专利名称：高压输配线电流光电式测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电流测量装置，尤其是一种利用光电转换机构替换了原来带有庞大次级接地单元电流互感器的高压输配线电流光电式测量装置。
背景技术：
由于监测、控制的需要，对于高压输配线导线上的电流要进行实时检测。而现有用来测量电流的装置一般为高压电流互感器，通过圈套在被测导线上，感应得知线路中的电流而输出给显示或控制器件。目前普遍采用的是电磁式电流互感器，这种互感器由于被测线路具有很高的对地电压，为了人身和设备安全，高电压电流互感器的次级必须设置接地装置，电流互感器的绝缘强度必须足以承受高压电力输电线路所具有的高压，因此往往接地装置十分庞大、沉重，支架结构也较为复杂，成本较高，再有安装使用都不方便。另外，其测量动态范围窄，测量精度不理想。
为此，多年来业界技术人员提出了各种解决方案，例如光电式互感器。虽然这类传感器能够克服电磁式电流互感器的上述缺点，但是其采用光纤构造传感头，直接环绕被测导线，利用磁光效应，通过测量导体周围线偏振光的偏振面旋转角的变化，间接地测量出导体中的电流值。现有的这类传感器，不仅内部结构复杂，对温度和震动比较敏感，电源问题也不好解决。
实用新型内容本实用新型的主要目的在于提供一种高压输配线电流光电式测量装置，该测量装置用光电转换机构替换了原来带有庞大次级接地单元电流互感器，在测量电流的过程中保障设备和人身安全的同时，降低了设备的成本。
本实用新型的另一目的在于提供一种高压输配线电流光电式测量装置，它结构简单，测量稳定高，不仅能够测量电流的幅值，而且还能够检测电流的相位，同时测量精度高，使用寿命长，维护方便。
本实用新型的目的是这样实现的一种高压输配线电流光电式测量装置，它至少包括由信号采集单元、测量机构与信号接收终端构成的电流幅值测量装置，其中采集单元为圈套于导线且一输出端接被测导线的线圈，输出端还接测量机构的输入端；测量机构包括驱动机构和信号发生机构，驱动机构输出端与信号发生机构的输入端连接；信号发生机构输出端与包括光电信号转换单元的信号接收终端连接。所述的信号发生机构至少包括带有光栅的码盘以及码盘光栅位置对应设置的信号发生器件，信号发生器件为光纤头传感元件；所述的驱动机构至少包括机械驱动轴；码盘固套于驱动轴。
所述的驱动机构为电流表驱动机构或原输出端接有负载的电能表驱动机构或一驱动电机。具体地，电流表驱动机构为磁电系或电磁系或电动系或铁磁电动系或静电系；电能表驱动机构为感应系或电动系机构；驱动电机为转速随驱动电流改变的电机，例如为直流电机或带有辅助设备的伺服电机。
所述的码盘的周边均匀印制或镂空分布单圈光栅，这样可通过测码盘的转速获得电流信号的大小；所述的码盘盘面上均匀印制分布有同心不同半径的、代表不同计量位的一圈以上光栅，这样可通过测码盘的转角获得电流信号的大小。
所述的光纤头传感元件为反射式结构或透光式结构对应设置在码盘光栅处，光纤头传感元件的传输线接信号接收终端输入。
再有，本实用新型还包括由信号采集单元、电/光信号转换单元与信号接收处理单元构成的电流相位测量装置。其中，采集单元为圈套于导线且一输出端接被测导线的线圈，输出端连接电/光信号转换单元的输入端，电/光信号转换单元输出端与信号接收处理单元输入端连接。
电/光信号转换单元至少包括对应交流电上半周期相位和下半周期相位的两组检测电/光转换电路、输入端与电/光转换电路输出端相对应的两条信号传输光电器件及与两条信号传输光电器件输出端对应的光/电转换单元。
本实用新型完全替代了现有技术中高压输配电线路电流测量使用的电磁式电流互感器，首先省却了庞大的、造价昂贵的次级接地单元，不仅大大降低了设备的成本，而且由于采用了感应—机械转换——光电采集的隔离方式，其安全性更高。
