[發明專利]一種傳感光纖環以及Sagnac式全光纖電流互感器

有效

• 申請號: 201210560126.5
• 申請日: 2012-12-20
• 公開（公告）號: CN103048512A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 王英利;徐金濤;康夢華;劉尚波;石念寶
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G01R15/24
• 分類號: G01R15/24;G01R19/00;G02B6/024;G02B6/255
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 陳廣民

技術領域

本發明涉及一種傳感光纖結構及其制作方法，以及采用該種傳感光纖的Sagnac式全光纖電流互感器。

背景技術

隨著電力系統中電網電壓等級的不斷提高、容量不斷增大以及智能電網的信息化、數字化、自動化、互動化的要求，傳統電流互感器已經逐漸暴露出嚴重缺陷，而且越來越不能滿足電力系統的發展要求，因此光學電流互感器的研究已經迫在眉睫。利用磁光玻璃拉制成的磁光玻璃光纖制作新型的全光纖電流互感器，是以法拉第（Frarday）效應為基礎，可在一定程度上克服傳統電流互感器的缺點，必將逐步取代傳統的電流互感器而成為電網監測的最主要手段之一。全光纖電流互感器的原理是基于光的法拉第效應（FaradayEffect），即在被測電流導體的外部環繞適當圈數的光纖，當有電流流過導體時，其周圍產生的磁場將使得光纖內傳輸光波的偏振方向發生變化。可表述為其中，H是被傳感的磁場，L是磁場內傳感光纖的長度，V為傳感光纖的費爾德（Verdet）系數，θ為光纖內光波電場偏轉的角度。

目前國內有多家單位從事光纖電流互感器的研究，盡管個別企業的光纖電流互感器已經進入了生產和掛網運行階段，但產品性能的重復性和長期穩定性還面臨著嚴峻的考驗。超低折射光纖在被彎曲做成傳感光纖環后，產生了額外的線雙折射，而這種線雙折射強烈依賴于溫度等環境因素，加上光纖本身易受振動等因素的影響，所傳輸的光偏振特性極不穩定，因此適合于全光纖電流互感器用的傳感光纖是光纖電流互感器的研究的關鍵。

已有的反射式全光纖電流互感器中的傳感光纖，如申請號為200910262107.2的中國實用新型專利中提到，材料為線雙折射保偏光纖，依次存在一段不旋轉段、一段起轉段（螺旋速率上升段）和一段勻速旋轉段以及反射鏡。但是光纖各部分的旋轉度不同，不同位置的費爾德（Verdet）系數不盡相同。在長度為L的起轉段內，各位置點上的費爾德系數均不相同，而是沿著光纖螺旋增加方向緩慢增加，所以公式就變為其中H是被傳感的磁場，L是磁場內傳感光纖的長度，V為傳感光纖的費爾德系數，θ為光纖內光波電場偏轉的角度。因為費爾德系數依賴于傳感光纖中的位置，當導電線處于傳感光纖周圍的不同位置時，由此得到的相位變化將會不同。這就使得該傳感光纖受電流導線的位置影響，因而不具備良好的抗干擾能力，不適用于實際應用。

申請號為201120417236.7的中國實用新型專利設計了一種傳感光纖環，解決了前述專利（申請號為200910262107.2）的傳感光纖對空間位置敏感的問題，但是該專利仍存在一些不可忽視的問題。

由于電流導線置于所述光纖環內的任意位置，所以傳感光纖上各點對電流引起的溫度變化不相同，由于傳感光纖本身對溫度較為敏感，這將引入一定的相位誤差。抗干擾性和穩定度很難保證。

其次，該專利的光纖電流互感器是一種Sagnac式光纖電流互感器。Sagnac式光纖電流互感器既具有電流傳感器的特點又具有Sagnac式傳感器的特點，也就是說，這種傳感器既能敏感電流又能敏感Sagnac效應。Sagnac效應是指，當光束在一個環形通道中前進時，如果這個環形通道是轉動的，沿著通道轉動的方向前進所需要的時間比沿著通道轉動相反的方向前進所需要的時間多，兩束光會產生光程差，光程差大小與環形通道轉速成正比。由此可知，Sagnac式傳感器是一種角速度傳感器，對振動或轉動非常敏感。高壓線路分布在室外，由于刮風或振動，高壓導線會晃動，從而引起電流互感器傳感部分振動，Sagnac式光纖電流傳感器傳感部分敏感到振動，輸出隨之發生變化。因為這種缺陷，Sagnac式傳感器輸出變化無法分清是外界環境影響還是高壓導線中電流本身的變化，嚴重影響了電流互感器的測量準確性，無法實用。

發明內容

本發明提供了一種傳感光纖環以及基于該傳感光纖環的全光纖電流互感器。該傳感光纖環通過本發明特殊的傳感光纖及其繞制結構提高了全光纖電流互感器系統的集成度，避免了λ/4波片性能對全光纖電流互感器測量的影響；同時消除Sagnac效應引起全光纖電流互感器的測量誤差，解決了全光纖電流互感器普遍存在的技術難題。

為實現以上發明目的，本發明提供以下技術方案。

一種傳感光纖環，包括扭光纖和線圈骨架，所述扭光纖是由線保偏光纖扭轉而成，按照扭轉速率依次包括起旋轉段、勻速旋轉段以及降速旋轉段；所述起旋轉段和降速旋轉段沿光纖整體方向為對稱結構（即兩者長度相等而且旋轉速率對稱相等），其中，勻速旋轉段的長度占總長度的60%至90%；其特征在于：