本實(shí)用新型涉及一種全光纖電流互感器，尤其涉及一種基于保偏光纖溫度傳感器的全光纖電流互感器，屬于光纖傳感應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

長(zhǎng)期以來(lái)，電磁式互感器一直扮演著電力系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視的重要角色。變電站中測(cè)量監(jiān)視和保護(hù)控制依靠它來(lái)獲得測(cè)量、計(jì)量、保護(hù)所需的電流、電壓等信息。隨著電網(wǎng)電壓的提高及智能化一次、二次設(shè)備的發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁式互感器已逐漸暴露出其自身的缺點(diǎn)，如電氣絕緣薄弱、體積笨重、動(dòng)態(tài)范圍小、存在鐵芯飽和、鐵磁諧振過(guò)電壓等。

隨著變電站自動(dòng)化技術(shù)的深入發(fā)展，出現(xiàn)了一次、二次設(shè)備相互滲透、融合的新型智能化一次設(shè)備。用電子式互感器取代傳統(tǒng)的電磁式互感器，以光纖傳輸數(shù)字信號(hào)，就地集成繼電保護(hù)、測(cè)控功能，與斷路器或全封閉組合電器結(jié)合，形成新一代智能化一次設(shè)備，可增強(qiáng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制的可靠性、靈活性，降低建設(shè)和運(yùn)行投資，方便維護(hù)。

電子式互感器包括無(wú)源電子式互感器和有源電子式互感器。全光纖電流互感器屬于無(wú)源電子式互感器，在高壓端不存在電子元器件，無(wú)需供電，絕緣結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)磁飽和和鐵磁諧振，具有體積小、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大、響應(yīng)頻帶寬、可測(cè)交直流信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)階段電力行業(yè)電流信號(hào)采集方案的研究熱點(diǎn)。

環(huán)境溫度是影響全光纖電流互感器測(cè)量準(zhǔn)確度的主要因素。全光纖電流互感器的信號(hào)采集單元一般置于變電站控制室屏柜或帶溫控的戶外柜內(nèi)，工作溫度比較穩(wěn)定。受環(huán)境溫度影響較大的主要是一次傳感頭部分，包括λ/4波片、傳感光纖及反射鏡。目前，減小環(huán)境溫度引入誤差的辦法多采用算法補(bǔ)償或光學(xué)器件互補(bǔ)償技術(shù)，但由于全光纖電流互感器受溫度影響的器件及參數(shù)較多，不能實(shí)現(xiàn)溫度誤差的完全消除。采用光學(xué)無(wú)源溫度傳感器實(shí)現(xiàn)全光纖電流互感器的溫度補(bǔ)償方案，能夠根據(jù)全光纖電流互感器的實(shí)際溫度特性，消除環(huán)境溫度變化對(duì)全光纖電流互感器測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。

目前市場(chǎng)上成熟的光學(xué)溫度傳感器主要有熒光式、光纖光柵式、Raman/Brillouin散射式等幾種，但多少存在測(cè)溫范圍窄(100攝氏度左右)、傳輸距離短(一般小于20m)、解調(diào)原理復(fù)雜，價(jià)格昂貴等問(wèn)題。

基于保偏光纖的溫度雙折射效應(yīng)設(shè)計(jì)的反射式保偏光纖溫度傳感器具有高精度、低成本、具有良好互易性的特點(diǎn)，傳輸距離不受限制，采用特殊的材料及封裝工藝，可滿足電力行業(yè)不同領(lǐng)域的遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量需求。采用保偏光纖溫度傳感器實(shí)現(xiàn)光纖電流互感器的溫度補(bǔ)償，通過(guò)光學(xué)器件、傳輸光纜及信號(hào)處理器的集成與共享，能夠提高系統(tǒng)的集成能力及可靠性，減小產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)布線及安裝的難度，降低系統(tǒng)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對(duì)上述問(wèn)題提供一種基于保偏光纖溫度傳感器的全光纖電流互感器，設(shè)計(jì)一種保偏光纖溫度傳感器與全光纖電流互感器的集成方案，實(shí)現(xiàn)全光纖電流互感器一次傳感頭部分的溫度測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全光纖電流互感器的溫度補(bǔ)償。

本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)耦合器及起偏器后，形成線偏振光。線偏振光以45°角進(jìn)入相位調(diào)制器后，分成正交的兩束線偏光分別沿保偏光纖的快、慢軸傳輸。所述相位調(diào)制器采用直波導(dǎo)型相位調(diào)制器，信號(hào)處理器對(duì)相位調(diào)制器加入方波及階梯波相位調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，能夠解決系統(tǒng)的余弦敏感性和方向性問(wèn)題，提高系統(tǒng)測(cè)量的線性度和動(dòng)態(tài)范圍。兩束線偏光經(jīng)過(guò)λ/4波片后，分別變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，進(jìn)入傳感光纖。傳感光纖的Faraday磁光效應(yīng)使兩束圓偏光產(chǎn)生與被測(cè)電流大小成正比的相移。兩束圓偏振光經(jīng)反射鏡反射后，偏振模式互換，并再次穿過(guò)傳感光纖，使產(chǎn)生的非互易相移加倍。兩束圓偏振光再次通過(guò)λ/4波片后，恢復(fù)為線偏振光。經(jīng)過(guò)起偏器后，攜帶相位信息的干涉光由環(huán)形器送往采集單元解調(diào)出被測(cè)電流信息。

