一種全光學高壓電壓互感器的製作方法

2023-10-31 16:43:47

專利名稱：一種全光學高壓電壓互感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於電壓互感器領域，具體涉及一種全光學高壓電壓互感器結構。
背景技術：
隨著科學技術的發展，越來越多的電力系統需要處於高壓或特高壓環境中，如果通過人為測量其電壓信號是非常不安全的，所以電壓互感器在電力系統中有著非常重要的作用，是電力系統監測不可缺少的基本測試設備之一，通常將電壓互感器的一次側連接一次系統(例如高壓線)，二次側連接測量儀表，繼電保護設備等等。目前，電壓互感器主要有電磁式和非電磁式(如電子式、光電式)，最廣泛應用的是傳統的電磁感應式電壓互感器，在一些超高壓領域也用到了電容分壓式電壓互感器。隨著電力需求的增長，對電能質量要求的不斷提高，電力系統正向著超高壓、大容量的趨勢發展。這種傳統的電壓互感器在電力系統的安全運行、提高電能測量的準確度和提高電力系統自動化程度方面日益暴露出它的缺點如，高壓和超高壓情況下絕緣困難，絕緣結構複雜；跨接在電網中的互感器相當於一個非線性感性負載，在一定條件下，它與系統電容作用有可能發生鐵磁共振，存在鐵磁飽和、鐵磁諧振現象，從而導致波形失真，線性誤差大；互感器體內充油，存在爆炸的潛在危險；體積龐大，質量驚人等缺陷。現有技術中，也公開了一些光學電壓互感器，其與傳統電磁式電壓互感器相比雖然具有信號採用光信號傳輸，其絕緣性能好；不含鐵芯，受電磁幹擾影響小，沒有鐵磁共振、 磁飽和及大電感引起的滯後現象；測量頻帶寬，動態範圍大，採用閉環控制無開路導致高壓的危險等優點。但由於其結構缺陷，還存在諸多問題例如，高低壓側的隔離使得傳光光路長度增大，引入了光路噪聲和幹擾；由於沒有對高、低壓側結構進行有效絕緣，如果直接暴露在空氣中或絕緣處理不得當，不但存在安全隱患，還會由於外界幹擾，造成測量結構偏差；此外，可以通過結構改進使光電單元的結構更為緊湊，操作更方便。

發明內容
為了克服現有技術的上述缺陷，本發明的目的在於提出一種能夠實現高、低壓側徹底隔離、安全性高、抗幹擾能力強、結構簡單、方便操作的全光學高壓電壓互感器。本發明的全光學高壓電壓互感器是通過如下技術方案實現的一種全光學高壓電壓互感器，該互感器包括位於高壓側的傳感單元和位於低壓側的光電單元，所述傳感單元和光電單元通過保偏光纖相連接，其特徵在於所述傳感單元，包括高壓感應裝置、屏蔽絕緣裝置和傳感頭，所述高壓感應裝置從高壓線感應高壓電勢並在屏蔽絕緣裝置中形成穩定電場，所述傳感頭置於該電場中；所述光電單元，包括置於二次機箱中的光路部分和電路部分；從光源發出的光經過光路部分分成兩束正交的線偏振光、並通過保偏光纖傳至傳感頭；所述傳感頭在電場的作用下，使兩束線偏振光通過傳感頭後產生相位差^，兩束線偏振光經反射再次通過傳感頭後，總相位差為2<3，並且兩束線偏振光的振動方向分別旋轉90°，實現其模式互換；從所述傳感頭返回的兩束線偏振光通過保偏光纖傳回至光路部分進行幹涉，再由電路部分探測幹涉光強信號並進行信號處理後，形成數位訊號輸出。其中，所述高壓感應裝置包括金屬導杆和均壓球，所述金屬導杆從高壓線感應高壓電勢，將載有高壓電勢的金屬導杆下部伸入屏蔽絕緣裝置內，所述金屬導杆的下端設有均壓球。其中，所述屏蔽絕緣裝置包括密封的圓柱形屏蔽裝置，所述屏蔽裝置內部填充有 SF6氣體進行絕緣。其中，所述傳感頭包括準直透鏡、法拉第旋光鏡和電光晶體，所述法拉第旋光鏡的兩個相對面分別粘結在準直透鏡和電光晶體的光入射面，在電光晶體上、與光入射面相對的另一面上鍍有反射膜，所述電光晶體的上、下端面分別安裝有電極。