本實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，屬于光纖傳感應用領域。

背景技術(shù)：

長期以來，電磁式互感器一直扮演著電力系統(tǒng)運行監(jiān)視的重要角色。變電站中測量監(jiān)視和保護控制依靠它來獲得測量、計量、保護所需的電流、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，如電氣絕緣薄弱、體積笨重、動態(tài)范圍小、存在鐵芯飽和、鐵磁諧振過電壓等。

隨著變電站自動化技術(shù)的深入發(fā)展，出現(xiàn)了一次、二次設備相互滲透、融合的新型智能化一次設備。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，就地集成繼電保護、測控功能，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備，可增強變電站自動化系統(tǒng)實時監(jiān)視和控制的可靠性、靈活性，降低建設和運行投資，方便維護。

電子式互感器包括無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源電子式互感器，在高壓端不存在電子元器件，無需供電，絕緣結(jié) 構(gòu)簡單，運行可靠，抗干擾能力強，無磁飽和和鐵磁諧振，具有體積小、動態(tài)測量范圍大、響應頻帶寬、可測交直流信號等優(yōu)點，成為現(xiàn)階段電力行業(yè)電流信號采集方案的研究熱點。

環(huán)境溫度是影響全光纖電流互感器測量準確度的主要因素。全光纖電流互感器的信號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償或光學器件互補償技術(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，不能實現(xiàn)溫度誤差的完全消除。采用光學無源溫度傳感器實現(xiàn)全光纖電流互感器的溫度補償方案，能夠根據(jù)全光纖電流互感器的實際溫度特性，消除環(huán)境溫度變化對全光纖電流互感器測量準確度的影響。

目前市場上成熟的光學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)原理復雜，價格昂貴等問題。

基于保偏光纖的溫度雙折射效應設計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，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)不同領域的遠距離溫度測量需求。采用保偏光纖溫度傳感器實現(xiàn)光纖電流互感器的溫度補償，通過光學器件、傳輸光纜及信號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)場布線及安裝的難度，降低系統(tǒng)成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型針對上述問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，設計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，實現(xiàn)全光纖電流互感器一次傳感頭部分的溫度測量，進而實現(xiàn)全光纖電流互感器的溫度補償。

本實用新型采用如下技術(shù)方案：

寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器及起偏器后，形成線偏振光。線偏振光以45°角進入相位調(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)制器采用直波導型相位調(diào)制器，信號處理器對相位調(diào)制器加入方波及階梯波相位調(diào)制信號，實現(xiàn)閉環(huán)控制，能夠解決系統(tǒng)的余弦敏感性和方向性問題，提高系統(tǒng)測量的線性度和動態(tài)范圍。兩束線偏光經(jīng)過λ/4波片后，分別變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，進入傳感光纖。傳感光纖的Faraday磁光效應使兩束圓偏光產(chǎn)生與被測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λ/4波片后，恢復為線偏振光。經(jīng)過起偏器后，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，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)過起偏器后成為線偏振光，進入保偏光纖，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，實現(xiàn)對入射光的反射。當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，溫度雙折射效應會改變傳感光纖中兩本征模的傳播常數(shù)差，從而導致本征模之間的位相差隨溫度變化。 信號處理單元采用特殊的信號解調(diào)及擬合算法，通過檢測因位相差引起的干涉場的能量變化，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殼體內(nèi)，可通過溫度探頭的溫度信息獲知同一溫度場內(nèi)電流傳感頭的溫度信息，進而實現(xiàn)全光纖電流互感器的溫度補償。

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及長度的保偏光纖。

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。

本實用新型的有益效果在于：

1.本實用新型設計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，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)不同領域的遠距離溫度測量需求。

2.本實用新型設計一種基于保偏光纖溫度傳感器的全光纖電流互感器，通過保偏光纖溫度傳感器實現(xiàn)全光纖電流互感器一次傳感頭部分的溫度測量，以較低成本實現(xiàn)全光纖電流互感器的遠距離溫度補償。

3.本實用新型設計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.本實用新型設計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)場的安裝、布線及保護難度。

附圖說明

圖1：本實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。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步的闡述。

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、光纖延時線7、信號處理器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與光纖延時線7的輸入端連接，光纖延時線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)過保偏光纖傳輸光纜11后，到達光纖λ/4波片12，分別變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，進入光纖電流傳感環(huán)13，光纖電流傳感環(huán)13纏繞在一次導體外感應被測電流產(chǎn)生的磁場，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，并再次穿過光纖電流傳感環(huán)13，然后經(jīng)過光纖λ/4波片12后，恢復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送往信號處理器8的輸入端口81，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后，解調(diào)出被測電流信息。為了解決系統(tǒng)的余弦敏感性和方向性的問題，提高系統(tǒng)的線性度和動態(tài)范圍，系統(tǒng)采用閉環(huán)方波調(diào)制解調(diào)方式，信號處理器8通過輸出端口84將方波及階梯波調(diào)制信號送往相位調(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，通過階梯波引入反饋補償相移，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，可得光電探測器輸入的光強信號：

$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，N為傳感光纖匝數(shù)，V為傳感光纖的費爾德(Verdet)常數(shù)，I為被測電流。Φ_s、Φ_l分別是加入的方波和階梯波調(diào)制相移。δ為對軸角度誤差、波片長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與PD輸出信號進行相關(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)生反饋補償相移Ф_l，使得I_diff＝0，可得：

φ_l＝-4VNI(1+δ) (3)

補償相移Ф_l即為解調(diào)輸出。

1×3分束器3的輸出端口32與信號處理器8的輸入端口82連接，用于監(jiān)測寬譜光源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由不同拍長及長度的保偏光纖構(gòu)成，當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，溫度的雙折射效應會改變溫度傳感光纖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，實現(xiàn)對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送往信號處理器8的輸入端口83，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后，解調(diào)出被測溫度信息。

將溫度傳感光纖15與光纖電流傳感環(huán)13集成在一個殼體內(nèi)，可通過溫度傳感光纖15探測到的溫度信息獲知同一溫度場內(nèi)光纖電流傳感環(huán)13的溫度信息，進而實現(xiàn)全光纖電流互感器的溫度補償。

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，可得光電探測器輸入的光強信號：

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。

由于溫度變化，導致光在快、慢軸方向上的傳播常數(shù)差發(fā)生變化，通過對輸出光強I_out的探測，可得溫度變化信息。