懸浮電極式光學電壓互感器的製作方法

2023-09-19 02:19:15

專利名稱：懸浮電極式光學電壓互感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電力設備技術領域，尤其涉及懸浮電極式光學電壓互感器。
背景技術：
高壓電力互感器是為電力系統提供用於計量、控制和繼電保護的最基本的測量設備。隨著電力系統電壓等級地不斷提高，傳統的電磁感應式或電容分壓式互感器因其傳感機理的限制而表現出許多難以克服的局限性。光學電壓互感器是利用光電子技術和光纖傳感技術來實現電壓測量的新型互感器。與傳統互感器相比，光學電壓互感器的高壓信號通過光纖傳輸到二次設備，絕緣大大簡化、帶寬高，動態範圍大、無磁飽和、輕便易於安裝，因此，在電力系統中有著十分廣闊的應用前景。國際上，1997年，ABB電力T&D公司報導了 115kV 550kV組合式光學電壓/電流 互感器。1997年，法國Alstom報導了 123kV 765kV組合式光學電壓/電流互感器，已有多臺產品在歐洲和北美掛網運行。2003年，加拿大Nxtphase報導了 121kV 550kV的光學電壓互感器。國內自1992年開始先後有清華大學、華中科技大學等高校及電子部26所、電力科學研究院、上海互感器廠等眾多單位從事此方面的研究，目前已有多種光學電壓互感器樣機研製出來，但絕大數僅限於試驗室階段。目前，現有的光學電壓互感器存在安裝維護複雜，不可以帶電作業的情況；在粘接工藝上，多個分立光學元件在固化過程中都不可避免地會產生微外移，影響方位角的準確度；此外，就調製方式來說，與橫向調製方式相比，縱向調製型光學電壓互感器還存在高壓下絕緣成本高、輸出信號與電場不成比例，信號解調難度大等問題。因此，如何提高光學電壓互感器的長期可靠性以及加工工藝是其應用發展的關鍵所在。

發明內容
本發明技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種懸浮電極式光學電壓互感器，體積小、重量輕、屏蔽效果好，應用方式靈活。本發明的另一技術解決問題是大大提高了安全性。本發明採用的技術方案如下懸浮電極式光學電壓互感器包括絕緣裝置(I)、高壓電極(2)、互感器殼體(3)、懸浮電極(4)、密封圈(5)、接地柱￠)、絕緣支撐(7)、互感器外罩(8)、光學電壓傳感頭(9)和光纖(10);所述絕緣裝置(I)固定連接在所述互感器殼體⑶的一端，所述互感器殼體⑶另一端外側固定連接互感器外罩⑶；所述互感器外罩設有接地柱￠);在所述互感器殼體(3)和互感器外罩(8)連接的位置設置密封圈(5)；所述高壓電極(2)的一端通過所述絕緣裝置(I)伸入所述互感器殼體(3)內，並和所述絕緣裝置(I)固定連接；所述懸浮電極(4)通過所述絕緣支撐(7)密封固定在所述互感器殼體(3)和互感器外罩⑶的連接處、且兩端分別伸入所述互感器殼體⑶和互感器外罩(8)內；所述光學電壓傳感頭(9)置於所述互感器外罩(8)的底部，與光學電壓傳感頭(9)連接的光纖(10)引出到所述互感器外罩(8)，再通過所述互感器外罩(8)至電氣單元(13)。
上述電壓互感器還包括保護盒(11)，與所述光學電壓互感器傳感頭(9)連接的所述光纖(10)先進入所述保護盒(11)後經過所述保護盒(11)上的光纖引出孔(12)引出所述互感器外罩(8)，再引至電氣單元(13)。所述光學電壓傳感頭(9)包括第一光纖準直器(161)、起偏器(17)、1/4波片(18)、BG0晶體(19)、檢偏器(20)、第二光纖準直器(162)和第三光纖準直器(163);從電氣單元(13)來的光信號通過光纖經所述第一光纖準直器(161)後連接到所述起偏器(17)』經所述起偏器(17)後再依次經過所述1/4波片(18)、所述BGO晶體(19)連接到所述檢偏器(20)，經所述檢偏器(20)後分為兩路，一路反射端經所述第二光纖準直器(162)後通過光纖輸出至電氣單元(13)，另一路透射端經所述第三光纖準直器(163)後通過光纖輸出至電氣單元(13)。所述電氣單元(13)包括光學閉環反饋控制單元(14)和信號處理單元(15);光學閉環反饋控制單元(14)使光源的中心波長穩定，經過光纖(10)輸出至光學電壓傳感頭
