阅读说明：本技术 一种测量三相高压导线电流强度的光纤传感系统 (Optical fiber sensing system for measuring current intensity of three-phase high-voltage conductor ) 是由 周齐 姜淳 华卫 蒋朝开 黎红 鄔豪 史显河 张朋 于 2020-06-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及高压输电线路中的电流检测技术领域,公开了一种测量三相高压导线电流强度的光纤传感系统,包括光源、分波器、法拉第波导模块、解调器和数据处理终端,法拉第波导模块为三个,分别设置于三相高压导线的每一条高压导线的同一位置上；三个不同波长的检测光,分别输入到三相输电导线的三条输电导线上的法拉第波导模块中,再输出到解调器中,将信号光转变成电信号,输入数据处理终端通过马吕斯定理和法拉第磁光效应计算得到每一条输电导线测试点上受到三条输电导线的总磁场,并通过毕奥-萨伐尔定理计算得到每一条输电导线上的电流强度。解决了如何降低传感器成本和减小传感器体积,消除外来电磁干扰,实现三相输电导线电流检测的问题。(The invention relates to the technical field of current detection in a high-voltage transmission line, and discloses an optical fiber sensing system for measuring the current intensity of three-phase high-voltage wires, which comprises three light sources, a wave splitter, three Faraday waveguide modules, a demodulator and a data processing terminal, wherein the three Faraday waveguide modules are respectively arranged at the same position of each high-voltage wire of the three-phase high-voltage wires; the detection lights with three different wavelengths are respectively input into the Faraday waveguide modules on three transmission wires of the three-phase transmission wires and then output into the demodulator to convert the signal light into an electric signal, the input data processing terminal obtains the total magnetic field of the three transmission wires on each transmission wire test point through Malus 'theorem and Faraday magneto-optical effect calculation, and obtains the current intensity on each transmission wire through Biao-Saval's theorem calculation. The problem of how to reduce sensor cost and reduce the sensor volume, eliminate external electromagnetic interference, realize three-phase transmission line current detection is solved.)

一种测量三相高压导线电流强度的光纤传感系统

技术领域

本发明涉及高压输电线路中的电流检测技术，尤其涉及一种测量三相高压导线电流强度的光纤传感系统，利用光纤传感技术、信号处理技术采用接触式方法快速检测导线中电流，适用于高压输电线路电流的实时检测方法。

背景技术

目前现有的电流检测主要采用以下几种方案：

分流器：分流器通常用于低频率小幅值电流测量中，但当应用在高频率大幅值的电流测量中会产生较大的误差。

交流电流互感器：交流电流互感器的传感原理简单，精度较高。但是交流电流互感器仅适用于数千安培以内的交流电流测量。如果被测电流过大，则互感器的激磁电流不再忽略不计。

直流电流互感器：直流电流互感器利用被测直流的变化导致铁芯线圈产生感抗，从而间接改变辅助交流电路的电流来反映被测电流的大小。其缺点是体积较大、价格较高、需要外界电源的支持等。

霍尔电流传感器：霍尔电流传感器是一种常用的电流测量装置，它采用霍尔元件作为传感单元，通过被测电流产生的磁场的大小来实现对电流的测量，其应用于大电流的测量，但该器件存在体积大、重量重的缺点。

综上所述，现有的电流检测存在体积大、重量重、易受激磁电流干扰等技术缺陷，并且现有的电流检测只能测量单条输电导线上电流，无法测量各输电导线之间受到多条输电导线之间磁场相互影响的三相高压导线上的电流。

发明内容

针对上述问题，为了克服现有电流检测方法体积大、重量重、易受激磁电流干扰，并且无法测量各输电导线之间受到多条输电导线之间磁场互相影响的三相高压导线上的电流的缺点，本发明的目的在于提供一种测量三相高压导线电流强度的光纤传感系统，利用光纤本身能消除激磁电流影响的特点，采用带偏振片的法拉第光纤或法拉第介质波导，利用光纤或波导固有特性消除外来电磁干扰，达到降低成本和减小体积的目的，其具有消除外来电磁干扰，降低成本和减小体积，并且能够有效地实现三相高压输电线路的电流检测的优点。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种测量三相高压导线电流强度的光纤传感系统，包括光源、分波器、法拉第波导模块、解调器和数据处理终端，其中，所述法拉第波导模块为三个，分别设置于三相高压导线的每一条高压导线的同一位置上；

