CN101701978B - 高压、超高压输电线路上的电流检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种在高压、超高压输电线路上的电流检测装置，包括电流传感器、信号传输光纤、信号解调装置，其中电流传感器中有一个嵌有两块磁铁的动子，动子上固定了一根内部嵌有两段光纤光栅杆状弹性元件，杆状弹性元件的中点被固定住。该装置主要是利用电磁感应原理和光纤、光栅技术相结合将电流的变化转换成光信号，通过不导电的光纤传送到低电位端再进行安全检测。
Description
一、技术领域：本发明涉及一种在高压、超高压输电线路上的电流检测装置，主要指利用电磁感应原理和光纤、光栅技术相结合将电流的变化转换成光信号，通过不导电的光纤传送到低电位端再进行安全检测的装置。
二、背景技术：目前，公知的高压超高压输电线路上的光纤光栅电流检测装置的电流传感器是采用磁致伸缩材料，将光纤、光栅预埋在磁致伸缩棒中，将磁致伸缩棒置于由输电导线绕成的空心螺线管的中心。当输电导线上的电流发生变化时空心螺线管内的磁场强度会随之变化。空心螺线管内的磁场强度的变化导致磁致伸缩棒的长度变化，磁致伸缩棒的长度变化导致光纤光栅中的光栅距离发生变化，使得光纤光栅选频反射光的频率发生变化，通过检测光纤光栅反射光的频率的变化即可知道导线中电流的变化。这种装置的缺点是要把导线绕成一个空心螺线管，工艺比较复杂；且磁致伸缩棒不能区分磁场变化和温度变化引起的长度变化。
三、发明内容：
1、发明目的：本发明涉及一种高压、超高压输电线路上的电流检测装置，其目的在于克服现有光纤、光栅电流检测装置的不足，使电流传感装置不仅能感知输电导线的电流变化，同时还能感知环境温度的变化。
2、技术方案：本发明所述技术方案通过以下方式实现的：
高压、超高压输电线路上的电流检测装置，包括电流传感器、与电流传感器通过信号传输光纤连接的信号解调装置，其特征在于：所述电流传感器包括绝缘外壳，动子，杆状弹性元件，其中绝缘外壳带有用于容纳被测导线的U形槽，以及用于引出信号传输光纤的可密封光纤引出孔；动子安装在绝缘外壳内部，可以围绕绝缘外壳内部的一个转动轴转动；动子带有一个U形槽，并与绝缘外壳的U形槽相匹配；动子的U型槽两侧各镶嵌有一块永久磁铁，两块永久磁铁极性相反，且正好位于被测导线的横截面两侧；动子上连接有杆状弹性元件，杆状弹性元件的中点位置设有固定销。
杆状弹性元件中点位置的固定销固定在绝缘外壳上，且两端固定在动子上。
杆状弹性元件两端固定在支架上，杆状弹性元件中点位置的固定销与动子连接，支架固定绝缘外壳上。
转动轴与被测导线的轴线相平行。
杆状弹性元件的中点到转动轴的轴心的连线与杆状弹性元件的轴心相垂直。
信号传输光纤镶嵌在杆状弹性元件的内部，该信号传输光纤带有两段频率不同的布拉格光栅，且两段布拉格光栅分别位于杆状弹性元件左右两半的中间位置。
高压、超高压输电线路上的电流检测装置的检测方法，其特征在于：在被测导线的横截面的上下对称放置两块极性相反的永久磁铁，在两块永久磁铁之间就形成一个与被测导线相垂直并穿过被测导线的磁场；当穿过磁场的被测导线中有电流通过时，磁场将对被测导线产生一个作用力；把被测导线相对固定不动，这个作用力将被作用到两块永久磁铁上且大小相等，方向相反；因为两块永久磁铁镶嵌在动子上，则这个作用力通过永久磁铁作用在动子上；所以，当被测导线中有电流流过时，这个镶嵌有两块永久磁铁的动子就会在电流与磁铁间产生的电磁力的作用下产生转矩；这个转矩的大小与被测导线的电流为线性关系，从而通过测量转矩的大小得到输电线路上的电流值。
3、优点及效果：本发明的有益效果是，使用非电量测量的方法测量超高电压、超大电流导线的电流，同时又结构简单，降低成本。
四、附图说明：
图1是本发明的电流传感器一种结构的原理示意图；