(9);信號處理單元(15)對光學電壓傳感頭(9)輸出的光信號進行處理，解調出被測電壓。
所述光學閉環反饋控制單元(14)包括SLD光源(21)、Lyot消偏器(22)、耦合器
(23)、第一探測器(241)和驅動電路(26) ;SLD光源(21)產生的光經Lyot消偏器(22)變成低偏振光，經過I禹合器(23)輸出至光學電壓傳感頭(9);同時I禹合器(23)的輸出經過第一探測器(241)將光信號變成電信號後至驅動電路(26)，由驅動電路(26)判斷是否滿足輸出光功率的要求，計算並調整驅動電路參數，反饋至SLD光源(20)，使SLD光源(21)輸出穩定的光功率，從而使由I禹合器(23)輸出至光學電壓傳感頭(9)的光源輸出功率穩定。所述信號處理單元(15)包括第二探測器(242)、第三探測器(243)和信號解調電路(27);第二探測器(242)、第三探測器(243)分別將光學電壓傳感頭(4)出射的兩路光信號轉變為電信號傳輸給所述信號解調電路(27)，由信號解調電路(27)分別計算第二探測器(242)、第三探測器(243)兩個探測通道的滑動平均值，計算交流比直流量，然後對兩路探測信號進行加權平均計算，使得兩路電壓幅值達到平衡，最後將所得的電壓值依據通信協議進行組幀後通過串口發送。所述光學電壓傳感頭(9)位於電力系統的一次系統中，電氣單兀(13)處於電力系統的二次系統中。所述1/4波片(18)與所述起偏器(17) —體化加工而成。所述BGO晶體(19)與所述電力系統中的地電極接觸，且BGO晶體(19)與地電極
的接觸面鍍有鉻金膜。本發明與現有技術相比的有益效果如下(I)本發明採用技術方案的結構具有安裝靈活、體積小、重量輕、成本低等優勢。(2)本發明光學電壓互感器增加了互感器殼體，增強了電磁屏蔽的作用。(3)本發明增加了懸浮電極，將一次側高壓電極的高壓轉換為懸浮電極的低壓，實現了高壓與低壓之間的徹底隔離，大大的提高了安全性。(3)本發明在互感器外罩上增加了接地柱，正常運行時，接地柱懸空；維護檢修時，接地柱接地，確保了人身及設備的安全。(4)本發明中傳感頭放置於互感器外罩的底部，互感器外罩與絕緣氣體氣室完全隔離，光學元器件不受絕緣氣體的影響。
(5)本發明中增加了光纖保護盒，可以保護光纖不受到損壞。(6)本發明中1/4波片與起偏器採用一體化加工工藝，極大地減小了 1/4波片的厚度，從而消弱1/4波片溫度性能對系統的影響。


圖I所示的是本發明的結構原理圖；圖2所示的是本發明中光學電壓傳感頭及電氣單元結構圖；圖3所示的是本發明中驅動電路工作流程圖；圖4所示的本發明中信號解調電路工作流程圖。
具體實施方式
為了使本發明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。如圖I所示，本發明包括絕緣裝置I、高壓電極2、互感器殼體3、懸浮電極4、密封圈5、接地柱6、絕緣支撐7、互感器外罩8、光學電壓傳感頭9、光纖10、保護盒11和光纖引出孔12。高壓電極2通過絕緣裝置I固定在互感器殼體3內；懸浮電極4通過絕緣支撐7固定隔離，一部分放置在互感器殼體3內，一部分放置於互感器殼體3外的互感器外罩8內；互感器外罩8與互感器殼體3通過密封圈隔離，保證了互感器殼體3內的氣密性。光學電壓傳感頭9放置於互感器外罩8底部，光學電壓傳感頭9的光纖10通過保護盒11的光纖引出孔12引出至電氣單元13，互感器外罩8有一接地柱6，當進行維護時所述接地柱6接地。光纖10為單模光纖包括第一光纖101、第二光纖102和第三光纖103。上述互感器中還可以包括變電站的GIS腔體，所述變電站的GIS腔體接地，互感器外罩8與所述變電站的GIS腔體相連，變電站的GIS腔體內填充有絕緣氣體。絕緣氣體為SF6氣體。本發明中的絕緣裝置I為盆式絕緣子。本發明所謂的GIS，是指氣體絕緣全封閉組合電器。