CN102928640A - 悬浮电极式光学电压互感器 - Google Patents

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Abstract

悬浮电极式光学电压互感器，包括绝缘装置、高压电极、互感器壳体、悬浮电极、密封圈、接地柱、绝缘支撑、互感器外罩、传感头和光纤。本发明具有安装灵活、体积小、重量轻、成本低等优势；同时增强了电磁屏蔽的作用；实现了高压与低压之间的彻底隔离，大大的提高了安全性；增加了接地柱，确保了人身及设备的安全；互感器外罩与绝缘气体气室完全隔离，光学元器件不受绝缘气体的影响；增加了光纤保护盒，可以保护光纤不受到损坏；1/4波片与起偏器采用一体化加工工艺，极大地减小了1/4波片的厚度，从而消弱1/4波片温度性能对***的影响。

Description

悬浮电极式光学电压互感器
技术领域
本发明涉及电力设备技术领域，尤其涉及悬浮电极式光学电压互感器。
背景技术
高压电力互感器是为电力***提供用于计量、控制和继电保护的最基本的测量设备。随着电力***电压等级地不断提高，传统的电磁感应式或电容分压式互感器因其传感机理的限制而表现出许多难以克服的局限性。光学电压互感器是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电压测量的新型互感器。与传统互感器相比，光学电压互感器的高压信号通过光纤传输到二次设备，绝缘大大简化、带宽高，动态范围大、无磁饱和、轻便易于安装，因此，在电力***中有着十分广阔的应用前景。
国际上，1997年，ABB电力T&D公司报导了115kV～550kV组合式光学电压/电流互感器。1997年，法国Alstom报道了123kV～765kV组合式光学电压/电流互感器，已有多台产品在欧洲和北美挂网运行。2003年，加拿大Nxtphase报道了121kV～550kV的光学电压互感器。国内自1992年开始先后有清华大学、华中科技大学等高校及电子部26所、电力科学研究院、上海互感器厂等众多单位从事此方面的研究，目前已有多种光学电压互感器样机研制出来，但绝大数仅限于试验室阶段。
目前，现有的光学电压互感器存在安装维护复杂，不可以带电作业的情况；在粘接工艺上，多个分立光学元件在固化过程中都不可避免地会产生微外移，影响方位角的准确度；此外，就调制方式来说，与横向调制方式相比，纵向调制型光学电压互感器还存在高压下绝缘成本高、输出信号与电场不成比例，信号解调难度大等问题。因此，如何提高光学电压互感器的长期可靠性以及加工工艺是其应用发展的关键所在。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种悬浮电极式光学电压互感器，体积小、重量轻、屏蔽效果好，应用方式灵活。
本发明的另一技术解决问题是：大大提高了安全性。
本发明采用的技术方案如下：悬浮电极式光学电压互感器包括：绝缘装置(1)、高压电极(2)、互感器壳体(3)、悬浮电极(4)、密封圈(5)、接地柱(6)、绝缘支撑(7)、互感器外罩(8)、光学电压传感头(9)和光纤(10)；所述绝缘装置(1)固定连接在所述互感器壳体(3)的一端，所述互感器壳体(3)另一端外侧固定连接互感器外罩(8)；所述互感器外罩(8)设有接地柱(6)；在所述互感器壳体(3)和互感器外罩(8)连接的位置设置密封圈(5)；所述高压电极(2)的一端通过所述绝缘装置(1)伸入所述互感器壳体(3)内，并和所述绝缘装置(1)固定连接；所述悬浮电极(4)通过所述绝缘支撑(7)密封固定在所述互感器壳体(3)和互感器外罩(8)的连接处、且两端分别伸入所述互感器壳体(3)和互感器外罩(8)内；所述光学电压传感头(9)置于所述互感器外罩(8)的底部，与光学电压传感头(9)连接的光纤(10)引出到所述互感器外罩(8)，再通过所述互感器外罩(8)至电气单元(13)。
上述电压互感器还包括保护盒(11)，与所述光学电压互感器传感头(9)连接的所述光纤(10)先进入所述保护盒(11)后经过所述保护盒(11)上的光纤引出孔(12)引出所述互感器外罩(8)，再引至电气单元(13)。
所述光学电压传感头(9)包括第一光纤准直器(161)、起偏器(17)、1/4波片(18)、BGO晶体(19)、检偏器(20)、第二光纤准直器(162)和第三光纤准直器(163)；从电气单元(13)来的光信号通过光纤经所述第一光纤准直器(161)后连接到所述起偏器(17)，经所述起偏器(17)后再依次经过所述1/4波片(18)、所述BGO晶体(19)连接到所述检偏器(20)，经所述检偏器(20)后分为两路，一路反射端经所述第二光纤准直器(162)后通过光纤输出至电气单元(13)，另一路透射端经所述第三光纤准直器(163)后通过光纤输出至电气单元(13)。
所述电气单元(13)包括光学闭环反馈控制单元(14)和信号处理单元(15)；光学闭环反馈控制单元(14)使光源的中心波长稳定，经过光纤(10)输出至光学电压传感头(9)；信号处理单元(15)对光学电压传感头(9)输出的光信号进行处理，解调出被测电压。
所述光学闭环反馈控制单元(14)包括SLD光源(21)、Lyot消偏器(22)、耦合器(23)、第一探测器(241)和驱动电路(26)；SLD光源(21)产生的光经Lyot消偏器(22)变成低偏振光，经过耦合器(23)输出至光学电压传感头(9)；同时耦合器(23)的输出经过第一探测器(241)将光信号变成电信号后至驱动电路(26)，由驱动电路(26)判断是否满足输出光功率的要求，计算并调整驱动电路参数，反馈至SLD光源(20)，使SLD光源(21)输出稳定的光功率，从而使由耦合器(23)输出至光学电压传感头(9)的光源输出功率稳定。