所述法拉第波导模块具体包括：输入光导纤维、输入透镜、输入偏振片、磁光材料、输出偏振片、输出透镜和输出光导纤维，其中所述磁光材料包括法拉第光纤和法拉第波导在内的任意一种形式；

所述光源通过光纤与所述分波器连接，所述分波器通过光纤与所述法拉第波导模块连接，所述法拉第波导模块通过光纤与所述解调器相连，进而所述解调器进一步与所述数据处理终端连接；

当测量所述三相输电导线上的电流时，所述光源发出检测光，所述检测光通过所述分波器后形成三个不同波长的所述检测光，三个不同波长的所述检测光分别通过所述输入光导纤维输入到所述三相输电导线的三条输电导线上的所述法拉第波导模块中，经过所述法拉第波导模块后，再通过所述输出光导纤维输出到所解调器中，将含有磁场强度的信号光转变成电信号，并转变成与所述数据处理终端通讯的格式后，输入所述数据处理终端中；所述数据处理终端，通过马吕斯定理和法拉第磁光效应计算得到每一条输电导线测试点上受到三条输电导线的总磁场，并通过毕奥-萨伐尔定理计算得到每一条输电导线上的电流强度。

进一步地，所述法拉第波导模块，具体的检测过程为：

每一个所述法拉第波导模块对应的波长的所述检测光作为入射光由所述输入光导纤维导入磁敏区，由所述输入透镜聚焦后经过所述输入偏振片变成线偏振光，入射到所述磁光材料中，所述入射光的偏振面发生偏转；

穿过所述磁光材料的所述入射光经过所述输出偏振片之后，所述入射光被所述输出透镜聚焦到所述输出光导纤维中；

所述入射光经过所述磁光材料之后，所述入射光的光强由输入强度I₀变为输出光强I₁。

进一步地，所述输入偏振片和所述输出偏振片的偏振方向互相垂直，测得的透射光的强度与光在磁光晶体中的偏振面旋转角成正比，与磁场强度沿晶体轴向的分量光强成正比。

进一步地，所述法拉第波导模块，还包括：玻璃管，用于将所述法拉第波导模块中包括所述输入透镜、所述输入偏振片、所述磁光材料、所述输出偏振片、所述输出透镜在内的结构包裹于所述玻璃管内。

进一步地，所述解调器上，还设置有探测器；

所述探测器，进一步包括二极管、前置放大电路和有源带通滤波装置；

所述二极管，用于将光信号转换成电信号；

所述前置放大处理电路，用于对电信号进行运算放大；

所述有源带通滤波，用于将电信号进行滤波，得到一个包含有磁场强度信息的电信号。

进一步地，所述数据处理终端，用于对解调器提供的电信号进行分析计算显示。

进一步地，通过马吕斯定理和法拉第磁光效应计算得到每一条输电导线测试点上受到三条输电导线的总磁场，并通过毕奥-萨伐尔定理计算得到每一条输电导线上的电流强度，具体为：

利用所述法拉第磁光效应，当线偏振光在介质中传播时，在平行于光的传播方向上输电线路产生一磁场，则光的振动方向将发生偏转，偏转角度θ_F与磁感应强度B和光穿越法拉第介质的长度d的乘积成正比：

