一種高精度高可靠全光纖電流互感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于全光纖電流互感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高精度高可靠全光纖電流互感器。
【背景技術(shù)】
[0002]智能電網(wǎng)建設(shè)是我國“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)培育的七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。數(shù)字化變電站是構(gòu)成智能電網(wǎng)的主要組成部分。在國家電網(wǎng)《建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)》的規(guī)劃中，將在2020年形成“五縱六橫”特高壓輸電骨干網(wǎng)架，全面建成堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)，使電網(wǎng)的資源配置能力、安全水平、運(yùn)行效率、用戶之間互動性顯著提高。
[0003]在智能電網(wǎng)中，“先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)”是關(guān)鍵技術(shù)之一，電流互感器已成為智能變電站建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備。隨著電力系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓等級的不斷提高、容量不斷增大以及智能電網(wǎng)的信息化、數(shù)字化、自動化、互動化的要求，傳統(tǒng)電磁式的電流傳感器由于存在磁飽和，難以實(shí)現(xiàn)大電流在大范圍內(nèi)的精確測量，并且需要消耗大量的銅、鋁等有色金屬材料，運(yùn)行過程中能耗量巨大。全光纖電流互感器具有測量精度高、動態(tài)范圍大、無磁滯飽和、體積小、高壓部分無需供電、全數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，在智能變電站、高壓直流輸電工程中得到廣泛應(yīng)用。
[0004]全光纖電流互感器是基于Ampere環(huán)路定律和磁光Faraday效應(yīng)進(jìn)行電流測量，通過檢測布置在載流導(dǎo)體周圍的光纖中傳輸?shù)膬墒窆忾g形成的相位差大小，以間接地測量電流值。它主要由光路系統(tǒng)和信號處理單元構(gòu)成，光路系統(tǒng)必不可少的器件包括:光源、耦合器(或環(huán)形器)、起偏器、集成光學(xué)相位調(diào)制器、保偏延遲光纜、傳感環(huán)圈以及光電探測翌坐-nfr ο
[0005]目前，全光纖電流互感器在實(shí)際應(yīng)用過程中暴露了許多問題:其光源發(fā)光波長隨溫度變化、輸出功率不穩(wěn)定、光源強(qiáng)度噪聲、系統(tǒng)隨外界環(huán)境溫度的測量精度變化、小電流測量精度差、運(yùn)行的可靠性不高對保護(hù)和測量等二次應(yīng)用帶來的影響，可能導(dǎo)致保護(hù)的閉鎖，動作值的誤差，這成為影響全光纖電流互感器應(yīng)用推廣的關(guān)鍵因素。
[0006]因此，亟需研制一種高精度、高可靠的全光纖電流互感器，從而提高全光纖電流互感器全溫測量精度和小電流測量精度，同時(shí)提高系統(tǒng)的全溫測量精度和可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高精度、高可靠的全光纖電流互感器，通過設(shè)計(jì)來有效控制SLD光源功率衰減和中心波長的漂移現(xiàn)象，抑制光源強(qiáng)度噪聲，以提高全光纖電流互感器全溫測量精度和小電流測量精度；通過采用光源冗余設(shè)計(jì)和傳感環(huán)圈制作精密控制技術(shù)，以提高系統(tǒng)的全溫測量精度和可靠性。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0009]一種高精度高可靠全光纖電流互感器，包括光路系統(tǒng)單元和信號處理單元；光路系統(tǒng)單元包括光源單元、第二單模耦合器、起偏器、消偏頭、直波導(dǎo)相位調(diào)制器、保偏延遲光纖、傳感環(huán)圈；上述光路系統(tǒng)單元中各器件單元依次連接，其中起偏器的尾纖與消偏頭入纖以45°對軸熔接，其余器件尾纖和相鄰器件入纖以0°對軸熔接；第二單模耦合器連接有參數(shù)指標(biāo)相同的第一光電探測器和第二光電探測器，第一光電探測器和第二光電探測器的輸出端連接至信號處理單元的輸入端，信號處理單元的輸出端與直波導(dǎo)相位調(diào)制器連接構(gòu)成數(shù)字閉環(huán)；
