2)和光电处理单元(10)组成，所述电流传感单元(2)包括两个电流传感头，其中，第一电流传感头(3)由沿光路方向依次分布的第一输入准直器(11)、第一起偏器(12)、第一磁光元件(13)、第一检偏器(14)、第一平行分量输出准直器(15)和第一垂直分量输出准直器(16)组成；第二电流传感头(4)由沿光路方向依次分布的第二输入准直器(17)、第二起偏器(18)、第二磁光元件(19)、第二检偏器(20)、第二平行分量输出准直器(21)和第二垂直分量输出准直器(22)组成；每个电流传感头的输入准直器接光源，输出准直器经光纤、光缆接光电处理单元(10)的输入端；所述两个电流传感头的磁光元件对称分布在通流导体(1)的两侧，它们的通光方向相互平行并与通流导体(1)相垂直，两者材料不同，且两者费尔德常数的比值与温度之间具有单调的函数关系。
2、 根据权利要求1所述光学电流传感器，其特征是，所述电流传感头的磁光元件为薄片状，其通光长度小于l咖。
3、 根据权禾腰求l所述光学电流传繊，其特征是，所述电流传感头的磁光元件的费尔德常数大于10—3rad/A。
专利摘要一种光学电流传感器，属测量技术领域，用于解决高压电流测量问题。其技术方案是它由电流传感单元和光电处理单元组成，所述电流传感单元包括两个电流传感头，两个电流传感头的磁光元件为薄片式，对称分布在通流导体的两侧，它们的通光方向相互平行并与通流导体相垂直，二者材料不同，且费尔德常数的比值与温度之间具有单调的函数关系。本实用新型不需要引入外部标准参考源就可补偿温度对费尔德常数的影响，不仅具有长期运行稳定性和高测量准确度，而且体积小、易于加工、适合批量生产。
文档编号G01R15/24GK201281724SQ20082010564
公开日2009年7月29日 申请日期2008年8月28日 优先权日2008年8月28日
发明者于文斌, 尚秋峰, 张国庆, 杨以涵, 王贵忠, 郭志忠 申请人:华北电力大学(保定)