一种低成本的光学电流互感器的制作方法

1.本实用新型涉及一种光学电流互感器，尤其涉及一种成本较低、可靠性高的提供无源相位偏置的光学电流互感器。


背景技术：

2.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，一次端是无源的，安全且绿色环保，且便于数字化，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。
3.目前研究较多的是基于相位调制器的光学电流互感器，其互易反射干涉仪结构的系统光路完全对称，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消除振动、温度等环境因素的干扰，较好地探测出电流信息。
4.基于相位调制器的全光纤式光学电流互感器其一次端只有光纤是无源的，抗干扰能力强，目前已有商用产品，近年来在特高压输电系统中得到了越来越多的应用。目前商用的全光纤电流互感器均采用有源光学相位调制技术，需要使用宽带光源和光相位调制器以及较长的保偏光纤延迟线和低噪声的光电探测器，具体结构如图1所示。相位调制器的加入是为了引入相位偏置，将系统的工作点移到灵敏度高的线性区。
5.目前该类型产品采用的相位调制器主要有linbo3相位调制器或者压电陶瓷(pzt)相位调制器。linbo3相位调制器制作工艺复杂，成品率低，价格高，半波电压易受温度影响，且易受环境湿度等因素影响导致失效；pzt相位调制器也有易受温度和振动影响性能不稳定的缺点，且与相位调制器配合使用的保偏光纤一般需要几百米，而且采用相位调制器的全光纤电流互感器其信号处理器需要有高频调制解调电路，需要高性能的高速数模转换器和模数转换器，其解调算法也需采用较复杂的相关解调算法或者闭环解调算法，因而目前商用的全光纤电流互感器的成本相当高，其可靠性也因相位调制器的影响而降低。这是导致全光纤电流互感器目前未在低压输配电系统使用和超高压输配电系统中大规模应用的主要原因。


技术实现要素：

6.针对全光纤电流互感器的成本较高和相位调制器稳定性问题，本实用新型提供一种低成本的光学电流互感器。
7.一种低成本的光学电流互感器，包括：采集单元、光路模块和光纤传感环；其中，所述采集单元包含光源、耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器以及信号处理器；所述光路模块包含起偏器、分束器和偏振分光器；光源分别与信号处理器以及耦合器一端的第一
端口连接，耦合器的输出端连接起偏器的一端，起偏器的另一端连接分束器一端的第一端口，分束器另一端连接偏振分光器的一端，偏振分光器的另一端连接光纤传感环；信号处理器经第一光电探测器与耦合器一端的第二端口连接、经第二光电探测器与分束器一端的第二端口连接。
8.光源发光后，经过耦合器到达起偏器产生线偏光，线偏光经分束器达到偏振分束器后变成入射正交线偏光；入射正交线偏光经过光纤传感环后变成偏振态互换的两返回正交线偏光，两返回正交线偏光经过偏振分光器和分束器后；分束器一端的第一端口输出的第一路光信号返回起偏器后，经过耦合器耦合到第一光电探测器，形成第一路干涉光信号；分束器一端的第二端口输出的第二路光信号返回第二光电探测器，形成第二路干涉光信号；信号处理器分别连接光源、第一探测器和第二探测器，对第一和第二路干涉光信号进行处理，确定位于光纤传感环中的一次导体的被测电流。
9.经分束器返回的两线偏光偏振方向是正交的，两束光分别耦合进第一光电探测器和第二光电探测器后，所述两光电探测器的光信号的变化是相反的。
10.进一步，所述光纤传感环包括λ/4波片、传感光纤和法拉第旋转反射镜：λ/4波片连接偏振分光器的另一端，将偏振分光器的输出变为两正交圆偏光；传感光纤连接λ/4波片，传播所述两正交圆偏光；法拉第旋转反射镜位于传感光纤的末端，反射传感光纤传播的两正交圆偏光，使其返回传感光纤并继续沿传感光纤传输，同时对两正交圆偏振光引入特性的相移，实现无源相位偏置。