[0010]光源單元發(fā)出的光經(jīng)過第二單模耦合器、起偏器、消偏頭后，分成兩束正交的線偏振光，兩束正交的線偏振光經(jīng)直波導(dǎo)相位調(diào)制器后進(jìn)入保偏延遲光纖，線偏振光以45°光纖熔接點(diǎn)注入到保偏延遲光纖的快軸和慢軸傳播，之后兩束正交的線偏振光進(jìn)入傳感環(huán)圈；傳感環(huán)圈包括依次連接的λ/4光纖波片、傳感光纖、反射鏡；其中傳感光纖是低雙折射單模光纖，螺旋纏繞在刻有凹槽的環(huán)形石英玻璃骨架上；傳感環(huán)圈中傳播的兩束正交的線偏振光由λ /4光纖波片轉(zhuǎn)換為兩束正交的圓偏振光并進(jìn)入傳感光纖,在導(dǎo)線內(nèi)電流產(chǎn)生磁場的Faraday磁光效應(yīng)作用下,兩束圓偏振光的傳播速度不同,產(chǎn)生Faraday相差,經(jīng)反射鏡發(fā)生鏡面反射后兩束圓偏振光沿原光路返回，同時(shí)Faraday相移加倍，并再次由λ/4光纖波片轉(zhuǎn)換為兩束模式互換的正交線偏振光，沿保偏光纖快軸傳輸?shù)木€偏光此時(shí)沿慢軸傳輸，原來沿保偏光纖慢軸傳輸?shù)木€偏光此時(shí)沿快軸傳輸；最終，攜帶Faraday效應(yīng)相位信息的兩束光在起偏器處發(fā)生干涉，然后由第二單模耦合器耦合進(jìn)第一光電探測器和第一光電探測器；
[0011]信號處理單元包括光源噪聲抑制單元、相位解調(diào)電路和相位調(diào)制驅(qū)動電路；光源噪聲抑制單元采用數(shù)字電路相減法在FPGA中實(shí)現(xiàn)，抑制光源強(qiáng)度噪聲；第一光電探測器中的光電流依次經(jīng)過第一前置放大器放大，再通過第一濾波器濾波后進(jìn)入第一 A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將包含了電流信息和光源強(qiáng)度噪聲的信息輸入至數(shù)字相減電路；第二光電探測器中的光電流經(jīng)過第二前置放大器、第二濾波器、第二 A/D轉(zhuǎn)換器后，將只包含光源強(qiáng)度噪聲的信息輸入至數(shù)字相減電路；兩路信號在數(shù)字相減電路中進(jìn)行相減，去除光源強(qiáng)度噪聲的影響，只包含電流信息，然后通過相位解調(diào)電路和相位調(diào)制驅(qū)動電路分別進(jìn)行相位調(diào)制解調(diào)，實(shí)現(xiàn)全光纖電流互感器的閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)輸出，得到實(shí)測的電流值大小和相位值。
[0012]進(jìn)一步的，如上所述的一種高精度高可靠全光纖電流互感器，所述光源單元采用有源光學(xué)器件冗余設(shè)計(jì)方法，包括主光源SLD、備用光源SLD、主光源驅(qū)動電路、備用光源驅(qū)動電路、第一單模稱合器、偏振光合束器；兩個(gè)波長和功率一致的主光源SLD、備用光源SLD提供驅(qū)動電流，分別連接至第一單模耦合器的兩個(gè)輸入端，第一單模耦合器的輸出端分別連接偏振光合束器的兩個(gè)輸入端，偏振光合束器的輸出端連接第二單模I禹合器，提供輸出光；通過主光源驅(qū)動電路和備用光源驅(qū)動電路的驅(qū)動電流實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光源的功率。
[0013]進(jìn)一步的，如上所述的一種高精度高可靠全光纖電流互感器，主光源SLD提供80?10mA的驅(qū)動電流，備用光源SLD提供5?1mA的驅(qū)動電流。
[0014]進(jìn)一步的，如上所述的一種高精度高可靠全光纖電流互感器，λ/4光纖波片采用溫度系數(shù)為-0.022° /°C的橢芯保偏光纖制作，λ /4光纖波片的相位延遲與溫度之間為線性關(guān)系，隨溫度升高而減小，變溫過程中λ/4光纖波片相位延遲始終大于90°。
[0015]進(jìn)一步的，如上所述的一種高精度高可靠全光纖電流互感器，傳感光纖的Verdet常數(shù)具有正溫度系數(shù)，λ/4光纖波片在常溫下的相位延遲為95.0°?104.8°，λ/4光纖波片的相位延遲對互感器變比的影響和傳感光纖15的Verdet常數(shù)隨溫度變化造成的影響相反，二者相互補(bǔ)償。
[0016]進(jìn)一步的，如上所述的一種高精度高可靠全光纖電流互感器，所述傳感光纖圈數(shù)大于25阻。
[0017]進(jìn)一步的，如上所述的一種高精度高可靠全光纖電流互感器，環(huán)形石英玻璃骨架均分為6段，每段刻上25個(gè)斜凹槽，各段中的斜凹槽依次排序，首尾相連，凹槽深度為0.25mm,寬度為0.25mm,每段中兩凹槽距離0.1mm ;傳感光纖15沿著凹槽32依次螺旋繞在環(huán)形玻璃骨架31上，控制張力為30g。