同时，本实用新型较光电式电流互感器的结构更简单，稳定性能更好，成本更低，安装使用更加方便可靠。由于光栅可采用激光制作，精度可以较高，因此测量精度较高。另外，本装置传感、驱动部分采用了成熟的机械机构，可进一步降低成本，并且使用寿命长，维护容易。
再有，本实用新型的后端设备直接接收光脉冲信号，因此方便了后续信号的处理，而且还直接支持了整个设备或设置在后端的控制计算机数字化管理的需求。


图1为本实用新型感应线圈设置在被测导线上示意图；图2为本实用新型驱动机构为电机的一实施例结构示意图；图3为本实用新型驱动机构为电流表驱动机构的一实施例结构示意图；图4为本实用新型驱动机构为电能表驱动机构的一实施例结构示意图；图5为本实用新型信号发生机构为反射式光纤传感头与码盘设置位置结构示意图；图6为本实用新型信号发生机构为透光式光纤传感头与码盘设置位置结构示意图；图7为本实用新型电流相位检测装置电气原理图；
图8为本实用新型后续电路处理示意框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行说明。
本实用新型的主要构思是通过感应电流驱动机械机构，由机械机构将信号通过光纤传感头以及码盘构成的信号发生机构将信号传递出来，从而完成电流值的测量。同时，整个机构为无源工作，并且结构成熟、简单，实现高压输配电线路电流的感应测量，取代原体积庞大的电磁式电流互感器以及过于复杂、成本较高并且易于受环境影响而不稳定的光电式传感器。
具体地，如图1所示，它至少包括由信号采集单元、测量机构与信号接收终端构成的电流幅值测量装置，其中采集单元为圈套于被测导线2且一输出端12接被测导线2的线圈1，获得与高压输电线路导线相同的电位，该线圈1的另一个输出端11接测量机构的输入端，使其驱动测量机构；测量机构包括驱动机构和信号发生机构，信号发生机构输出接包括光电信号转换单元的信号接收终端。
信号发生机构由码盘以及由光纤头传感元件构成的信号发生器件组成，其中码盘固套于驱动机构的输出轴上，码盘上设置光栅，光纤头传感元件设置在对应光栅位置。这样由于被测导线上的电流变化，驱动机构转动；随着该机构的转动，码盘转动，由于码盘上光栅的作用，光纤头传感元件不断地发出通断信号，从而测出被测导线上的电流的大小。
驱动机构具体实现的结构如下。
实施例一本实用新型驱动机构最简单的机构是转速能够随驱动电流改变的电机，例如直流电机或带有辅助设备的伺服电机，参见附图2所示。当感应线圈有电流输入电机1输入端6时，电机1转动，带动电机轴3上的码盘2对应转动。码盘2随转动轴3转动。码盘2上制有不透光的光栅4。实际制造时，按照精度要求确定光栅4之间的间距。由于线圈感应出来的电流大小的变化能够导致电机转速的变化，因此电机在单位时间内转动的圈数标志了被测导线上电流的大小，因此可通过测转速而获得电流的大小信息。这样码盘2上的光栅4沿盘面边沿上均匀分布光栅4。
在本实施例中，信号发生器件5为光纤头传感元件，为一对产生相互通断信号的元件—光纤元件51与光纤元件52，对应设置于光栅4位置。由光纤元件51与光纤元件52感应光栅的通断动作，将信号传递出来。
实施例二从产品的稳定、测量效果以及成本等角度考虑，本实用新型的机械驱动机构可采用现有电流表驱动机构。例如，现有电流表的磁电系、电磁系、电动系、铁磁电动系、感应系等多种机构。本实用新型信号采集单元的输出接电流表的输入端，而原电流表的表针所接输出轴部设置本实用新型的信号发生机构。
如图3所示，信号采集单元线圈感应的电流带动机构1的转动轴3转动。转动轴3在阻尼游丝6产生的反作用力作用下，停止在某一角度上，该角度与流过测量线圈的电流成正比，因此安装在转动轴3上的码盘2随转动轴3转动，可通过测转角测得电流的大小。