11.偏振分光器输出的入射正交线偏光经过λ/4波片后，变为两正交圆偏光。两正交圆偏光沿传感光纤传输，由于法拉第效应，在传感光纤中两正交圆偏光中一个传播速度变快、另一个传播速度变慢，从而产生相位差。两正交圆偏光在传感光纤的末端被法拉第旋转反射镜反射(设法拉第旋转器的旋转角为θ，两正交圆偏光产生相位差为2θ)，由于反射镜的作用，两正交圆偏光的偏振模式互换(左旋圆偏光变成右旋圆偏光、右旋圆偏光变成左旋圆偏光)，并沿原路返回，两返回正交圆偏光返回时一次电流的磁场方向不变，而两返回正交圆偏振光的传播方向改变且偏振态变化，所以法拉第效应产生的相位差会加倍，同时法拉第旋转反射镜中法拉第旋转器引入的相位差也会加倍。再次经过λ/4波片后变成两返回正交线偏光，且两返回正交线偏光的偏振方向互换。
12.进一步，所述法拉第旋转反射镜包含准直器、法拉第旋转器和反射镜。
13.进一步，法拉第旋转器的旋转角度为22.5
°
。
14.进一步，光纤传感环中可以用半波片替代λ/4波片。
15.进一步，所述信号处理器包括用于驱动光源发光的驱动电路。
16.进一步，所述分束器包括保偏光纤分束器或保偏光纤耦合器的至少一种。
17.进一步，所述耦合器包括分束器、光环行器、2
×
2耦合器的至少一种。
18.有益效果
19.针对全光纤电流互感器的成本较高和相位调制器稳定性问题，本实用新型提出一种成本低、可靠性高的光学电流互感器解决方案。采用分束器以及带有法拉第旋转反射镜的光纤传感环构成了互易结构的光学电流互感器，光路系统中两束正交偏振光通过的路径基本一样，光路系统具有良好的互易性和很强的抗干扰能力，振动、应力和温度等环境因素对光学电流互感器影响基本可以消除。通过法拉第旋转反射镜引入无源的相位偏置使光学
电流互感器系统工作在响应灵敏度较高的点上，避免使用价格昂贵且可靠性不高的linbo3相位调制器或者温度稳定性差的pzt相位调制器，且无需采用与相位调制器配合工作的保偏光纤延时线以及复杂的调制解调电路和算法。本实用新型的结构更简单，成本可大幅降低、可靠性更高。
附图说明
20.图1是目前商用的全光纤电流互感器的构成示意图；
21.图2是本技术实施例提供的一种的光学电流互感器构成示意图；
22.图中：1-采集单元，2-光纤传感环，3-光路模块，4-保偏传输光纤，11-光源，12-耦合器，13-起偏器，14-偏振分光器，15-相位调制器，16-光电探测器，17-信号处理器，21-λ/4波片，22-传感光纤，23-反射镜，24-一次导体，25-法拉第旋转反射镜，161-第一光电探测器，162-第二光电探测器，31-分束器。
具体实施方式
23.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
24.应当理解，本技术的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本技术的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
25.图2是本技术实施例提供的一种光学电流互感器的构成示意图，该光学电流互感器包括采集单元1、光路模块3和光纤传感环2。采集单元1和光路模块3通过光缆或光纤连接，所述光缆中光纤的数量包含但不限于1根或2根，光路模块3和光纤传感环通过1根光纤连接。
26.采集单元1包含但不限于光源11、耦合器12、第一光电探测器161、第二光电探测器162以及信号处理器17。
27.光路模块3包含但不限于起偏器13，分束器31和偏振分光器14。
28.耦合器12包括但不限于分束器、光环行器、2
×
2耦合器的至少一种。分束器31包括但不限于保偏光纤分束器或保偏光纤耦合器的至少一种。
29.设分束器31左侧2个端口自上而下分别为第一端、第二端，右侧一个端口为第三端，可选的，分束器右侧还可以有另一端口为第四端。耦合器12左侧2个端口自上而下分别为第一端、第二端，右侧2个端口自上而下分别为第三端、第四端。