本發明所謂的SF6氣體，是指六氟化硫氣體。本發明中，當進行維護時接地柱6接地。本發明所謂的BG0，是指鍺酸鉍Bi4Ge3012 ;本發明所謂的SLD，是指超輻射發光二極體，即 Super Luminescent Diode。本發明中的光學電壓傳感頭9處於電力系統一次系統中，電力系統是指由發電、變電、輸電、配電和用電等環節組成的電能生產、傳輸、分配和消費的系統。由生產和分配電能的設備，如發電機、變壓器和斷路器等一次設備組成的系統為一次系統。由繼電保護和安全自動裝置，調度自動化和通信等輔助系統是二次系統。本發明中的電氣單元13處於電力系統_■次系統中。如圖2所示，光電電壓傳感頭9是基於Pockels電光效應的橫向調製結構，主要包括第一光纖準直器161、起偏器17、1/4波片18、BGO晶體19、檢偏器20、第二光纖準直器162和第三光纖準直器163。從光學閉環反饋控制單兀15來的光信號通過第一光纖101經第一光纖準直器161後連接到所述起偏器17，經起偏器17後再依次經過所述1/4波片18、所述BGO晶體19連接到所述檢偏器20，經檢偏器20後分為兩路，一路反射端經第二光纖準直器162輸出，再經過第二光纖102至信號處理單元15的第二探測器242，另一路透射端經第三光纖準直器163後輸出，再經過第三光纖103至信號處理單元15的第三探測器243。光電電壓傳感頭9的工作過程第一光纖準直器161將入射光轉變為平行光，通過起偏器17形成線偏振光再經1/4波片18分解為兩束振動方向相互垂直、相差為90°的線偏振光併入射到BGO晶體19上，經過BGO晶體19產生由高壓電場引起的相差，最後將BGO晶體19的兩路出射光通過檢偏器20由相位變化轉化成光強度變化，分別經第二光纖準直器162、第三光纖準直器163與後端電路相連，此時可以利用Pockels電光效應檢測所加高壓電場的大小。BGO晶體18與所述地電極的接觸面鍍有鉻金膜，可以確保BGO晶體與地電極的良好接觸，以及BGO晶體上電場分布更加均勻；1/4波片15與所述起偏器14 一體化加工而成，極大地減小了 1/4波片的厚度，從而消弱1/4波片溫度性能對系統的影響。如圖2所示，本發明中的電氣單元13由光學閉環反饋控制單元14和信號處理單元15組成，所述電氣單元13與後端的主控計算機或合併單元相連。光學閉環反饋控制單 元14使光源的中心波長穩定，經過第一光纖101輸出至光學電壓傳感頭9 ;信號處理單元15對光學電壓傳感頭9輸出的兩路光信號進行處理，解調出被測電壓。本發明在電氣單元13中增加了光學閉環反饋控制單元，可以使SLD光源輸出功率更穩定，有效地控制了 SLD光源中心波長的漂移現象、預防因SLD光源老化導致輸出功率下降的問題。如圖2所示，光學閉環反饋控制單元14包括SLD光源21、Lyot消偏器22、耦合器23、第一探測器241和驅動電路26。SLD光源21產生的光經Lyot消偏器22變成低偏振光，經過I禹合器23由第一光纖101傳輸至光學電壓傳感頭9 ;同時I禹合器23的輸出經過第一探測器241將光信號變成電信號後至驅動電路26，由驅動電路26判斷是否滿足輸出光功率的要求，計算並調整驅動電路參數，反饋至SLD光源21，使SLD光源21輸出穩定的光功率，從而使由I禹合器23輸出至光學電壓傳感頭9的光源輸出功率穩定。本發明在光學閉環反饋控制單元14中增加了 Lyot消偏器22，消除了光路偏振態受溫度、光纖振動等因素引起的光功率波動，有利於光路系統的穩定可靠。如圖3所示，驅動電路26的工作流程驅動電路通電後，SLD光源21發光，隨環境溫度變化及發光引起SLD光源21管芯溫度升高，SLD光源21光功率的不穩定，引起中心波長的不穩定，最終影響光學電壓互感器的測量精度，通過第一探測器241測量光功率是否滿足要求，如不滿足要求，則可以通過調節驅動電流來調節SLD光源21光功率到規定的範圍內，從而提高光功率和中心波長的穩定可靠性。如圖2所示，信號處理單元15包括第二探測器242、第三探測器243和信號解調電路27，所述第二光纖準直器162經所述第二探測器242連接到所述信號解調電路27，所述第三光纖準直器163經所述第三探測器243連接到所述信號解調電路27。