图2是本发明的电流传感器另一种结构的原理示意图；
图3是本发明整体结构示意图。
五、具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行具体说明：
图1为本发明的电流传感器一种结构原理示意图，图2是本发明的电流传感器另一种结构的原理示意图，图3是本发明整体结构示意图，其中1为被测导线，2为绝缘外壳，3为永久磁铁，4为动子，5为动子转动轴，6为支架，7为弹性元件紧固螺丝，8为杆状弹性元件，9为固定销，10为电流传感器，11为信号传输光纤，12为信号解调装置。
如图1所示，绝缘外壳2带有用于容纳被测导线1的U形槽，以及用于引出光纤的可密封光纤引出孔；动子4安装在绝缘外壳2内部，可以围绕绝缘外壳2内部的一个转动轴5转动，转动轴5与被测导线1的轴线相平行，使得当被测导线1中有电流流过时，动子4在电磁力的驱动下可以绕该转动轴5转动；动子4带有一个U形槽，并与绝缘外壳2的U形槽相匹配；动子4的U型槽两侧各镶嵌有一块永久磁铁3，两块永久磁铁3极性相反，且正好位于被测导线1的横截面两侧，以便在被测导线周围形成一个磁场，使被测导线1穿过这个磁场；动子4上固定有杆状弹性元件8，杆状弹性元件8的中点位置有一个固定销9与绝缘外壳2上的一个固定销孔相匹配，杆状弹性元件8中点位置的固定销9固定在绝缘外壳2上，且两端固定在动子4上，杆状弹性元件8的中点到转动轴5的轴心的连线与杆状弹性元件8的轴心相垂直；杆状弹性元件8的内部镶嵌有信号传输光纤11，该信号传输光纤11带有两段频率不同的布拉格光栅，且两段布拉格光栅分别位于杆状弹性元件8左右两半的中间位置。
另一种结构如图2所示，其与图1的区别在于杆状弹性元件8两端固定在支架6上，杆状弹性元件8中点位置的固定销9与动子4连接，支架6固定绝缘外壳2上。
本发明所采用的技术方案是：在被测导线1的横截面的上下对称放置两块极性相反的永久磁铁3，在两块永久磁铁3之间就形成一个与被测导线1相垂直并穿过被测导线1的磁场。根据法拉第电磁感应定律，穿过磁场的导线，当导线中有电流通过时磁场将对导线产生一个作用力，力的方向依据左手定则，力的大小F＝B·L·I，其中F为电磁力，单位牛顿；B为磁场强度，单位特斯拉；L为穿过磁场部分的导线长度，单位米；I为导线中的电流，单位安培。如果把导线相对固定不动，根据作用力与反作用力原理，这个力将被作用到两块磁铁上且大小相等，方向相反。本方案中将两块永久磁铁3镶嵌在动子4上，动子4的旋转轴5与被测导线1的轴心平行，则这个力通过永久磁铁3作用在动子4上。当被测导线1中有电流流过时，这个镶嵌有两块永久磁铁3的动子4就会在被测导线1的电流与永久磁铁3间产生的电磁力的作用下产生转矩：
M＝l·F＝l·B·L·I
其中M为动子转矩，单位牛·米；l为动子旋转轴心与导线截面轴心的距离，单位米；B为磁场强度，单位特斯拉；L为穿过磁场部分的导线长度，单位米；I为导线中的电流，单位安培。假定动子4被固定住时被测导线1在磁场中的位置不发生变化，这个转矩的大小与被测导线1的电流为线性关系，从而通过测量转矩的大小得到输电线路上的电流值：
M＝K·I，
其中K＝l·B·L。
当被测导线1中通过的电流为交变电流时，动子4上受到的转矩也将随着电流变化。在这个动子4与被测导线1相对的另一面设有一个刚性的门型结构，在上面固定有一个杆状弹性元件8，在杆状弹性元件8的内部镶嵌一根信号传输光纤11，该信号传输光纤11有两段频率不同的布拉格光栅，其中布拉格光栅的原理和特性属公知技术，在此不予赘述。两段布拉格光栅分别被置于弹性元件8左右两半的中部。弹性元件8的中点被固定。当动子4的上部在电磁力的作用下向左摆动时，根据杠杆原理，动子4下部的门型结构就会带动弹性元件8向右摆动。由于弹性元件8的中点被固定，所以弹性元件8的左半受到压应力，而弹性元件8的右半受到拉应力，这将导致弹性元件8的左半被压缩，右半被拉伸；反之亦然。力的大小：