为通过测转角而获得电流的大小信息，在码盘3上的光栅4沿盘面上均匀分布为同心不同半径的、代表不同计量位的一圈以上光栅4。在本实施例中，信号发生器件5为光纤头传感元件，其可为一对以上产生相互通断信号的元件，对应设置于各圈光栅4位置，以便获得表示为不同数量级的大小信号。由光纤元件51与光纤元件52感应光栅的通断动作，将不同数量级的大小信号传递出来。
实施例三如图4所示，本实用新型的测量驱动机构也可为电能表的驱动机构。其中本实用新型信号采集单元的输出接电能表的输入端10，而原电能表的表盘所接支撑驱动部3设置本实用新型的信号发生机构码盘2，码盘2的转动也完全如同原电能表表盘机理。
当信号采集单元感应线圈的感应电流输入电能表的驱动机构时，通过驱动元件7、转动元件3以及制动元件6之间的能量转换传送，最后导致码盘2转动。码盘2的表面印制有单圈光栅4；信号发生器件5为反射式光纤元件，当码盘2转动后，光栅4的移动，使信号发生器件5感应通断信号，并将信号传递出来。
本实施例是通过测转速而得到被测导线的电流大小，因此除驱动机构外，其他机构的设置以及工作原理与上述实施例一一致，在此不再赘述。
信号发生机构具体实施例为对应印制光栅码盘和镂空式光栅码盘，发射元件51与接收元件52具体为反射式或透射式设置。其一种实施例具体如图5所示，光栅码盘2上印制色差的光栅4，发射光纤元件51与接收光纤元件52对应设置在光栅4的上面。当码盘2转动时，发射光纤元件51与接收光纤元件52通过光栅4的移动而感应通断信号，并通过传输线信号传递给接收终端，接收终端对该信号进行解码、调整等处理，从而得到被测导线上的电流大小信息。
如图6所示为码盘的另一种镂空式光栅码盘实施例结构示意图。其中，码盘2上的光栅4为镂空式，发射元件51与接收元件52为透射式结构，并分别设置在光栅码盘2的前后面上。当码盘2转动时，发射光纤元件51与接收光纤元件52将感应的通断信号通过传输线信号传递给接收终端，接收终端对该信号进行解码、调整等处理，从而得到被测导线上的电流大小信息。
另外，本实用新型还能够直接检测导线电流的相位，其具体结构为套装在高压输电线路导线上的线圈一输出端接被测导线，线圈输出端连接电/光信号转换单元的输入端，电/光信号转换单元输出端与信号接收处理单元输入端连接。
具体为，图7线圈输出端A、B两点，其中一个端点也与高压输电线路导线相接，获得与高压输电线路导线相同的电位。感应的导线电流工作在正半周时，首先流过电路中的发光二极管D1、电阻R1和R2，当发光二极管D1和电阻R1上的电压达到或超过达林顿三极管T1的基极导通电压时，达林顿三极管T1导通，电流互感器的输出电流被二极管D2和达林顿三极管T1的集电极、发射极构成的支路分流，保证流过发光二极管D1中的电流不致过大。感应的导线电流工作在负半周时，电流流过电路中的发光二极管D3、电阻R3、R4和达林顿三极管T2，工作过程同上。发光二极管D1、D3的发光强度随流过它的电流强度改变，因此可以反映电流互感器的输出电流波形和相位。接收光电器件15接收发光二极管D1、D3输出的光信号并将其传输至光电接收装置中，光信号被转换成电信号，经过处理，获得流过电流互感器的电流相位或高压输电线路导线上的电流波形和相位。
参见图8，为本实用新型接收上述两装置光纤传输信号的后续电路处理。它包括模数转换电路、微处理器以及数模转换电路，还有隔离变压器等机构，这样可完全替代了现有的电磁式电流互感器机构，而不改变现有的其他二次侧装置。同时，从模数转换电路出来的信号还可以直接从其他控制或显示单元。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.一种高压输配线电流光电式测量装置，其特征在于它至少包括由信号采集单元、测量机构与信号接收终端构成的电流幅值测量装置，其中采集单元为圈套于导线且一输出端接被测导线的线圈，输出端还接测量机构的输入端；测量机构包括驱动机构和信号发生机构，驱动机构输出端与信号发生机构的输入端连接；信号发生机构输出端与包括光电信号转换单元的信号接收终端连接。