其中，所述保偏光纖和傳感頭採用絕緣材料製成，所述傳感頭置於金屬導杆的一側。其中，所述兩束正交的線偏振光每次經過法拉第旋光鏡時，其偏振方向均旋轉 45°。其中，由二次機箱中的光路部分得到的兩束正交的線偏振光分別沿保偏光纖的X 軸和Y軸傳輸，經過45°法拉第旋光鏡，兩束光的偏振方向均朝同一方向旋轉45°後入射到電光晶體中，電光晶體在電場作用下產生線性電光效應，使兩束線偏振光產生相位差識； 當兩束光被設置於電光晶體端面上的反射膜反射後，兩束光再經過電光晶體，相位差加倍， 即總相位差為2<3，再經過法拉第旋光鏡，兩束光的偏振方向沿在前次旋轉後的基礎上再旋轉45°，即兩束光各自旋轉了 90° ；此時，最初沿保偏光纖X軸傳輸的線偏振光變為沿保偏光纖的Y軸傳輸，最初沿保偏光纖Y軸傳輸的線偏振光變為沿保偏光纖的X軸傳輸，即實現了兩束光模式的互換。其中，所述兩束線偏振光產生的相位差0 =廠其中，1是光傳播方向上電
光晶體的長度，d是外加電場方向上電光晶體的厚度，Iitl是電光晶體的折射率，Y41是電光晶體的電光係數，U是加在電光晶體上的電壓。其中，所述光路部分包括光源、耦合器I、Y波導調製器和耦合器II，從所述光源發出的光經過耦合器I耦合後進入Y波導調製器，在Y波導調製器中被分成兩束正交的線偏振光，這兩束光經過耦合器II耦合後進入保偏光纖並傳至傳感頭；經過傳感頭之後，攜帶有待測電壓信息的兩束光再沿保偏光纖返回，經過耦合器II耦合，在Y波導調製器處發生幹涉，經過幹涉後的幹涉光強信號經由耦合器I耦合後，進入電路部分進行信號處理。其中，所述電路部分包括光電探測器，用於探測光路部分發出的幹涉光強信號、並將該信號轉換為模擬電壓信號，送至模數轉換器；模數轉換器，將模擬電壓信號轉換為離散的數字量信號後送入數位訊號處理單元；數模轉換器，將數位訊號處理單元產生的數字階梯波轉換為模擬階梯波；驅動電路，驅動模擬階梯波施加給光路部分的Y波導調製器；以及數位訊號處理單元，用於對數字量信號進行數據解調，通過積分控制算法，產生階
5梯波臺階高度，經過累加形成數字階梯波，並送至數字模擬轉換器轉換為模擬階梯波，經過驅動電路施加給光路部分的Y波導調製器，實現閉環控制；所述數位訊號處理單元還用於產生調製方波，該調製方波經過方波驅動電路轉換成模擬方波，再與模擬階梯波進行疊加， 然後施加給光路部分的Y波導調製器；所述數位訊號處理單元還用於對數字量信號進行平滑濾波後，形成數位訊號輸出。其中，所述數位訊號處理單元包括數位訊號處理器(以下簡稱DSP)和現場可編程門陣列(以下簡稱FPGA)。本發明的有益效果在於1、本發明的互感器採用光學元件作為高壓側的傳感頭，將光電單元置於二次機箱中位於低壓側，中間通過保偏光纖傳輸信號，使絕緣結構大大簡化，實現了高、低壓側的徹底隔離，具有安全性高、體積小、重量輕等優點，容易實現網絡化和數位化；並且互感器中沒有鐵芯，不存在磁飽和、鐵磁諧振等問題。2、本發明的屏蔽裝置中採用SF6氣體作為絕緣介質，不會引起火災、爆炸等危險； 傳感頭與保偏光纖都採用絕緣材料且體積小，使絕緣結構大大簡化，實現了高、低壓側的徹底隔離，安全性高。3、本發明的傳感頭主要是通過法拉第旋光鏡和電光晶體集成在一起構成的，體積小、重量輕，便於現場使用，此外通過在電光晶體的一個側面鍍反射膜，利用該反射膜的反射式光路和法拉第旋光鏡的旋光效應實現了互感器中光路的互易性，使光路具有較高的抗幹擾能力。4、本發明的光電單元具有頻率響應寬、動態範圍大、響應速度快、數字輸出、測量精度高等優點。