θ_F＝VBd

比例系数V称为韦尔代(Verdet)常数，与介质性质及光波频率有关；

偏转角度θ_F通过测量信号输入光强I₀和所述带偏振片的法拉第光纤或波导所产生的受到磁场作用的光强I₁对比得到，根据马吕斯定理：

I₁＝I₀·sin²θ_F

由毕奥-萨伐尔定理可知，对于一根无限长直导线，在距离导线的垂直距离r处，垂直于导线的磁场强度为：

其中，μ₀为真空中的磁导率，4π×10^-7H/m；r为被测点距离导线轴心的距离，单位m；I为被测电流的大小，单位A；

对于一组水平方向的三相电无线长的直导线1，2，3，通过三根输电导线同方向上的电流大小分别为I₁，I₂，I₃，输电导线间距离为R，测试点距离导线1长度为r且测试点在导线1外侧的水平方向上。根据毕奥-萨伐尔定理可知，测试点受到导线1的磁场大小为：

当R＞＞r时，测试点受到导线2的磁场大小可近似为：

测试点受到导线3的磁场大小可近似为：

因此测试点受到的总磁场为:

整理可得：

同理，在距离导线2水平方向上r处且面向导线1方向的测试点受到的总磁场强度为：

整理可得：

同理，在距离导线3外侧水平方向上r处的测试点受到的总磁场强度为：

整理可得：

对整理后的两式解三元一次方程组可得：

由此可知，通过分别测得的三相电导线组的磁场强度B₁，B₂，B₃，高压直导线组之间的距离参数R和测试点距离直导线r，可计算出电流强度I₁，I₂,I₃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)通过建立一种三相高压导线电流强度的光纤传感系统，其特征在于，包括光源、分波器、法拉第波导模块、解调器和数据处理终端，其中，所述法拉第波导模块为三个，分别设置于三相高压导线的每一条高压导线的同一位置上；当测量所述三相输电导线上的电流时，所述光源发出检测光，所述检测光通过所述分波器后形成三个不同波长的所述检测光，三个不同波长的所述检测光分别通过所述输入光导纤维输入到所述三相输电导线的三条输电导线上的所述法拉第波导模块中，经过所述法拉第波导模块后，再通过所述输出光导纤维输出到所解调器中，将含有磁场强度的信号光转变成电信号，并转变成与所述数据处理终端通讯的格式后，输入所述数据处理终端中；所述数据处理终端，通过马吕斯定理和法拉第磁光效应计算得到每一条输电导线测试点上受到三条输电导线的总磁场，并通过毕奥-萨伐尔定理计算得到每一条输电导线上的电流强度。上述利用光纤或波导本身能消除激磁电流的优点，利用光纤或波导固有特性消除外来电磁干扰，达到降低成本和减小体积的目的，并且有效地实现了各输电导线之间受到多条输电导线之间磁场互相影响的三相高压输电线路的电流检测的目的。

(2)本发明优选的采用输入偏振片和输出偏振片互相垂直的方案，测得的透射光的强度与光在磁光晶体中的偏振面旋转角成正比，与磁场强度沿晶体轴向的分量光强成正比。且测量电流时，灵敏度更高，对磁场更加的敏感。

附图说明

图1是本发明的检测三相输电导线电流强度的光纤传感系统框架图。

图2是本发明的检测三相输电导线电流强度的法拉第波导模块安装示意图。

图3是带偏振片的法拉第波导的结构示意图。

图4是磁光效应原理图。

图5是本发明电流传感器放置在一组水平三相电高压直导线上测量的截面图。

图6是磁场强度B与偏转角θ_F之间的关系图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性工作前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种测量三相高压导线电流强度的光纤传感系统，包括光源、分波器、法拉第波导模块、解调器和数据处理终端，其中，所述法拉第波导模块为三个，分别设置于三相高压导线的每一条高压导线的同一位置上。如图2所示，为本发明法拉第波导模块安装于三相高压导线的每一条高压导线上的案子示意图。

如图3所示，所述法拉第波导模块具体包括：输入光导纤维、输入透镜、输入偏振片、磁光材料、输出偏振片、输出透镜和输出光导纤维，其中所述磁光材料包括法拉第光纤和法拉第波导在内的任意一种形式；

所述光源通过光纤与所述分波器连接，所述分波器通过光纤与所述法拉第波导模块连接，所述法拉第波导模块通过光纤与所述解调器相连，进而所述解调器进一步与所述数据处理终端连接；

