[发明专利]磁力耦合式光纤光栅大电流测量方法及装置

说明书

技术领域：

本发明属于光纤光栅传感技术领域，涉及一种磁场与力耦合的光纤布喇格光栅(FBG：fiber Bragg grating)大电流测量方法及装置。

背景技术：

电力工业属于国家经济发展的基础行业，在国家经济建设中有着举足轻重的地位。随着经济的迅猛发展，各个国家对电力的需求都在日益增加，导致电力系统中额定电压和额定电流等级逐年提高。电力工业中的电流与电压的测量有着非常重要的作用，它们提供了电力系统中用于计量、控制以及继电保护等所必需的信息。

传统的电磁式电流互感器在实际应用中起到了重大作用，但其仍存在着诸多缺陷，如，绝缘结构复杂、体积庞大、造价高；安全系数较低，存在铁磁共振、磁滞效应等。虽然不断有改进方案提出，如采取基于Bang-Bang控制的有源补偿双级电流互感器、使用倒立式一次绕组的电流互感器来消除漏磁对测量准确度的影响，以及基于自动补偿的零磁通电流互感器等来提高测量的精度、减小测量误差等，但没有改变电磁式电流互感器的固有缺陷。所以很多学者都在致力于光学电压电流互感器的设计和开发。

带Rogowski线圈的光学电流互感器是应用较早，发展也最成熟的一种光学电流传感器。根据Rogowski线圈输出的电流信号经积分环节转换为电压信号后处理方式的不同，带Rogowski线圈的光学电流互感器可分为：数模转换型、压频转换型、模拟型等。由于Rogowski线圈只能耦合交流信号，因此这种电流互感器是一种交流变换装置。这种电流互感器继承了电磁测量技术成熟、结构简单的特点，也融合了光电传输保真性能优越、安全等优点。另外，Rogowski线圈本身具有绝缘结构简单、无铁磁饱和、测量范围大以及频带宽等特点。但Rogowski线圈本身只能测量交变电流，而且需要另外供电，往往以一种光电混合式的光学电流互感器形式出现。

磁光式电流互感器(MOCT)一直受到广泛关注，MOCT按传感结构的不同大体可分为两类：一是全光纤型MOCT，传光与传感部分都采用光纤；二是混合型MOCT，光线传输采用光纤，而传感材料目前多采用的是块状光学玻璃晶体磁光材料。目前阻碍全光纤MOCT的实用化的主要问题是光纤存在双折射以及对振动等外界环境因素的敏感性，其中以光纤存在双折射最为关键。混合型闭合式MOCT的工作过程和原理与全光纤MOCT一样，所不同的是混合型闭环式MOCT采用的传感介质是磁光玻璃，且偏振光是在磁光玻璃内绕行载流导线一周或数周。这种电流互感器结构简单、灵敏度高。混合型集磁环式MOCT也是基于Faraday效应的，用块状磁光玻璃来做传感材料。但是，由于磁光玻璃材料加工难度大、易碎以及磁光玻璃材料因温度变化引起的应力双折射问题，它使线偏振光变成椭圆偏振光，进而产生不必要的光强变化，并引起误差限制磁光式电流互感器的实用化。随着光纤光栅的大范围推广应用，基于光纤光栅的电流传感器也成为研究的热点。主要应用以下三种方法进行光调制。磁致伸缩效应、电流热效应、磁场致悬臂梁拉伸效应。磁致伸缩效应，是指磁致伸缩材料在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大得多，是人们研究应用的主要对象，又称之为线磁致伸缩。但是磁致伸缩材料的不稳定特性限制了其实用化。电流热效应具体为在光栅上直接镀一层良导体金膜，利用电流加热产生的热效应使光纤光栅反射谱中心波长产生漂移。但是电流产生的温度容易受到外界温度的影响，以及温度变化是时间的函数，电流的快速变化不能够快速的反映到温度的变化上。国内余有龙等利用悬臂梁验证了光纤光栅电流传感的可能性。具体实施为在等腰三角形悬臂梁上贴上光纤光栅和通过电流的导线。通电导线在磁场中受到力的作用使悬臂梁发生应变，应变使光纤光栅布喇格波长产生漂移，但是由于悬臂梁容易受到外界扰动的干扰，导致结构的稳定性较差，恢复性不好，且测量过程中需要在导线中通电，没有彻底的实现无源测量。武汉理工大学的常瑞利用电磁力的原理，提出将高压大电流母线缠绕成单匝或双匝螺线管，产生吸引力，带动光纤光栅产生应变，并通过对光纤光栅波长的测量，实现对此待测大电流测量的方法，并使用多匝螺线管和小电流进行了模拟大电流测量，但是其实验装置螺线管并不适合大电流的直接测量。

发明内容：

本发明针对上述现有技术的不足：提供一种磁场与力耦合的光纤布喇格光栅大电流测量方法及装置。本发明的装置结构简单，本质绝缘，系统稳定性好，抗干扰能力强，干扰信号很容易通过后续软件方式处理。