一种光纤传能系统联锁保护装置及其实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种光纤传能系统联锁保护装置，所述驱动电路的输出端与激光器的输入端相连，激光器的输出端与第一定向耦合器的输入端相连，第一定向耦合器的第一输出端经过光纤与第二定向耦合器的输入端相连，第一定向耦合器的第二输出端与控制电路的输入端相连，控制电路的输出端与驱动电路的输入端相连，第二定向耦合器的输出端与光电池的输入端相连，光电池的输出端与检测电路的输入端相连，检测电路的输出端与第二定向耦合器的输入端相连。本发明还公开了一种所述联锁保护装置的实现方法。本发明在传能光路中断时自动切断激光器电源，防止大功率激光泄漏导致的意外事故，能有效的保护发电网络，达到防火、防爆，保护人身及财产安全的目的。
【专利说明】一种光纤传能系统联锁保护装置及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种光纤传能系统联锁保护装置，涉及传输设备保护装置【技术领域】。
【背景技术】
[0002]光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是‘光的全反射’。光导纤维是由两层折射率不同的玻璃组成。内层为光内芯，直径在几微米至几十微米，外层的直径0.1?0.2_。一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大1%。根据光的折射和全反射原理，当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。
[0003]前香港中文大学校长高锟和George A.Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想。以光纤作为能量传输的载体构成的光纤传能系统也具有光纤通信系统的许多优点和广泛应用。在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每公里的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1.3Ium的光，每公里损耗在0.35dB以下若传输1.55um的光，每公里损耗更小，可达0.2dB以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特点，一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引入均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为4um?IOum,外径也只有125um,加上防水层、加强筋、护套等，用4?48根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。
[0004]但在一些特殊的场合(如军火库或者需要防磁防爆的场合等高危区域)，利用光纤传输能量有非常大的安全隐患。所以在光纤传能发电系统中联锁保护系统是非常重要的。在系统传能发电工作时，难免会遇到光纤断裂或是各种内部外部因素的问题，一旦事故发生，如果不能及时的进行联锁保护，将会导致火灾等严重后果。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术的缺陷，提供一种光纤传能系统联锁保护装置，该装置在传能光路中断时自动切断激光器电源，防止大功率激光泄漏导致的意外事故。
[0006]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种光纤传能系统联锁保护装置，包括控制电路、驱动电路、激光器、第一定向耦合器、第二定向耦合器、光电池和检测电路；所述驱动电路的输出端与激光器的输入端相连，激光器的输出端与第一定向I禹合器的输入端相连，第一定向I禹合器的第一输出端经过光纤与第二定向I禹合器的第一输入端相连，第一定向I禹合器的第二输出端与控制电路的输入端相连，控制电路的输出端与驱动电路的输入端相连，第二定向I禹合器的输出端与光电池的输入端相连，光电池的输出端与检测电路的输入端相连，检测电路的输出端与第二定向I禹合器的第二输入端相连。
[0007]作为本发明的进一步优选方案，所述激光器为光纤激光器。
[0008]作为本发明的进一步优选方案,所述光电池为多层光电池。
[0009]本发明还公开了一种所述的光纤传能系统联锁保护装置的实现方法，实现方法具体过程如下:
步骤一、第一定向耦合器将激光器发出的激光第一次分路成1:N的光路，其中N为自然
数；
步骤二、分路后的N条光路通过光纤传输能量；
步骤三、第一次分路产生的N条光路中的每一条光路经过第二定向耦合器再次被分路成1:N的光路；
步骤四、第二次分路后的N条光路上传输的能量经过光电池转换为电能；
步骤五、光电池将电压信号传输给检测电路；
步骤六、检测电路将所得的电压信号与设定的电压阈值进行比较，
当电压信号小于设定的电压阈值时，正常发送确认信号经由同一根光纤回传至控制电
路；
当电压信号大于设定的电压阈值时，停止发送确认信号；
步骤七、控制电路接在接收不到确认信号时，关断驱动电路使激光器停止工作。
[0010]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:在光纤传能发电系统中，有效的保护发电网络，达到防火、防爆，保护人身及财产安全的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明的光纤传能系统联锁保护装置结构模块示意图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
本发明的结构模块示意图如图1所示，所述驱动电路与激光器的输入端相连，激光器的输出端与第一定向I禹合器的输入端相连，第一定向I禹合器的第一输出端与第二定向I禹合器的第一输入端通过光纤相连，第二定向I禹合器的输出端与光电池的输入端相连，光电池的输出端与检测电路的输入端相连，检测电路的输出端与第二定向I禹合器的第二输入端相连，第一定向I禹合器的第二输出端与控制电路的输入端相连，控制电路的输出端与驱动电路的输入端相连。
[0013]作为本发明的进一步优选方案，所述激光器为光纤激光器。
[0014]作为本发明的进一步优选方案，所述光电池为多层光电池。