当测量所述三相输电导线上的电流时，所述光源发出检测光，所述检测光通过所述分波器后形成三个不同波长的所述检测光，三个不同波长的所述检测光分别通过所述输入光导纤维输入到所述三相输电导线的三条输电导线上的所述法拉第波导模块中，经过所述法拉第波导模块后，再通过所述输出光导纤维输出到所解调器中，将含有磁场强度的信号光转变成电信号，并转变成与所述数据处理终端通讯的格式后，输入所述数据处理终端中；所述数据处理终端，通过马吕斯定理和法拉第磁光效应计算得到每一条输电导线测试点上受到三条输电导线的总磁场，并通过毕奥-萨伐尔定理计算得到每一条输电导线上的电流强度。

进一步地，所述法拉第波导模块，具体的检测过程为：

每一个所述法拉第波导模块对应的波长的所述检测光作为入射光由所述输入光导纤维导入磁敏区，由所述输入透镜聚焦后经过所述输入偏振片变成线偏振光，入射到所述磁光材料中，所述入射光的偏振面发生偏转；

穿过所述磁光材料的所述入射光经过所述输出偏振片之后，所述入射光被所述输出透镜聚焦到所述输出光导纤维中；

所述入射光经过所述磁光材料之后，所述入射光的光强由输入强度I₀变为输出光强I₁。

进一步地，所述输入偏振片和所述输出偏振片的偏振方向互相垂直，测得的透射光的强度与光在磁光晶体中的偏振面旋转角成正比，与磁场强度沿晶体轴向的分量光强成正比。

进一步地，所述法拉第波导模块，还包括：玻璃管，用于将所述法拉第波导模块中包括所述输入透镜、所述输入偏振片、所述磁光材料、所述输出偏振片、所述输出透镜在内的结构包裹于所述玻璃管内。

进一步地，所述解调器上，还设置有探测器；

所述探测器，进一步包括二极管、前置放大电路和有源带通滤波装置；

所述二极管，用于将光信号转换成电信号；

所述前置放大处理电路，用于对电信号进行运算放大；

所述有源带通滤波，用于将电信号进行滤波，得到一个包含有磁场强度信息的电信号。

具体地，探测器将光信号转换成电信号，得到一个包含有磁场强度的点信号。探测器把光信号转换成电信号，但光信号和电信号又非常微弱，所以要把电路设计成低噪音、高增益的放大电路。也就是把光电探测器接收到的微弱光信号转化为电信号，并进行运算放大，运算放大器的使用不仅放大了信号，也放大了噪声，并且放大器本身也会引入新的噪声，所以要经过有源带通滤波才能得到一个包含有磁场强度信息的信号。需要说明的是，上述电路的设计有很多实现方案，本实施例不在赘述。

进一步地，所述数据处理终端，用于对解调器提供的电信号进行分析计算显示。

进一步地，通过马吕斯定理和法拉第磁光效应(图4所示)计算得到每一条输电导线测试点上受到三条输电导线的总磁场，并通过毕奥-萨伐尔定理计算得到每一条输电导线上的电流强度，具体为：

利用所述法拉第磁光效应，当线偏振光在介质中传播时，在平行于光的传播方向上输电线路产生一磁场，则光的振动方向将发生偏转，偏转角度θ_F与磁感应强度B和光穿越法拉第介质的长度d的乘积成正比：

θ_F＝VBd

比例系数V称为韦尔代(Verdet)常数，与介质性质及光波频率有关；

偏转角度θ_F通过测量信号输入光强I₀和所述带偏振片的法拉第光纤或波导所产生的受到磁场作用的光强I₁对比得到，根据马吕斯定理：

I₁＝I₀·sin²θ_F

由毕奥-萨伐尔定理可知，对于一根无限长直导线，在距离导线的垂直距离r处，垂直于导线的磁场强度为：

其中，μ₀为真空中的磁导率，4π×10^-7H/m；r为被测点距离导线轴心的距离，单位m；I为被测电流的大小，单位A；

如图5所示，对于一组水平方向的三相电无线长的直导线1，2，3，通过三根输电导线同方向上的电流大小分别为I₁，I₂，I₃，输电导线间距离为R，测试点距离导线1长度为r且测试点在导线1外侧的水平方向上。根据毕奥-萨伐尔定理可知，测试点受到导线1的磁场大小为：