第二探測器242、第三探測器243分別將光學電壓傳感頭9的出射的兩路光信號轉變為電信號並匯總後傳輸給所述信號解調電路27，由信號解調電路27分別計算兩個探測通道的滑動平均值，交流比直流量，進行加權平均計算，使得兩路電壓幅值達到平衡，所得的電壓值依據通信協議進行組幀後通過串口發送。如圖4所示，信號解調電路27的工作流程信號解調電路上電後產生下降沿脈衝，採集第二探測器242和第三探測器243輸出的兩路信號(包括直流量和交流量)，進行AD轉換後求平均值保存到緩存，對其中的直流量，分別計算兩個通道的整周波數據滑動平均值(即對探測的信號取整數個周波)，再將兩個通道測量的直流量保存到緩衝，然後計算第二探測器242通道和第二探測器243探測的兩個通道的交流比直流量(將第二探測器242和第三探測器243輸出的兩路信號分別減去直流量即為交流量，然後進行交流量比直流量計算)，進行加權平均計算，使得兩路幅值達到平衡，最後將所得電壓值依據通信協議進行組幀後通過串口發送。本發明對信號處理單元中兩個探測器輸出的雙光路信號中的交流量和直流量採用軟體的方法來獲取，簡化了信號解調電路，減少了模擬電路受溫度漂移和帶寬限制的影響，提高了數據的準確性。總之，本發明具有安裝靈活、體積小、重量輕、成本低等優勢；同時增強了電磁屏蔽的作用；實現了高壓與低壓之間的徹底隔離，大大的提高了安全性；增加了接地柱，確保了人身及設備的安全；互感器外罩與絕緣氣體氣室完全隔離，光學元器件不受絕緣氣體的影響；增加了光纖保護盒，可以保護光纖不受到損壞；1/4波片與起偏器採用一體化加工工藝，極大地減小了 1/4波片的厚度，從而消弱1/4波片溫度性能對系統影響。
本發明未詳細闡述部分屬於本領域公知技術。以上通過具體的和優選的實施例詳細的描述了本發明，但本領域技術人員應該明白，本發明並不局限於以上所述實施例，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.懸浮電極式光學電壓互感器，其特徵在於包括絕緣裝置(I)、高壓電極(2)、互感器殼體(3)、懸浮電極(4)、密封圈(5)、接地柱￠)、絕緣支撐(7)、互感器外罩(8)、光學電壓傳感頭(9)和光纖(10);所述絕緣裝置(I)固定連接在所述互感器殼體(3)的一端，所述互感器殼體(3)另一端外側固定連接互感器外罩(8);所述互感器外罩(8)設有接地柱(6)；在所述互感器殼體(3)和互感器外罩(8)連接的位置設置密封圈(5);所述高壓電極(2)的一端通過所述絕緣裝置(I)伸入所述互感器殼體(3)內，並和所述絕緣裝置(I)固定連接；所述懸浮電極(4)通過所述絕緣支撐(7)密封固定在所述互感器殼體(3)和互感器外罩(8)的連接處、且兩端分別伸入所述互感器殼體(3)和互感器外罩(8)內；所述光學電壓傳感頭(9)置於所述互感器外罩(8)的底部，與光學電壓傳感頭(9)連接的光纖(10)引出到所述互感器外罩(8)，再通過所述互感器外罩(8)至電氣單元(13)。
2.根據權利要求I所述的懸浮電極式光學電壓互感器，其特徵在於還包括保護盒(11)，與所述光學電壓傳感頭(9)連接的所述光纖(10)先進入所述保護盒(11)後經過所述保護盒(11)上的光纖引出孔(12)引出所述互感器外罩(8)，再引至電氣單元(13)。
3.根據權利要求I或2所述的懸浮電極式光學電壓互感器，其特徵在於還包括變電站的GIS腔體，所述變電站的GIS腔體接地，所述互感器外罩(8)與所述變電站的GIS腔體相連。
4.根據權利要求1-3任意之一所述的懸浮電極式光學電壓互感器，其特徵在於所述變電站的GIS腔體內填充有絕緣氣體。
5.根據權利要求4所述的懸浮電極式光學電壓互感器，其特徵在於所述絕緣氣體為SF6氣體。
6.根據權利要求1-3任意之一所述的懸浮電極式光學電壓互感器，其特徵在於當進行維護時所述接地柱(6)接地。