圖1是本發明的全光學高壓電壓互感器的結構示意圖；圖2是傳感頭的結構示意圖；圖3是光路部分的結構原理示意圖；圖4是電路部分的結構原理示意圖；圖中，1-保偏光纖，2-金屬導杆，3-均壓球，4-屏蔽裝置，5-法拉第旋光鏡，6-電光晶體，7-反射膜，8-電極，9- 二次機箱，10-光源，11-耦合器I，12-Y波導調製器，13-耦合器II，14-光電探測器，15-模數轉換器，16-數位訊號處理單元，17-數模轉換器，18-驅動電路，19-高壓線，20-傳感頭，21-準直透鏡，22-方波驅動電路。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的全光學高壓互感器做進一步詳細的說明。本發明的全光學高壓電壓互感器主要由三部分組成位於高壓側的傳感單元、位於低壓側的光電單元以及連接傳感單元和光電單元的保偏光纖。如圖1所示，傳感單元包括高壓感應裝置、屏蔽絕緣裝置和傳感頭。高壓感應裝置包括金屬導杆2和均壓球3，屏蔽絕緣裝置包括密封的圓柱形屏蔽裝置4和充入屏蔽裝置內進行絕緣的SF6氣體。金屬導杆2從高壓線18感應高壓電勢，將載有高壓電勢的金屬導杆1下部伸入屏蔽裝置4內，金屬導杆的下端安裝有均壓球3，屏蔽裝置內充SF6氣體進行絕緣，封閉空間內部將產生穩定電場。將傳感頭固定在位於屏蔽裝置內部的金屬導杆2的一側，如圖2所示，傳感頭主要由準直透鏡21、法拉第旋光鏡5和電光晶體6，法拉第旋光鏡5的兩個相對面分別粘結在準直透鏡21和電光晶體6的前端面(即光入射面)，在電光晶體上、與前端面相對的後端面上鍍有反射膜7，電光晶體6的上、下端面分別安裝有電極8。電光晶體的電極8感應電場中的電勢，並採用橫向調製，即施加在電光晶體6上的電場方向與光傳播方向垂直。該傳感頭的工作原理為由二次機箱9中的光路部分得到的兩束正交的線偏振光分別沿保偏光纖的 X軸和Y軸傳輸，經過45°法拉第旋光鏡5後，兩束光的偏振方向都朝同一個方向轉過45 度。接著它們入射到電光晶體6中，電光晶體在外電場作用下產生電光效應，使兩束光產生
一定的相位差0 = f| 。Y41V其中，1是光傳播方向上晶體的長度，d是外加電場方向上晶
ο
體的厚度，no是晶體的折射率，Y41是晶體的電光係數，U是加在晶體上的電壓。被反射膜 7反射後，兩束光再次經過電光晶體6，相位差加倍，即總相位差為2^。這兩束光出電光晶體 6後又一次經過法拉第旋光鏡5，根據法拉第效應的非互易性，兩束光的振動方向沿之前的旋轉方向再旋轉45度，這樣它們各自旋轉了 90度。此時，原來沿保偏光纖X軸傳播的光變為沿保偏光纖的Y軸傳播，原來沿保偏光纖Y軸傳播的光變為沿保偏光纖的X軸傳播，實現了模式的互換。再由保偏光纖1傳輸回來，二次機箱9中的光路部分和電路部分獲取兩束光的幹涉光強並進行探測和信號處理。由於發生幹涉的兩束光，在光路傳輸過程中，分別都經過了保偏光纖的X軸和Y軸，只是在時間上略有差別，因此返回光電探測器的光只攜帶了電光晶體對它們的相位調製信息。位於低壓側的光電單元，包括置於二次機箱9中的光路部分和電路部分。如圖3所示，光路部分主要由光源10、耦合器I 11、Y波導調製器12和耦合器II 13組成。工作原理為光源10發出的光經過耦合器I 11後進入Y波導調製器12，Y波導調製器也稱為集成光學相位調製器，是一種多功能器件，由一個Y型分束器和兩個相位調製器組成，採用該Y波導調製器可以使光路部分的機構更緊湊，減小二次機箱體積，操作更方便。進入Y波導的光被Y型分束器分成兩束光，並經兩個相位調製器調製成兩束正交的線偏振光，這兩束線偏振光經過耦合器II 13進入保偏光纖1，沿著保偏光纖1的兩個傳輸模式傳輸至傳感頭。