当R＞＞r时，测试点受到导线2的磁场大小可近似为：

测试点受到导线3的磁场大小可近似为：

因此测试点受到的总磁场为:

整理可得：

同理，在距离导线2水平方向上r处且面向导线1方向的测试点受到的总磁场强度为：

整理可得：

同理，在距离导线3外侧水平方向上r处的测试点受到的总磁场强度为：

整理可得：

对整理后的两式解三元一次方程组可得：

由此可知，通过分别测得的三相电导线组的磁场强度B₁，B₂，B₃，高压直导线组之间的距离参数R和测试点距离直导线r，可计算出电流强度I₁，I₂,I₃。

需要说明的是，如图5所示的三个法拉第波导的安装位置(将第一与第二个法拉第波导安装于导线的左侧，第三个法拉第波导安装于导线的右侧)，仅是一种举例，在实际安装的时候，可以在导线的任意位置安装法拉第波导，只需要保证三个法拉第波导位于三相高压导线的每一条高压导线的同一位置上即可。相应的，如果安装的位置不同，上述计算磁场的计算公式也需要做相应的调整。

实施例二

本实施例现考虑一组三相电高压直流导线上测量电流的实际情况，如图5所示。

带偏振片的法拉第波导使用65-wt％掺铽离子硅酸盐光纤作为法拉第光纤，长度d＝0.04m，Verdet常数为V＝32rad/(T·m)。

如图4所示，由法拉第磁光效应可知，当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一磁场，则光的振动方向将发生偏转，偏转角度θ_F与磁感应强度B和光穿越法拉第介质的长度d的乘积成正比：

θ_F＝VBd

在已知长度d和Verdet常数V的情况下，偏转角θ_F与磁场强度B之间的关系为：

θ_F＝VBd＝32rad/(T.m)·0.04m·B＝1.28B(rad)

其中磁场强度B的单位为特斯拉(T)。并且可知，磁场强度B与偏转角θ_F成正比：

B＝0.78θ_F

其中，偏转角θ_F可根据参考光强I₀和带偏振片的法拉第光纤产生的受到磁场作用的光强I₁对比得到，根据马吕斯定理可知：

I₁＝I₀·sin²θ_F

如图6所示，即可算出θ_F值大小，根据上述偏转角θ_F与磁场强度B之间的关系，可计算出磁场强度B的大小。

如图5所示，为三相高压直导线测电流的截面图，电流传感器中的带偏振片的法拉第波导距导线中心轴线的距离r＝0.01m，导线轴线之间的距离R＝1m。由毕奥-萨伐尔定律可知，对于一根无限长直导线，在距离导线的垂直距离r处，垂直于导线的磁场强度为：

其中，μ₀为真空中的磁导率，4π×10^-7H/m；r为被测点距离导线轴心的距离，单位m；I为被测电流的大小，单位A。

毕奥-萨伐尔定律应用在三相高压直导线中计算可得三根导线中电流大小I₁,I₂,I₃与对应导线传感器测量的磁场大小B₁,B₂,B₃之间的关系分别为：

代入本实施例中三相电具体数值可计算出三根导线电流I₁,I₂,I₃与电流传感器中带偏振片的法拉第波导受到的磁场大小B₁,B₂,B₃之间的关系为：

当安装在三相高压线上的电流传感器中带偏振片的法拉第波导受到的磁场强度分别为B₁＝0.04T,B₂＝0.03T,B₃＝0.04T时，测得三相电三根导线的电流分别为I₁＝1975.12A,I₂＝1500A,I₃＝1975.12A。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。