7.根據權利要求1-3任意之一所述的懸浮電極式光學電壓互感器，其特徵在於所述光學電壓傳感頭(9)包括第一光纖準直器(161)、起偏器(17)、1/4波片(18)、BGO晶體(19)、檢偏器(20)、第二光纖準直器(162)和第三光纖準直器(163);從電氣單兀(13)來的光信號通過光纖經所述第一光纖準直器(161)後連接到所述起偏器(17)，經所述起偏器(17)後再依次經過所述1/4波片(18)、所述BGO晶體(19)連接到所述檢偏器(20)，經所述檢偏器(20)後分為兩路，一路反射端經所述第二光纖準直器(162)後通過光纖輸出至電氣單元(13)，另一路透射端經所述第三光纖準直器(163)後通過光纖輸出至電氣單元(13)。
8.根據權利要求1-3任意之一所述的懸浮電極式光學電壓互感器，其特徵在於所述電氣單元(13)包括光學閉環反饋控制單元(14)和信號處理單元(15);光學閉環反饋控制單元(14)使光源的中心波長穩定，經過光纖(10)輸出至光學電壓傳感頭(9);信號處理單元(15)對光學電壓傳感頭(9)輸出的光信號進行處理，解調出被測電壓。
9.根據權利要求1-3任意之一所述的懸浮電極式光學電壓互感器，其特徵在於所述光學閉環反饋控制單元(14)包括SLD光源(21)、Lyot消偏器(22)、耦合器(23)、第一探測器(241)和驅動電路(26) ;SLD光源(21)產生的光經Lyot消偏器(22)變成低偏振光，經過耦合器(23)輸出至光學電壓傳感頭(9);同時耦合器(23)的輸出經過第一探測器(241)將光信號變成電信號後至驅動電路(26)，由驅動電路(26)判斷是否滿足輸出光功率的要求，計算並調整驅動電路參數，反饋至SLD光源(20)，使SLD光源(21)輸出穩定的光功率，從而使由I禹合器(23)輸出至光學電壓傳感頭(9)的光源輸出功率穩定。
10.根據權利要求1-3任意之一所述的懸浮電極式光學電壓互感器，其特徵在於所述信號處理單元(15)包括第二探測器(242)、第三探測器(243)和信號解調電路(27);第二探測器(242)、第三探測器(243)分別將光學電壓傳感頭(4)出射的兩路光信號轉變為電信號傳輸給所述信號解調電路(27)，由信號解調電路(27)分別計算第二探測器(242)、第三探測器(243)兩個探測通道的滑動平均值，計算交流比直流量，然後對兩路探測信號進行加權平均計算，使得兩路電壓幅值達到平衡，最後將所得的電壓值依據通信協議進行組幀後通過串口發送。
11.根據權利要求1-3任意之一所述的懸浮電極式光學電壓互感器，其特徵在於所述光學電壓傳感頭(9)位於電力系統的一次系統中，電氣單元(13)處於電力系統的二次系統中。
12.根據權利要求7所述的懸浮電極式光學電壓互感器，其特徵在於所述1/4波片(18)與所述起偏器(17)—體化加工而成。
13.根據權利要求7所述的懸浮電極式光學電壓互感器，其特徵在於所述BGO晶體(19)與所述電力系統中的地電極接觸，且BGO晶體(19)與地電極的接觸面鍍有鉻金膜。
14.根據權利要求1-3任意之一所述的懸浮電極式光學電壓互感器，其特徵在於所述絕緣裝置(I)為盆式絕緣子。
全文摘要
懸浮電極式光學電壓互感器，包括絕緣裝置、高壓電極、互感器殼體、懸浮電極、密封圈、接地柱、絕緣支撐、互感器外罩、傳感頭和光纖。本發明具有安裝靈活、體積小、重量輕、成本低等優勢；同時增強了電磁屏蔽的作用；實現了高壓與低壓之間的徹底隔離，大大的提高了安全性；增加了接地柱，確保了人身及設備的安全；互感器外罩與絕緣氣體氣室完全隔離，光學元器件不受絕緣氣體的影響；增加了光纖保護盒，可以保護光纖不受到損壞；1/4波片與起偏器採用一體化加工工藝，極大地減小了1/4波片的厚度，從而消弱1/4波片溫度性能對系統的影響。
文檔編號G01R15/18GK102928640SQ201110288619
公開日2013年2月13日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者王巍, 張志鑫, 譚金權, 於海成, 臧華 申請人:北京航天時代光電科技有限公司