[0018]本發(fā)明技術(shù)方案的設(shè)計(jì)特征及其帶來的有益效果如下:
[0019](I)本發(fā)明采用了有源光學(xué)器件的冗余設(shè)計(jì)方法，利用主光源SLD和備用光源SLD同時(shí)工作，通過調(diào)節(jié)主光源驅(qū)動電路和備用光源驅(qū)動電路的驅(qū)動電流，可以使光源單元的輸出光功率更穩(wěn)定，提高了光源平均波長的穩(wěn)定性。通過備用光源SLD提高了光源的可靠性，預(yù)防因主光源SLD老化或損壞造成系統(tǒng)無法工作，提高了光路系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定可靠性。
[0020](2)本發(fā)明在光路系統(tǒng)中增加了消偏頭，提高了光的偏振態(tài)特性，消除了光路偏振態(tài)易受外界溫度、振動等因素引起的偏振光交叉耦合，提高了光路系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度。
[0021](3)本發(fā)明數(shù)字信號處理單元利用第二單模耦合器的兩個(gè)輸出端輸出光的相關(guān)性，將兩束光轉(zhuǎn)換為電信號送入信號處理單元，利用數(shù)字電路相減法實(shí)現(xiàn)光源強(qiáng)度噪聲的抑制，提高了信噪比，提高了系統(tǒng)的測量精度。
[0022](4)本發(fā)明中傳感環(huán)圈的傳感光纖采用低雙折射光纖，并將其螺旋纏繞在刻有凹槽的環(huán)形玻璃骨架上，引入圓雙折射，有效抑制了傳感光纖的線性雙折射隨溫度變化造成的影響；玻璃骨架上的凹槽可防止傳感光纖在環(huán)形玻璃骨架上錯(cuò)位移動，提高了傳感環(huán)圈的穩(wěn)定可靠性。
[0023](5)本發(fā)明中傳感環(huán)圈的λ/4光纖波片采用溫度系數(shù)為-0.022° /°C的橢圓芯保偏光纖制作，利用全光纖電流互感器變比溫度誤差自動補(bǔ)償技術(shù)，使用含有微位移控制機(jī)構(gòu)的光纖切割刀精密控制光纖波片的長度，即控制波片相位延遲，使低雙折射光纖Verdet常數(shù)和波片相位延遲隨溫度變化造成的變比誤差相互補(bǔ)償，從而提高系統(tǒng)的全溫測量精度。
【附圖說明】
[0024]圖1是全光纖電流互感器的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0025]圖2是全光纖電流互感器信號處理單元的原理框圖；
[0026]圖3是全光纖電流互感器傳感環(huán)圈結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖中:1 一光源單兀，2 —光路系統(tǒng)單兀，3 —主光源SLD, 4 —備用光源SLD, 5 —主光源驅(qū)動電路，6 —備用光源驅(qū)動電路，7 —第一單模耦合器，8 —偏振光合束器，9 一第二單模耦合器，10 一起偏器，11 一消偏頭，12 一直波導(dǎo)相位調(diào)制器，13 一保偏延遲光纖，14 -λ /4光纖波片，15 一傳感光纖，16 一反射鏡，17 一傳感環(huán)圈，18 一第一光電探測器,19 —第二光電探測器，20 一信號處理單兀,21 一光源噪聲抑制單兀,22 一第一前置放大器,23 一第二前置放大器，24 一第一濾波器,25 一第二濾波器,26 一第一 A/D轉(zhuǎn)換器,27 一第二 A/D轉(zhuǎn)換器，28 —數(shù)字相減電路，29 —相位解調(diào)電路，30 —相位調(diào)制驅(qū)動電路，31 —環(huán)形石英玻璃骨架，32 —凹槽。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0029]本發(fā)明中所述的高精度高可靠全光纖電流互感器是基于Ampere環(huán)路定律和磁光Faraday效應(yīng)進(jìn)行電流測量，通過檢測布置在載流導(dǎo)體周圍的光纖中傳輸?shù)膬墒窆忾g形成的相位差大小，以間接地測量電流值。
[0030]如圖1所示，本發(fā)明由光路系統(tǒng)單元2和數(shù)字信號處理單元20組成。光路系統(tǒng)單兀2中的光源單兀I發(fā)出的光經(jīng)過第一單模稱合器7,其分光比為50:50,其中一束光經(jīng)過起偏器10后，隨即分成兩束正交的線偏振光，兩束正交的線偏振光經(jīng)45°光纖熔接點(diǎn)注入到保偏光纖的快、慢軸，依次經(jīng)過消偏頭11、直波導(dǎo)相位調(diào)制器12后沿保偏延遲光纖13的兩個(gè)正交模式傳輸至傳感環(huán)圈17。在λ/4光纖波片14處,兩束線偏振光分別轉(zhuǎn)