一種三相共用光源的光學電壓傳感器的製作方法
2023-10-31 20:00:22 2
專利名稱：一種三相共用光源的光學電壓傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學電壓傳感器，特別是基於Pockels電光效應的三相共用光源的光學電壓傳感器。
背景技術：
電壓傳感器是電力系統自動化最基本的測量設備，為電力系統提供用於計量、控制和繼電保護的必要信息，在電力系統中具有廣泛的應用。隨著電力系統傳輸的電力容量越來越大，電壓等級越來越高，傳統的電磁感應式或電容分壓式電壓傳感器因其傳感機理的限制，在絕緣、帶寬、動態範圍、輸出接口、安全性、重量、體積等方面表現出許多難以克服的局限性。光學電壓傳感器是利用光電子技術和光纖傳感技術來實現電力系統電壓測量的新型傳感器。與傳統的電磁式電壓傳感器和電容分壓電壓傳感器相比較，光學電壓傳感器的突出優點是:用光纜而不是電纜作為信號傳輸工具，實現了高壓端和低壓端的徹底隔離，安全性高；高壓信號通過絕緣材料光纖傳輸到二次設備，這使得其絕緣結構大大簡化；沒有鐵芯，不存在磁飽和鐵磁諧振現象，傳感器穩定性好，系統可靠性高；可同時實現電壓測量和繼電保護兩種功能，且結構簡單，測量精度高；頻率響應寬，動態範圍大；體積小，重量輕，便於運輸和安裝；無汙染，無噪音，具有優越的環保性能；輸出數位訊號，可適應電力系統數位化、智能化和網絡化的需要，而且能實現在線檢測和故障診斷。由於光學電壓傳感器具有上述眾多突出的優點，因此它在電力系統中有著十分廣闊的應用前景。光學電壓傳感器通常利用Pockels效應實現對電壓的感知，如圖1所示:在外界電場的作用下，電光晶體中傳輸的光波的偏振態發生變化，通過檢測電光晶體輸出的光波的偏振態的變化實現對電壓的測量。申請號為20098011855.3的光學電壓傳感器，公開了 一種基於Pockels電光效應的光學電壓傳感器，採用檢偏器進行信號解調，用於測量單相電壓，如圖2所示，需要同時採用三個獨立的光學電壓互感器才能實現對三相電壓的同時測量；申請號200810238946.6光學電壓互感器，公開了一種基於Pockels電光效應的光學電壓傳感器，通過幹涉測量技術進行信號解調，用於測量單相電壓，需要同時採用三個獨立的光學電壓傳感器才能實現對三相電壓的同時測量，而且需要採用複雜的閉環控制調製解調技術。為了保障輸電安全、提高輸電效率和實現輸電功率計量，輸變電電網通常要求同時監測三相電壓的值。通過同時監測三相電壓的值，及時發現故障造成的電壓變化並進行維護，及時發現三相電壓的不平衡並進行調節；結合三相電流測量，實現輸電功率計量，實現對電網功率因子、負載品質因子的監測並通過反饋控制來提高輸電效率。同時，為了節約安裝空間、降低成本和便於維護，三相光學電壓傳感器通常集成在同一個絕緣結構內進行應用。目前公開報導的光學電壓傳感器都是針對三相電壓中的單相進行測量，再後繼進行信號處理，這種方案需要採用三個獨立的光源，存在三個光學電壓傳感器之間的一致性 較差的缺點，同時不利於實現三個光學電壓傳感器的集成。
發明內容
本發明解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種三相共用光源的光學電壓傳感器，能夠減小光源中心波長和功率變化造成的測量一致性惡化，同時易於實現測量三相電壓的光學電壓傳感器的集成。本發明的技術解決方案是:一種三相共用光源的光學電壓傳感器，包括光源、光源驅動及溫控電路、光分路器、光纖準直器、起偏器、1/4波片、電光晶體、偏振分束器、光電探測器及放大電路、信號採集與處理電路；光源之後採用了一個光分路器；從一個光源發出的光經過光分路器後分成功率比接近於1:1:1的三束，三束輸出光分別經對應的三個光纖準直器擴束後輸入三個對應的起偏器，三個起偏器輸出的線偏振光經三個對應的1/4波片轉換成圓偏振光；三束圓偏振光輸入三塊對應的電光晶體，三相待測電壓分別作用在三塊電光晶體上，由於Pockles電光效應圓偏振光通過電光晶體時偏振態發生變化；三塊電光晶體的輸出光經三個對應的偏振分束器分成正交的線偏振光，將光波的偏振態變化轉換成正交的線偏振光的光強變化；六束線偏振光分別經六個對應的光纖準直器稱合進光纖，六個光電探測器及放大電路分別將對應的六束光的光強轉換成電壓信號；信號米集與處理電路將六路電壓信號轉換成數位訊號，對採集的六路電壓信號進行零位校正，每路電壓信號分別減去無光輸入時的對應的電壓值；每相光學電壓傳感器對應的兩個零位校正後的電壓值進行除法運算，獲得三個電壓比值；對三個電壓比值進行零待測電壓校正，相對零待測電壓時的對應的電壓比值進行歸一化，輸出三個歸一化的電壓比值；根據三個歸一化的電壓比值計算出三相待測電壓的值。