經過傳感頭之後，攜帶了待測電壓信息的兩束線偏振光沿原光路返回， 在Y波導調製器12處發生幹涉，然後由耦合器I 11耦合進電路部分的光電探測器14，並在電路部分進行信號處理。如圖4所示，電路部分主要由光電轉換器14、模數轉換器15、數位訊號處理單元 16、數模轉換器17及相應驅動電路18組成。信號處理過程為光電探測器14探測來自光路部分的攜帶有待測電壓信息的幹涉光強信號、並將該信號轉換為電壓信號後，傳給模數轉換器15將電壓信號轉換為離散的數字量信號，送入數位訊號處理單元16，該單元由DSP 和FPGA實現。FPGA將離散的數字量信號進行解調，並對解調結果進行積分，產生階梯波臺階高度，再經過累加形成數字階梯波，送至數模轉換器17轉換為模擬階梯波，經過驅動電路18施加給光路部分的Y波導調製器12，實現閉環控制；FPGA還產生調製方波，通過方波驅動電路22轉換成模擬方波，並將該模擬方波與上述模擬階梯波疊加後，施加給Y波導調製器12 ；此外，DSP對FPGA的解調數據進行平滑濾波，由FPGA形成數位訊號輸出。之後，便可利用現有的測量設備通過測量兩束光的輸出數位訊號，來間接測得待測電壓信息，即電場大小。 最後應當說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種全光學高壓電壓互感器，該互感器包括位於高壓側的傳感單元和位於低壓側的光電單元，所述傳感單元和光電單元通過保偏光纖(1)相連接，其特徵在於所述傳感單元，包括高壓感應裝置、屏蔽絕緣裝置和傳感頭，所述高壓感應裝置從高壓線感應高壓電勢並在屏蔽絕緣裝置中形成穩定電場，所述傳感頭置於該電場中；所述光電單元，包括置於二次機箱(9)中的光路部分和電路部分；從光源發出的光經過光路部分分成兩束正交的線偏振光、並通過保偏光纖傳至傳感頭；所述傳感頭在電場的作用下，使兩束線偏振光通過傳感頭後產生相位差P，兩束線偏振光經反射再次通過傳感頭後，總相位差為2<3，並且兩束線偏振光的振動方向分別旋轉 90°，實現其模式互換；從所述傳感頭返回的兩束線偏振光通過保偏光纖傳回至光路部分進行幹涉，再由電路部分探測幹涉光強信號並進行信號處理後，形成數位訊號輸出。
2.如權利要求1所述的全光學高壓電壓互感器，其特徵在於所述高壓感應裝置包括金屬導杆( 和均壓球(3)，所述金屬導杆從高壓線感應高壓電勢，將載有高壓電勢的金屬導杆(2)下部伸入屏蔽絕緣裝置內，所述金屬導杆的下端設有均壓球(3)。
3.如權利要求1或2所述的全光學高壓電壓互感器，其特徵在於所述屏蔽絕緣裝置包括密封的圓柱形屏蔽裝置G)，所述屏蔽裝置內部填充有SF6氣體進行絕緣。
4.如權利要求1所述的全光學高壓電壓互感器，其特徵在於所述傳感頭包括準直透鏡(21)、法拉第旋光鏡(5)和電光晶體(6)，所述法拉第旋光鏡(5)的兩個相對面分別粘結在準直透鏡和電光晶體(6)的光入射面，在電光晶體上、與光入射面相對的另一面上鍍有反射膜(7)，所述電光晶體(6)的上、下端面分別安裝有電極(8)。
5.如權利要求4所述的全光學高壓電壓互感器，其特徵在於所述保偏光纖和傳感頭採用絕緣材料製成，所述傳感頭置於金屬導杆O)的一側。
6.如權利要求4所述的全光學高壓電壓互感器，其特徵在於所述兩束正交的線偏振光每次經過法拉第旋光鏡( 時，其偏振方向均旋轉45°。
7.如權利要求4所述的全光學高壓電壓互感器，其特徵在於由二次機箱(9)中的光路部分得到的兩束正交的線偏振光分別沿保偏光纖的X軸和Y軸傳輸，經過45°法拉第旋光鏡(5)，兩束光的偏振方向均朝同一方向旋轉45°後入射到電光晶體(6)中，電光晶體在電場作用下產生線性電光效應，使兩束線偏振光產生相位差P;當兩束光被設置於電光晶體端面上的反射膜(7)反射後，兩束光再經過電光晶體，相位差加倍，即總相位差為2^，再經過法拉第旋光鏡(5)，兩束光的偏振方向沿在前次旋轉後的基礎上再旋轉45°，即兩束光各自旋轉了 90° ；此時，最初沿保偏光纖X軸傳輸的線偏振光變為沿保偏光纖的Y軸傳輸， 最初沿保偏光纖Y軸傳輸的線偏振光變為沿保偏光纖的X軸傳輸，即實現了兩束光模式的互換。