f＝M/j＝I·B·L·l/j＝k·I
其中k＝B·L·l/j；
j为弹性元件中点到动子转动轴之间的距离；
这种结构的特点是在一个力矩的作用下，弹性元件8的两端产生两种相反的形变，当被测导线1上通过50赫兹的交流电时，通过两段布拉格光栅解调输出的是两个相位相差180°的正弦振荡信号，将两个正弦振荡信号相叠加就使得输出的信号幅值增大了一倍。
从原理上讲这个信号幅值的变化只与电流有关而与环境温度无关。因为当环境温度发生变化时门型结构随温度变化时的形变作用在弹性元件8左右两端的应力是相同的。因此，环境温度发生变化只能使两个正弦振荡信号的零相位点产生同向漂移，而对信号的幅值没有影响。因此，两个正弦振荡信号的零相位点与环境温度相关，通过检测零相位点就可到环境温度。
由于布拉格光栅的变化为纳米级，弹性元件8的形变是在微米级变化。因此，对前面动子4被固定不动的假定是成立的，动子4的作用只是力的传递。
电流传感器10得到的电流信号通过信号传输光纤11输入到信号解调装置12中，由信号解调装置12得到最终的电流信息。其中信号解调装置12属于公知技术，在此不予赘述。
Claims (5)
1.高压、超高压输电线路上的电流检测装置，包括电流传感器(10)、与电流传感器(10)通过信号传输光纤(11)连接的信号解调装置(12)，其特征在于：所述电流传感器(10)包括绝缘外壳(2)，动子(4)，杆状弹性元件(8)，其中绝缘外壳(2)带有用于容纳被测导线(1)的U形槽，以及用于引出信号传输光纤(11)的可密封光纤引出孔；动子(4)安装在绝缘外壳(2)内部，可以围绕绝缘外壳(2)内部的一个转动轴(5)转动；动子(4)带有一个U形槽，并与绝缘外壳(2)的U形槽相匹配；动子(4)的U型槽两侧各镶嵌有一块永久磁铁(3)，两块永久磁铁(3)极性相反，且正好位于被测导线(1)的横截面两侧；动子(4)上连接有杆状弹性元件(8)，杆状弹性元件(8)的中点位置设有固定销(9)；转动轴(5)与被测导线(1)的轴线相平行；信号传输光纤(11)镶嵌在杆状弹性元件(8)的内部，该信号传输光纤(11)带有两段频率不同的布拉格光栅，且两段布拉格光栅分别位于杆状弹性元件(8)左右两半的中间位置。
2.如权利要求1所述高压、超高压输电线路上的电流检测装置，其特征在于：杆状弹性元件(8)中点位置的固定销(9)固定在绝缘外壳(2)上，且两端固定在动子(4)上。
3.如权利要求1所述高压、超高压输电线路上的电流检测装置，其特征在于：杆状弹性元件(8)两端固定在支架(6)上，杆状弹性元件(8)中点位置的固定销(9)与动子(4)连接，支架(6)固定绝缘外壳(2)上。
4.如权利要求1所述高压、超高压输电线路上的电流检测装置，其特征在于：杆状弹性元件(8)的中点到转动轴(5)的轴心的连线与杆状弹性元件(8)的轴心相垂直。
5.高压、超高压输电线路上的电流检测装置的检测方法，其特征在于：在被测导线(1)的横截面的上下对称放置两块极性相反的永久磁铁(3)，在两块永久磁铁(3)之间就形成一个与被测导线(1)相垂直并穿过被测导线(1)的磁场；当穿过磁场的被测导线(1)中有电流通过时，磁场将对被测导线(1)产生一个作用力；把被测导线(1)相对固定不动，这个作用力将被作用到两块永久磁铁(3)上且大小相等，方向相反；因为两块永久磁铁(3)镶嵌在动子(4)上，则这个作用力通过永久磁铁(3)作用在动子(4)上；所以，当被测导线(1)中有电流流过时，这个镶嵌有两块永久磁铁(3)的动子(4)就会在电流与磁铁间产生的电磁力的作用下产生转矩；这个转矩的大小与被测导线(1)的电流为线性关系，从而通过测量转矩的大小得到输电线路上的电流值。
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