所述信號採集與處理電路對採集的六路電壓信號進行零位校正，每路電壓信號分別減去無光輸入時的對應的電壓值；每相光學電壓傳感器對應的兩個零位校正後的電壓值進行除法運算，獲得三個電壓比值；對三個電壓比值進行零待測電壓校正，相對零待測電壓時的對應的電壓比值進行歸一化，輸出三個歸一化的電壓比值；根據三個歸一化的電壓比值計算出三相待測電壓的值。所述的光源採用超輻射發光二極體SLD、邊發光二極體ELED或寬帶摻鉺光纖光源SFS。所述光分路器是一個3 X 3光纖耦合器或由兩個2 X 2光纖耦合器或I X 2光纖耦合器構成。本發明與現有技術相比的優點在於:(I)本發明的三相共用光源的光學電壓傳感器，三相光學電壓傳感器的靈敏度及其非線性受到光源的影響相同，有利於統一建模與補償，從而提高三相光學電壓傳感器的
測量一致性。(2)與採用三個獨立的光學電壓傳感器相比，本發明的三相共用光源的光學電壓傳感器更便於集成，從而更加適合電網對三相電壓同時測量和三相光學電壓傳感器集成安裝使用的要求。(3)本發明的信號採集與處理電路通過對採集的光電探測電壓信號進行零位校正，對電壓比值進行零待測電壓校正，補償了三相光學電壓傳感器的參數不一致，從而提高 三相光學電壓傳感器的測量一致性。
圖1為基於Pockels電光效應的光學電壓傳感器的原理圖；圖2為現有技術的單相光學電壓傳感器的結構圖；圖3為本發明的三相共用光源的光學電壓傳感器的結構圖；圖4為本發明的信號採集與處理電路的原理圖；附圖標記說明:1...光源，2...光源驅動及溫控，3...光分路器，4a、4b...傳輸光纜，5...A相光學電壓傳感器，6...B相光學電壓傳感器，7...C相光學電壓傳感器，51a、51b、51c、61a、61b、61c、71a、71b、71c...光纖準直器，52、62、72...起偏器，53、63、73...1/4 波片，54、64、74...電光晶體，55、65、75...偏振分束器，8a、8b、8c、8d、8e、8f...光電探測器及放大電路，9...信號採集與處理電路。
具體實施例方式如圖3所示，本發明公開的三相共用光源的光學電壓傳感器由電壓感知光路、光源及信號探測處理電路組成；電壓感知光路置於待測電壓環境，將待測電壓信號轉換成光信號；光源及信號探測處理電路置於控制室內，用於光源發射、光電信號檢測和電壓解算輸出；電壓感知光路和光源及信號探測處理電路之間通過傳輸光纜連接，具有優良的絕緣性能。電壓感知光路包括光纖準直器、起偏器、1/4波片、電光晶體和偏振分束器；光源及信號探測處理電路包括光源、光源驅動與溫控、光電探測器及放大電路、信號採集與處理電路。光源驅動及溫控電路2控制光源I輸出穩定的光，光源I發出的光經過光分路器3分成功率比接近於1:1:1的三束，三束輸出光分別經傳輸光纜4a輸入光纖準直器51a、光纖準直器61a和光纖準直器71a。光纖準直器51a輸出的擴束後的光束輸入起偏器52，起偏器52輸出的線偏振光經1/4波片53轉換成圓偏振光,然後輸入電光晶體54 ;待測電壓\作用在電光晶體54上，由於Pockles電光效應圓偏振光通過電光晶體54時偏振態發生變化，偏振分束器55將電光晶體54的輸出光分成正交的兩束線偏振光,將光波的偏振態變化轉換成正交的兩束線偏振光的光強變化；偏振分束器54輸出的兩束光分別經光纖準直器51b、光纖準直器51c稱合進光纖,分別經傳輸光纜4b輸入光電探測器及放大電路8a、光電探測器及放大電路8b,輸出與兩束光的光強對應的兩路電壓信號；信號米集與處理電路9將兩路電壓信號轉換成數位訊號並進行相應的信號處理，輸出待測電壓Va的值。光纖準直器61a輸出的擴束後的光束輸入起偏器62,起偏器62輸出的線偏振光經1/4波片63轉換成圓偏振光，然後輸入電光晶體64 ;待測電壓Vb作用在電光晶體64上，由於Pockles電光效應圓偏振光通過電光晶體64時偏振態發生變化,偏振分束器65將電光晶體64的輸出光分成正交的兩束線偏振光，將光波的偏振態變化轉換成正交的兩束線偏振光的光強變化；偏振分束器64輸出的兩束光分別經光纖準直器6lb、光纖準直器61c稱合進光纖,分別經傳輸光纜4b輸入光電探測器及放大電路Sb、光電探測器及放大電路8c，輸出與兩束光的光強對應的兩路電壓信號；信號採集與處理電路9將兩路電壓信號轉換成數位訊號並進行相應的信號處理，輸出待測電壓Vb的值。