8.如權利要求1或7所述的全光學高壓電壓互感器，其特徵在於所述兩束線偏振光產生的相位差P = ^n03Y4lU 其中，1是光傳播方向上電光晶體的長度，d是外加電場方向上電光晶體的厚度，IItl是電光晶體的折射率，Y41是電光晶體的電光係數，U是加在電光晶體上的電壓。
9.如權利要求1所述的全光學高壓電壓互感器，其特徵在於所述光路部分包括光源 (10)、耦合器I (11)、Y波導調製器(12)和耦合器II (13)，從所述光源(10)發出的光經過耦合器I (11)耦合後進入Y波導調製器(12)，在Y波導調製器中被分成兩束正交的線偏振光，這兩束光經過耦合器II (1 耦合後進入保偏光纖(1)並傳至傳感頭；經過傳感頭之後， 攜帶有待測電壓信息的兩束光再沿保偏光纖返回，經過耦合器11(1 耦合，在Y波導調製器(1 處發生幹涉，經過幹涉後的幹涉光強信號經由耦合器1(11)耦合後，進入電路部分進行信號處理。
10.如權利要求1或9所述的全光學高壓電壓互感器，其特徵在於所述電路部分包括光電探測器(14)，用於探測光路部分發出的幹涉光強信號、並將該信號轉換為模擬電壓信號，送至模數轉換器(15)；模數轉換器(15)，將模擬電壓信號轉換為離散的數字量信號後送入數位訊號處理單元 (15)；數模轉換器(17)，將數位訊號處理單元產生的數字階梯波轉換為模擬階梯波；驅動電路(18)，驅動模擬階梯波施加給光路部分的Y波導調製器(1 ；以及數位訊號處理單元(16)，用於對數字量信號進行數據解調，通過積分處理後，產生階梯波臺階高度，經過累加形成數字階梯波，並送至數字模擬轉換器(17)轉換為模擬階梯波， 經過驅動電路(18)施加給光路部分的Y波導調製器(12)，實現閉環控制；所述數位訊號處理單元(16)還用於產生調製方波，該調製方波經過方波驅動電路0 轉換成模擬方波，再與模擬階梯波進行疊加，然後施加給光路部分的Y波導調製器(1 ；所述數位訊號處理單元(16)還用於對數字量信號進行平滑濾波後，形成數位訊號輸出。
11.如權利要求10所述的全光學高壓電壓互感器，其特徵在於所述數位訊號處理單元(16)包括數位訊號處理器(DSP)和現場可編程門陣列(FPGA)。
全文摘要
本發明提出了一種全光學高壓電壓互感器，其包括位於高壓側的高壓感應裝置、屏蔽絕緣裝置和傳感頭和位於低壓側的光電單元，從光源發出的光經過光路部分分成兩束正交的線偏振光、並通過保偏光纖傳至傳感頭；傳感頭在電場的作用下，使兩束線偏振光產生相位差，並且兩束線偏振光的振動方向分別旋轉90°，實現其模式互換；從所述傳感頭返回的兩束線偏振光通過保偏光纖傳回至光路部分進行幹涉，再由電路部分探測幹涉光強信號並進行信號處理後，形成數位訊號輸出。該互感器可以實現了高、低壓側的徹底隔離，具有安全性高、抗幹擾能力強、體積小、重量輕、結構簡單等優點，容易實現網絡化和數位化；頻率響應寬，動態範圍大，測量精度高。
文檔編號G01R15/18GK102426279SQ201110329318
公開日2012年4月25日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者張朝陽, 溫海燕, 王成昊, 荊平, 陳祥訓, 雷林緒 申請人:中國電力科學研究院