[发明专利]用于测量电力分配系统中的电流的光学传感器组件及方法

说明书

技术领域

本发明通常涉及用于测量电流的光学传感器组件，更具体地涉及用于感测电力分配系统的载流电缆中的电流水平和电压水平的光学传感器组件。

背景技术

已经采用各种传感器来测量载流电缆(诸如高压配电系统的载流电缆)中的电流。基于法拉第效应的光学电流传感器在本领域是已知的。使用环绕载流电缆的凸形玻璃或光纤电缆的光学电流传感器具有极高的动态范围，但是在安装时需要打开载流电缆，因此是昂贵的。

利用具有位于空气隙中的凸形光学器件的聚磁器的光学电流传感器在本领域也是已知的。一个这种实施方式在由Shuping Wang等人于2009年8月在SPIE会议上发布的题为“Use of Dual Frequency Excitation Method to Improve the Accuracy of an Optical Current Sensor(使用双频激励方法以提高光学电流传感器的精确度)”文章中有讨论。空气隙使磁性材料的温度灵敏度稳定，如Gunter B.Finke的出版物“Gapped Magnetic Core Structure(有间隙的磁芯结构)”，Magnetic Metal Corporation，Camden，New Jersey，08101中所讨论的。

然而，由于饱和度，聚磁器可限制动态范围。取决于应用，电气设施对电流传感器的动态范围具有各种要求。例如，对于测量和需求响应，约0到大于2倍额定电流的动态范围是可接受的。当要求故障检测时，类似于大于10倍额定电流的动态范围必须被实时地测量。为了评定电力质量，谐波的测量是关键，因此可能通常要求诸如～45至～6,000Hz的较高带宽。智能电网通过使用数字技术将电力从供电商输送至客户以节约电能，降低成本，并且增加可靠性和透明度。尤其对于这种智能电网，公共事业和工业将要求相同的传感器用于多个目的。增加聚磁器的空气隙可能增加饱和度，但是也可能增加对邻近场的灵敏度。可用的材料的方法使聚磁器具有分布式空气隙，该分布式空气隙能够增加饱和度而不显著增加对邻近场的灵敏度。

传统的传感器通常分别针对不同的应用。例如电流和电压互感器用于计量并要求响应，而罗戈夫斯基线圈和霍尔效应装置用于故障定位和系统保护。全光纤或大电流传感器自然可用于所有应用，但是很贵并且不能夹到电缆上。

Woods等人的U.S.5892357公开了用于感测电场中的电压的电光电压传感器，传感器基于普克尔的电光效应。这要求传感器与电缆的简单且无接触的布置。

Blake的U.S.6,166,816描述了一个光源用于组合的光纤电流和电压传感器。但是，难以制造所公开的电流传感器的夹持版本。电气设施可在新装配或拆开载流电缆进行安装期间使用该传感器。

Ishiko等人的U.S.4,999,571描述了夹持式电流和电压传感器。该传感器使用包括线性滑动和旋转两部分过程进行附接。电压传感器是基于不接地的电容式分压器。传感器与地之间的虚拟电容建立参考地。虚拟电容随着大气(例如，湿度、灰尘)、移动导电块(例如，机动车辆)和来自相邻相和其它源的电磁干扰而变化。而且，传感器依赖于机械调节以进行精确读取。当对线路的电压被切断时，传感器必须连接至线路。在电流传感器中使用的晶体为石榴晶体，石榴晶体是温度敏感的。传感器还为电压传感器使用四分之一波片，该波片也是温度敏感的。

Ykymyshyn等人的U.S.7,279,870公开了根据与电子设备组合且由具有参考交流电压的源补偿的多个基于霍尔效应的半导体传感器来测量电流的方法。该方法要求将固态电子设备靠近电缆安装并且因此由于暴露于电缆上的瞬态和闪电效应而不那么可靠。

Bjorn的U.S.7,068,025教导了基于法拉第效应的简化传感器，该传感器涉及使偏振面的旋转与光束方向的磁场分量的强度成正比。安培定律使围绕导体的闭环的集成磁场与通过环的电流相关。Bjorn专利教导了仅对导体周围的一点进行采样的方法。该方法对相邻相位的磁场敏感，或对其它源的磁干扰敏感。为了补偿这些误差，通过比较读数与围绕导体的基准电流传感器来利用软件校正。当安装有变化时，这种补偿方法是不精确的。即使诸如附近车辆经过所带的风的普通因素都能使所测量的磁场的配置变化。

C.V Temple等人的U.S.2,709,800教导了一种电力故障检测器，该检测器允许机械调节聚磁器的空气隙以检测各种电流水平。该传感器仅用于检测故障电流。温度和振动可能将误差引入到这种形式的检测器的读数中。