光纖準直器71a輸出的擴束後的光束輸入起偏器72，起偏器72輸出的線偏振光經1/4波片73轉換成圓偏振光，然後輸入電光晶體74 ;待測電壓V。作用在電光晶體74上，由於Pockles效應圓偏振光通過電光晶體74時偏振態發生變化，偏振分束器75將電光晶體74的輸出光分成正交的兩束線偏振光,將光波的偏振態變化轉換成正交的兩束線偏振光的光強變化；偏振分束器75輸出的兩束光分別經光纖準直器71b、光纖準直器71c耦合進光纖，分別經傳輸光纜4b輸入光電探測器及放大電路Se、光電探測器及放大電路8f，輸出與兩束光的光強對應的兩路電壓信號；信號採集與處理電路9將兩路電壓信號轉換成數位訊號並進行相應的信號處理，輸出待測電壓V。的值，從而實現對三相待測電壓的同時測量。如圖4所示，信號採集與處理電路9首先將光電探測器及放大電路8a輸出的電壓V8a、光電探測器及放大電路8b輸出的電壓V8b、光電探測器及放大電路Sc輸出的電壓\c、光電探測器及放大電路8d輸出的電壓V8d、光電探測器及放大電路Se輸出的電壓V8e、光電探測器及放大電路8f輸出的電壓V8f轉換成數字量；對採集的六路電壓信號進行零位校正，V8a減去無光輸入時的電壓值V8a(l、V8b減去無光輸入時的電壓值V8b(l、V8。減去無光輸入時的電壓值V8c0、V8d減去無光輸入時的電壓值V8dtl、V8e減去無光輸入時的電壓值、V8f減去無光輸
入時的電壓值V8ftl;對零位校正後的電壓進行除法運算，獲得三個電壓比值
權利要求
1.一種三相共用光源的光學電壓傳感器，包括光源、光源驅動及溫控電路、光分路器、光纖準直器、起偏器、1/4波片、電光晶體、偏振分束器、光電探測器及放大電路、信號米集與處理電路，其特徵在於:所述三相光學電壓傳感器共用一個光源及其驅動與溫控電路，光源之後採用了一個光分路器；從一個光源發出的光經過一個光分路器分成三束，經對應的三個光纖準直器擴束後輸入三個對應的起偏器，三個起偏器輸出的線偏振光經三個對應的1/4波片轉換成圓偏振光，三束圓偏振光輸入三塊對應的電光晶體，三塊電光晶體的輸出光經三個對應的偏振分束器分成正交的線偏振光，六束線偏振光分別經六個對應的光纖準直器耦合進光纖，六個光電探測器及放大電路分別將對應的六束光的光強轉換成電壓信號，信號採集與處理電路將六路電壓信號轉換成數位訊號並進行相應的信號處理，輸出三相待測電壓的值。
2.根據要求權利I所述的一種三相共用光源的光學電壓傳感器，其特徵在於:所述信號採集與處理電路對採集的六路電壓信號進行零位校正，每路電壓信號分別減去無光輸入時的對應的電壓值；每相光學電壓傳感器對應的兩個零位校正後的電壓值進行除法運算，獲得三個電壓比值；對三個電壓比值進行零待測電壓校正，相對零待測電壓時的對應的電壓比值進行歸一化，輸出三個歸一化的電壓比值；根據三個歸一化的電壓比值計算出三相待測電壓的值。
3.根據要求權利I所述的一種三相共用光源的光學電壓傳感器，其特徵在於:所述的光源採用超輻射發光二極體SLD、邊發光二極體ELED或寬帶摻鉺光纖光源SFS。
4.根據要求權利I所述的一種三相共用光源的光學電壓傳感器，其特徵在於:所述光分路器是一個3X3光纖稱合器或由兩個2X2光纖稱合器或1X2光纖稱合器構成。
全文摘要
一種三相共用光源的光學電壓傳感器，光源發出的光經光分路器分成三束，經對應的三個光纖準直器擴束後輸入三個對應的起偏器，三個起偏器輸出的線偏振光經三個對應的1/4波片轉換成圓偏振光，三束圓偏振光輸入三塊對應的電光晶體，出射後經三個對應的偏振分束器分成正交的線偏振光，六束光分別經六個對應的光纖準直器耦合進光纖，六個光電探測器及放大電路分別將對應的六束光的光強轉換成電壓信號，信號採集與處理電路將電壓信號轉換成數位訊號並進行運算處理，輸出三相待測電壓的值。本發明能夠減小光源中心波長和功率變化造成的三相電壓測量一致性惡化，同時易於實現三相光學電壓傳感器的集成，特別適合電網對三相電壓同時測量的要求。
文檔編號G01R15/24GK103163351SQ20111041822
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月13日 優先權日2011年12月13日
發明者王巍, 王學鋒, 唐才傑, 王軍龍 申請人:北京航天時代光電科技有限公司