[0015]光纤激光器(Fiber Laser)是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来:在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。所谓光纤激光器就是用光纤作激光介质的激光器，1964年世界上第一代玻璃激光器就是光纤激光器。由于光纤的纤芯很细，一般的泵浦源(例如气体放电灯)很难聚焦到芯部。所以在以后的二十余年中光纤激光器没有得到很好的发展。随着半导体激光器泵浦技术的发展，以及光纤通信蓬勃发展的需要，1987年英国南安普顿大学及美国贝尔实验室实验证明了掺铒光纤放大器(EDFA)的可行性。它采用半导体激光光泵掺铒单模光纤对光信号实现放大，这种EDFA已经成为光纤通信中不可缺少的重要器件。由于要将半导体激光泵浦入单模光纤的纤芯(一般直径小于10um)，要求半导体激光也必须为单模的，这使得单模EDFA难以实现高功率，报道的最高功率也就几百毫瓦。
[0016]为了提高功率，1988年左右有人提出光泵由包层进入。初期的设计是圆形的内包层，但由于圆形内包层完美的对称性，使得泵浦吸收效率不高，直到九十年代初矩形内包层的出现，使激光转换效率提高到50%，输出功率达到5瓦。1999年用四个45瓦的半导体激光器从两端泵浦，获得了 110瓦的单模连续激光输出。近两年，随着高功率半导体激光器泵浦技术和双包层光纤制作工艺的发展，光纤激光器的输出功率逐步提高，采用单根光纤，已经实现了 1000瓦的激光输出。
[0017]定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。
[0018]光电池也叫太阳能电池，直接把太阳光转变成电。因此光电池的特点是能够把地球从太阳辐射中吸收的大量光能转化换成电能。是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。光电池的种类很多，常用有硒光
电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电池。太阳能电池作为能源广泛应用在人造地卫星、灯塔、无人气象站等处
光伏发电是利用半导体pn结(pn junction)的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池(solar cell)。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件(module)，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地；光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。光伏发电是根据光生伏特效应原理，当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对(少子)扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。
[0019]本发明所公开的光纤传能系统联锁保护装置，其工作实现过程具体如下:激光器发出的激光经过第一定向I禹合器第一次被分路成1:N的光路(N>>1);分路后的N条光路通过光纤传输能量，第一次分路产生的N条光路中的每一条光路经过第二定向耦合器再次被分路成1:N的光路；第二次分路后产生N条光路的能量经光电池转换为电能；光电池将电压信号传输给检测电路；检测电路将所得的电压信号与设定电压阈值进行比较；根据比较结果发出确认信号并通过同一根光纤回传；控制单元根据回传所得电信号进行驱动电路的开关动作。通过判断是否有回传信号，在出现故障时控制电路关断驱动电路使激光器停止工作，从而将所述联锁保护装置的状态置为故障状态。
[0020]在本发明的技术方案中，检测电路对所述主电路进行实时监测，并确保不会出现由光纤断裂处端面高能量聚积引发的事故；通过判断光电池输出电压与检测电路设定阈值的大小关来检查工作光路上是否存在光信号，进而确定光路是否故障；通过定向耦合器实现光分路并在同一根光纤传输能量及确认信号；若检测电路或控制电路出现故障，则无确认信号，并且可以通过切断激光器电源，保证保护装置不会失效。
[0021]上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
【权利要求】
1.一种光纤传能系统联锁保护装置，其特征在于:包括控制电路、驱动电路、激光器、第一定向I禹合器、第二定向I禹合器、光电池和检测电路； 所述驱动电路的输出端与激光器的输入端相连，激光器的输出端与第一定向I禹合器的输入端相连，第一定向I禹合器的第一输出端经过光纤与第二定向I禹合器的第一输入端相连，第一定向I禹合器的第二输出端与控制电路的输入端相连，控制电路的输出端与驱动电路的输入端相连，第二定向I禹合器的输出端与光电池的输入端相连，光电池的输出端与检测电路的输入端相连，检测电路的输出端与第二定向耦合器的第二输入端相连。
2.如权利要求1所述的一种光纤传能系统联锁保护装置，其特征在于:所述激光器为光纤激光器。
3.如权利要求1所述的一种光纤传能系统联锁保护装置，其特征在于:所述光电池为多层光电池。
4.一种如权利要求1所述的光纤传能系统联锁保护装置的实现方法，其特征在于，所述实现方法具体过程如下: 步骤一、第一定向耦合器将激光器发出的激光第一次分路成1:N的光路，其中N为自然数； 步骤二、分路后的N条光路通过光纤传输能量； 步骤三、第一次分路产生的N条光路中的每一条光路经过第二定向耦合器再次被分路成1:N的光路； 步骤四、第二次分路后的N条光路上传输的能量经过光电池转换为电能； 步骤五、光电池将电压信号传输给检测电路； 步骤六、检测电路将所得的电压信号与设定的电压阈值进行比较， 当电压信号小于设定的电压阈值时，正常发送确认信号经由同一根光纤回传至控制电路； 当电压信号大于设定的电压阈值时，停止发送确认信号； 步骤七、控制电路接在接收不到确认信号时，关断驱动电路使激光器停止工作。
【文档编号】H02H7/26GK104009451SQ201410192410
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】吴侠宝, 张燕华, 王 琦, 韩文娟, 左依凡, 薛晖, 钱晨 申请人:南京邮电大学