30.起偏器13的一端与采集单元1的耦合器12第三端相连，起偏器13另一端与分束器31的第一端相连，分束器31的右侧第三端与偏振分光器14相连。分束器31的第二端与采集单元1的第二探测器162相连。
31.耦合器12的第一端连接光源11，耦合器12的第二端连接第一探测器161相连。
32.耦合器12的第四端可以空置，也可以连接到采集单元1的另外的光电探测器(图2
中未画出)上。
33.光纤传感环2包括λ/4波片21、传感光纤22、faraday(法拉第)旋转反射镜25。
34.λ/4波片21与分束器31右侧的第三端连接，包括但不限于熔接。传感光纤22连接λ/4波片21，包括但不限于熔接。法拉第(faraday)旋转反射镜25位于传感光纤22的末端，反射两正交圆偏光，使其返回并沿传感光纤22传输。
35.法拉第旋转反射镜25包含但不限于准直透镜、法拉第旋转器和反射镜。优选地，一个单程中法拉第旋转器将偏振光的偏振面旋转22.5
°
。
36.可选地，信号处理器7还包括驱动电路，以驱动光源11发光。
37.可选地，本技术实施例中采集单元1除光源11、耦合器12、第一光电探测器161、第二光电探测器162以及信号处理器17之外，还可以包含光路模块5，其中光路模块5包含光路模块3中一个或多个光学器件。可选地：光路模块5也可以包含采集单元1的一或多个光学器件，这些器件包含光源11、耦合器12和第一光电探测器161以及第一光电探测器162。
38.光学电流互感器的具体工作过程如下：信号处理器的驱动电路驱动光源11发光。耦合器12将光导出到耦合器12的第三端。光经过耦合器12后进入起偏器13，产生线偏光。线偏光通过分束器31后，经过偏振分光器14，分成传播方向相同的两束入射正交线偏光。两入射正交线偏光经过光纤传感环2的λ/4波片21后，输出两正交圆偏光。两正交圆偏光沿光纤传感环2的传感光纤22传输，由于法拉第效应，在传感光纤22中，两正交圆偏光一个传播速度变快，另一个传播速度变慢，从而产生相位差。两正交圆偏光在传感光纤22的末端被法拉第旋转反射镜25反射后，设法拉第旋转器的旋转角为θ，两正交圆偏光产生相位差为2θ，由于反射镜的作用，两正交圆偏光的偏振模式互换，左旋圆偏光变成右旋圆偏光，右旋圆偏光变成左旋圆偏光，并沿原路返回。
39.两返回正交圆偏光返回时一次电流的磁场方向不变，而两返回正交圆偏振光的传播方向改变且偏振态变化，所以法拉第效应产生的相位差会加倍，同时法拉第旋转器引入的相位差也会加倍。再次经过光纤传感环2的λ/4波片21后变成两返回正交线偏光，且相对前进过程中偏振方向互换。两返回正交线偏光经过偏振分光器14后变成合束偏振光，所述合束偏振光经过分束器31后被分成两束分开传播的正交线偏光，分束器31的第一端输出一束线偏振光到达起偏器13后被检偏、分束器31的第二端输出另一束偏振光，到达采集单元的第二光电探测器162。到达第二光电探测器162的信号为第二干涉光信号。其中分束器31和第二光电探测器162之间也可以接入一个偏振器来加入检偏功能。起偏器13返回的检偏光成为第一干涉光信号，返回到耦合器12的第三端后，通过耦合器12的第二端返回到第一光电探测器161。
40.第一光电探测器161对第一干涉光信号进行光电转换，输出第一电信号。第二光电探测器162对第二干涉光信号进行光电转换，输出第二电信号。信号处理电路17接收并解调处理第一电信号、第二电信号，基于第一电信号、第二电信号，确定位于光纤传感环2中的一次导体的被测电流。
41.从偏振分光器14输出的偏振光x光和y光，返回偏振分光器14时y光和x光，二者偏振态互换，整个干涉光路系统的光路通道是互易的。
42.自偏振分光器14之后整个干涉光路系统的光路通道是互易的，两束正交偏振光通过的路径一样，光路系统具有良好的互易性和很强的抗干扰能力。振动、应力和温度等环境
因素对光学电流互感器影响基本可以消除。