保偏光纖溫度傳感器基于保偏光纖的溫度雙折射效應(yīng)，由寬譜光源、環(huán)形器、起偏器和傳感光纖組成。寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)起偏器后成為線偏振光，進(jìn)入保偏光纖，保偏光纖與傳感光纖呈45°角熔接，傳感光纖的另一端鍍有全反射膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的反射。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，溫度雙折射效應(yīng)會(huì)改變傳感光纖中兩本征模的傳播常數(shù)差，從而導(dǎo)致本征模之間的位相差隨溫度變化。 信號(hào)處理單元采用特殊的信號(hào)解調(diào)及擬合算法，通過(guò)檢測(cè)因位相差引起的干涉場(chǎng)的能量變化，即可獲得溫度變化信息。

將溫度傳感探頭與電流傳感頭集成在一個(gè)殼體內(nèi)，可通過(guò)溫度探頭的溫度信息獲知同一溫度場(chǎng)內(nèi)電流傳感頭的溫度信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全光纖電流互感器的溫度補(bǔ)償。

優(yōu)選地，所述保偏光纖溫度傳感器與全光纖電流互感器共用寬帶光源、退偏器、1×3分束器和信號(hào)處理器。

優(yōu)選地，所述保偏光纖溫度傳感器與全光纖電流互感器共用一根保偏光纖傳輸光纜。

優(yōu)選地，所述保偏光纖溫度傳感器的傳感光纖采用不同拍長(zhǎng)及長(zhǎng)度的保偏光纖。

優(yōu)選地，所述光纖溫度傳感器的傳感光纖的一端鍍有介質(zhì)全反射膜。

本實(shí)用新型的有益效果在于：

1.本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種保偏光纖溫度傳感器，具有高精度、低成本、具有良好互易性的特點(diǎn)，傳輸距離不受限制，采用特殊的材料及封裝工藝，可滿足電力行業(yè)不同領(lǐng)域的遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量需求。

2.本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種基于保偏光纖溫度傳感器的全光纖電流互感器，通過(guò)保偏光纖溫度傳感器實(shí)現(xiàn)全光纖電流互感器一次傳感頭部分的溫度測(cè)量，以較低成本實(shí)現(xiàn)全光纖電流互感器的遠(yuǎn)距離溫度補(bǔ)償。

3.本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種基于保偏光纖溫度傳感器的全光纖電流互感器，保偏光纖溫度傳感器與全光纖電流互感器共用寬帶光源、退偏器、1×3分束器和 信號(hào)處理器，能夠降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的集成能力。

4.本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種基于保偏光纖溫度傳感器的全光纖電流互感器，保偏光纖溫度傳感器與全光纖電流互感器的模擬信號(hào)傳輸共用一根保偏光纖傳輸光纜，能夠降低系統(tǒng)成本，減小產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)的安裝、布線及保護(hù)難度。

附圖說(shuō)明

圖1：本實(shí)用新型基于保偏光纖溫度傳感器的全光纖電流互感器示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的闡述。

如圖1所示，一種基于保偏光纖溫度傳感器的全光纖電流互感器，包括寬譜光源1、退偏器2、1×3分束器3、第一環(huán)形器4、第二環(huán)形器9、第一起偏器5、第二起偏器10、相位調(diào)制器6、光纖延時(shí)線7、信號(hào)處理器8、保偏光纖傳輸光纜11、光纖λ/4波片12、光纖電流傳感環(huán)13、光纖反射鏡14和溫度傳感光纖15。