2.根据权利要求1所述的高压输配线电流光电式测量装置，其特征在于所述的信号发生机构至少包括带有光栅的码盘以及与码盘光栅位置对应设置的信号发生器件，信号发生器件为光纤头传感元件；所述的驱动机构至少包括机械驱动轴；码盘固套于驱动轴。
3.根据权利要求1或2所述的高压输配线电流光电式测量装置，其特征在于所述的驱动机构为电流表驱动机构或原输出端接有负载的电能表驱动机构或一驱动电机。
4.根据权利要求2所述的高压输配线电流光电式测量装置，其特征在于所述的码盘的周边均匀印制分布单圈光栅，所述的光纤头传感元件为反射式结构对应设置在码盘光栅处，光纤头传感元件的输出线接信号接收终端输入。
5.根据权利要求2所述的高压输配线电流光电式测量装置，其特征在于所述的码盘的周边均匀镂空分布单圈光栅，所述的光纤头传感元件为透光式结构对应设置在码盘光栅处上、下面处，光纤头传感元件的输出线接信号接收终端输入。
6.根据权利要求2所述的高压输配线电流光电式测量装置，其特征在于所述的码盘盘面上均匀印制分布有同心不同半径的、代表不同计量位的一圈以上光栅，所述的光纤头传感元件包括一个或一个以上接收元件，为反射式结构对应设置在码盘各圈光栅处，光纤头传感元件的输出线接信号接收终端输入。
7.根据权利要求2所述的高压输配线电流光电式测量装置，其特征在于所述的码盘盘面上均匀镂空分布有同心不同半径的、代表不同计量位的一圈以上光栅，所述的光纤头传感元件包括一个或一个以上接收元件，为透光式结构对应设置在码盘各圈光栅处上、下面，光纤头传感元件的输出线接信号接收终端输入。
8.根据权利要求3所述的高压输配线电流光电式测量装置，其特征在于所述的驱动机构为磁电系或电磁系或电动系或铁磁电动系或静电系电流表驱动机构。
9.根据权利要求3所述的高压输配线电流光电式测量装置，其特征在于所述的电能表驱动机构为感应系或电动系电能表驱动机构。
10.根据权利要求3所述的高压输配线电流光电式测量装置，其特征在于所述的驱动电机为转速随驱动电流改变的电机。
11.根据权利要求10所述的高压输配线电流光电式测量装置，其特征在于所述的电机为直流电机或带有辅助设备的伺服电机。
12.根据权利要求1所述的高压输配线电流光电式测量装置，其特征在于它还包括由信号采集单元、电/光信号转换单元与信号接收处理单元构成的电流相位测量装置。
13.根据权利要求12所述的高压输配线电流光电式测量装置，其特征在于所述的采集单元为圈套于导线且一输出端接被测导线的线圈，输出端连接电/光信号转换单元的输入端，电/光信号转换单元输出端与信号接收处理单元输入端连接。
14.根据权利要求12或13所述的高压输配线电流光电式测量装置，其特征在于所述的电/光信号转换单元至少包括对应交流电上半周期相位和下半周期相位的两组检测电/光转换电路、输入端与电/光转换电路输出端相对应的两条信号传输光电器件及与两条信号传输光电器件输出端对应的光/电转换单元。
专利摘要一种高压输配线电流光电式测量装置，包括由信号采集单元、测量机构与信号接收终端构成的电流幅值测量装置；采集单元为套设于导线且一输出端接被测导线的线圈；测量机构包括驱动机构和光电信号转换单元；光电信号转换单元输出端与信号接收终端连接；还包括由信号采集单元、电/光信号转换单元与信号接收处理单元构成的电流相位测量装置。本实用新型完全替代了现有技术中高压输配电线路电流测量使用的电流互感器，首先省取了庞大的、造价昂贵的次级接地单元，大大降低了设备的成本，而采用感应—机械转换——光电采集的隔离方式，其安全性更高，结构简单合理，安装使用方便可靠，测量精度较高，使用寿命长，维护容易。
文档编号G01R15/14GK2620873SQ0324251
公开日2004年6月16日 申请日期2003年3月24日 优先权日2003年3月24日
发明者张晓辉, 郭伟 申请人:张晓辉, 郭伟