43.返回到第一光电探测器161的光信号为：
[0044][0045]
其中i0为整个干涉光路系统的归一化光强，与光源的输出光强、光路系统的光学器件：耦合器、分束器以及传感环的损耗有关；v为传感光纤的verdet常数，n为光纤传感环的缠绕匝数，i为一次导体24中的被测电流，θ为法拉第旋转器的旋转角，k1为与所述耦合器12和所述分束器31第一端的插入损耗相关的系数。
[0046]
由于第一光电探测器161和第二光电探测器162对应的分束器31端口输出光的偏振方向正交，第一光电探测器161和第二光电探测器162信号i1和i2变化是反向的，返回到第二光电探测器162为：
[0047][0048]
其中k2为与所述分束器31第二端的插入损耗相关的系数。
[0049]
当法拉第旋转器的旋转角θ＝22.5
°
时，第一光电探测器161和第二光电探测器162信号分别变为：
[0050][0051][0052]
此时实现了光强的最大调制深度，互感器系统具有最大的灵敏度。根据两个光电探测器信号，通过解调算法，可以准确地得到一次电流信息，同时可以消除系统光功率波动、电磁干扰的影响、减小振动和温度等外部干扰因素的影响。
[0053]
求解一次电流的解调算法包含但不限于如下所述算法：
[0054]
1.进行归一化处理后，式(3)和式(4)之和可得到系统的光强的参数：
[0055]
k1k2i0＝k2i1 k1i2ꢀꢀ
(5)
[0056]
2.进行归一化处理后，式(3)和式(4)之差可得到与电流相关的变化信号：
[0057]
k2i
1-k1i2＝k1k2i0cos(4vni 4θ)＝k1k2i0sin(4vni)
ꢀꢀ
(6)
[0058]
3.根据式(5)和式(6)，可以得到一次电流信息：
[0059][0060]
值得注意的是，本技术实施例中的λ/4波片21也可以是半波片，此时进入光纤传感环的所述传感光纤的两束光变为正交线偏光。所述两正交线偏光往返经过传感光纤和法拉第旋转反射镜的过程中，电流使所述两正交线偏光产生法拉第偏转，所述光纤传感环的法拉第旋转反射镜也对两束线偏振光引入相位偏置4θ。电流信息也包含在所述第一干涉信号和所述第二干涉信号中，上述解调方法仍适用。
[0061]
如图1所示的全光纤电流互感器的光电探测器16接收到的光信号为：
[0062]
[0063]
其中是相位调制器引入的调制信号，即给系统引入一个偏置相位，使全光纤电流互感器的干涉系统工作在响应灵敏度较高的点上。
[0064]
而本技术的光学电流互感器的法拉第旋转反射镜25引入了无源的相位偏置，实现了类似全光纤电流互感器中的有源相位调制器的作用。
[0065]
本实施例提供的技术方案，针对全光纤电流互感器的成本高和相位调制器稳定性问题，提出一种成本低、可靠性高的光学电流互感器解决方案。采用分束器31以及带有法拉第旋转反射镜25的光纤传感环2构成了互易结构的光学电流互感器，光路系统中两束正交偏振光通过的路径一样，光路系统具有良好的互易性和很强的抗干扰能力，振动、应力和温度等环境因素对光学电流互感器影响基本可以消除，和商用的全光纤电流互感器一样具有良好的抗干扰能力。另外，通过法拉第旋转反射镜25引入无源的相位偏置使光学电流互感器系统工作在响应灵敏度较高的点上，提高系统的响应灵敏度，避免使用价格昂贵且可靠性不高的linbo相位调制器或者温度稳定性差的pzt相位调制器，光学电流互感器成本更低、可靠性高，且信号处理器17无需高频调制解调电路和相关解调算法或闭环解调算法，结构和信号获取更简单。
[0066]
以上对本技术实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本技术的思想，基于本技术的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本技术保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。