寬譜光源1的輸出端與退偏器2的輸入端連接，退偏器2的輸出端與1×3分束器3的輸入端連接，1×3分束器3的輸出端31與第一環(huán)形器4的端口41連接，第一環(huán)形器4經(jīng)過(guò)端口42將入射光送往第一起偏器5，并產(chǎn)生線偏光，第一起偏器5的輸出端經(jīng)過(guò)保偏光纖后，與相位調(diào)制器6的輸入端口61呈45°角熔接，線偏光被分成正交的兩束線偏光分別沿保偏光纖的快、慢軸傳輸，相位調(diào)制器6的輸出端口62與光纖延時(shí)線7的輸入端連接，光纖延時(shí)線7的 輸出端與保偏光纖傳輸光纜11連接，正交的兩束線偏光經(jīng)過(guò)保偏光纖傳輸光纜11后，到達(dá)光纖λ/4波片12，分別變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，進(jìn)入光纖電流傳感環(huán)13，光纖電流傳感環(huán)13纏繞在一次導(dǎo)體外感應(yīng)被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，左旋和右旋圓偏振光經(jīng)光纖反射鏡14反射后，偏振模式互換，并再次穿過(guò)光纖電流傳感環(huán)13，然后經(jīng)過(guò)光纖λ/4波片12后，恢復(fù)為兩束正交的線偏光，攜帶電流信息的兩束線偏光干涉后，經(jīng)過(guò)第一起偏器5及第一環(huán)形器4，由第一環(huán)形器4的端口43送往信號(hào)處理器8的輸入端口81，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后，解調(diào)出被測(cè)電流信息。為了解決系統(tǒng)的余弦敏感性和方向性的問(wèn)題，提高系統(tǒng)的線性度和動(dòng)態(tài)范圍，系統(tǒng)采用閉環(huán)方波調(diào)制解調(diào)方式，信號(hào)處理器8通過(guò)輸出端口84將方波及階梯波調(diào)制信號(hào)送往相位調(diào)制器6的控制端口63，從而在系統(tǒng)中引入非互易的90°相位偏置，同時(shí)，通過(guò)階梯波引入反饋補(bǔ)償相移，抵消電流引起的非互易相移。

全光纖電流互感器的系統(tǒng)工作原理如下：

根據(jù)系統(tǒng)各器件的傳輸模型，可得光電探測(cè)器輸入的光強(qiáng)信號(hào)：

$I_D=\frac{I_0}{2}\[1-\mathrm{\δ}cos({\mathrm{\φ}}_s+{\mathrm{\φ}}_l)+(1-\mathrm{\δ})cos(4VNI+{\mathrm{\φ}}_s+{\mathrm{\φ}}_l)\]---\left(1\right)$

其中，I₀為輸入光強(qiáng)，N為傳感光纖匝數(shù)，V為傳感光纖的費(fèi)爾德(Verdet)常數(shù)，I為被測(cè)電流。Φ_s、Φ_l分別是加入的方波和階梯波調(diào)制相移。δ為對(duì)軸角度誤差、波片長(zhǎng)度誤差等因素引起的等效誤差系數(shù)。

取方波調(diào)制相移Φ_s＝±π/2，將同頻方波參考信號(hào)與PD輸出信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，可得：

I_diff＝I₀[δsin(φ_l)-(1-δ)sin(4VNI+φ_l)] (2)

據(jù)閉環(huán)解調(diào)算法，階梯波產(chǎn)生反饋補(bǔ)償相移Ф_l，使得I_diff＝0，可得：

φ_l＝-4VNI(1+δ) (3)

補(bǔ)償相移Ф_l即為解調(diào)輸出。

1×3分束器3的輸出端口32與信號(hào)處理器8的輸入端口82連接，用于監(jiān)測(cè)寬譜光源1的功率變化情況。1×3分束器3的輸出端口33與第二環(huán)形器9的端口91連接，第二環(huán)形器9經(jīng)過(guò)端口92將入射光送往第二起偏器10，并產(chǎn)生線偏光，第二起偏器10的輸出端經(jīng)過(guò)保偏光纖傳輸光纜11后，與溫度傳感光纖15的輸入端呈45°角熔接，并將入射線偏光分成兩束正交的線偏光，溫度傳感光纖15由不同拍長(zhǎng)及長(zhǎng)度的保偏光纖構(gòu)成，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，溫度的雙折射效應(yīng)會(huì)改變溫度傳感光纖15中兩正交線偏光的傳播常數(shù)差，從而導(dǎo)致兩正交線偏光之間的位相差隨溫度變化。溫度傳感光纖15的另一端鍍有全反射膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩正交線偏光的反射。攜帶有溫度信息的兩線偏光干涉后，經(jīng)過(guò)第二起偏器10及第二環(huán)形器9，由第二環(huán)形器9的端口93送往信號(hào)處理器8的輸入端口83，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后，解調(diào)出被測(cè)溫度信息。

將溫度傳感光纖15與光纖電流傳感環(huán)13集成在一個(gè)殼體內(nèi)，可通過(guò)溫度傳感光纖15探測(cè)到的溫度信息獲知同一溫度場(chǎng)內(nèi)光纖電流傳感環(huán)13的溫度信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全光纖電流互感器的溫度補(bǔ)償。

保偏光纖溫度傳感器的系統(tǒng)工作原理如下：

根據(jù)系統(tǒng)各器件的傳輸模型，可得光電探測(cè)器輸入的光強(qiáng)信號(hào)：

I_out＝1/2I_in[1+cos(2δ_x-2δ_y)] (4)

其中，δ_x及δ_y為溫度傳感光纖快、慢軸的相位延遲；I_in為入射光光強(qiáng)。

由于溫度變化，導(dǎo)致光在快、慢軸方向上的傳播常數(shù)差發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)輸出光強(qiáng)I_out的探測(cè)，可得溫度變化信息。