所述信号处理单元(15)包括第二探测器(242)、第三探测器(243)和信号解调电路(27)；第二探测器(242)、第三探测器(243)分别将光学电压传感头(4)出射的两路光信号转变为电信号传输给所述信号解调电路(27)，由信号解调电路(27)分别计算第二探测器(242)、第三探测器(243)两个探测通道的滑动平均值，计算交流比直流量，然后对两路探测信号进行加权平均计算，使得两路电压幅值达到平衡，最后将所得的电压值依据通信协议进行组帧后通过串口发送。
所述光学电压传感头(9)位于电力***的一次***中，电气单元(13)处于电力***的二次***中。
所述1/4波片(18)与所述起偏器(17)一体化加工而成。
所述BGO晶体(19)与所述电力***中的地电极接触，且BGO晶体(19)与地电极的接触面镀有铬金膜。
本发明与现有技术相比的有益效果如下：
(1)本发明采用技术方案的结构具有安装灵活、体积小、重量轻、成本低等优势。
(2)本发明光学电压互感器增加了互感器壳体，增强了电磁屏蔽的作用。
(3)本发明增加了悬浮电极，将一次侧高压电极的高压转换为悬浮电极的低压，实现了高压与低压之间的彻底隔离，大大的提高了安全性。
(3)本发明在互感器外罩上增加了接地柱，正常运行时，接地柱悬空；维护检修时，接地柱接地，确保了人身及设备的安全。
(4)本发明中传感头放置于互感器外罩的底部，互感器外罩与绝缘气体气室完全隔离，光学元器件不受绝缘气体的影响。
(5)本发明中增加了光纤保护盒，可以保护光纤不受到损坏。
(6)本发明中1/4波片与起偏器采用一体化加工工艺，极大地减小了1/4波片的厚度，从而消弱1/4波片温度性能对***的影响。
附图说明
图1所示的是本发明的结构原理图；
图2所示的是本发明中光学电压传感头及电气单元结构图；
图3所示的是本发明中驱动电路工作流程图；
图4所示的本发明中信号解调电路工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明包括绝缘装置1、高压电极2、互感器壳体3、悬浮电极4、密封圈5、接地柱6、绝缘支撑7、互感器外罩8、光学电压传感头9、光纤10、保护盒11和光纤引出孔12。高压电极2通过绝缘装置1固定在互感器壳体3内；悬浮电极4通过绝缘支撑7固定隔离，一部分放置在互感器壳体3内，一部分放置于互感器壳体3外的互感器外罩8内；互感器外罩8与互感器壳体3通过密封圈隔离，保证了互感器壳体3内的气密性。光学电压传感头9放置于互感器外罩8底部，光学电压传感头9的光纤10通过保护盒11的光纤引出孔12引出至电气单元13，互感器外罩8有一接地柱6，当进行维护时所述接地柱6接地。光纤10为单模光纤包括第一光纤101、第二光纤102和第三光纤103。
上述互感器中还可以包括变电站的GIS腔体，所述变电站的GIS腔体接地，互感器外罩8与所述变电站的GIS腔体相连，变电站的GIS腔体内填充有绝缘气体。绝缘气体为SF6气体。
本发明中的绝缘装置1为盆式绝缘子。本发明所谓的GIS，是指气体绝缘全封闭组合电器。本发明所谓的SF6气体，是指六氟化硫气体。本发明中，当进行维护时接地柱6接地。本发明所谓的BGO，是指锗酸铋Bi4Ge3O12；本发明所谓的SLD，是指超辐射发光二极管，即Super Luminescent Diode。
本发明中的光学电压传感头9处于电力***一次***中，电力***是指由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产、传输、分配和消费的***。由生产和分配电能的设备，如发电机、变压器和断路器等一次设备组成的***为一次***。由继电保护和安全自动装置，调度自动化和通信等辅助***是二次***。本发明中的电气单元13处于电力***二次***中。
如图2所示，光电电压传感头9是基于Pockels电光效应的横向调制结构，主要包括：第一光纤准直器161、起偏器17、1/4波片18、BGO晶体19、检偏器20、第二光纤准直器162和第三光纤准直器163。从光学闭环反馈控制单元15来的光信号通过第一光纤101经第一光纤准直器161后连接到所述起偏器17，经起偏器17后再依次经过所述1/4波片18、所述BGO晶体19连接到所述检偏器20，经检偏器20后分为两路，一路反射端经第二光纤准直器162输出，再经过第二光纤102至信号处理单元15的第二探测器242，另一路透射端经第三光纤准直器163后输出，再经过第三光纤103至信号处理单元15的第三探测器243。
光电电压传感头9的工作过程：第一光纤准直器161将入射光转变为平行光，通过起偏器17形成线偏振光再经1/4波片18分解为两束振动方向相互垂直、相差为90°的线偏振光并入射到BGO晶体19上，经过BGO晶体19产生由高压电场引起的相差，最后将BGO晶体19的两路出射光通过检偏器20由相位变化转化成光强度变化，分别经第二光纤准直器162、第三光纤准直器163与后端电路相连，此时可以利用Pockels电光效应检测所加高压电场的大小。
BGO晶体18与所述地电极的接触面镀有铬金膜，可以确保BGO晶体与地电极的良好接触，以及BGO晶体上电场分布更加均匀；1/4波片15与所述起偏器14一体化加工而成，极大地减小了1/4波片的厚度，从而消弱1/4波片温度性能对***的影响。
如图2所示，本发明中的电气单元13由光学闭环反馈控制单元14和信号处理单元15组成，所述电气单元13与后端的主控计算机或合并单元相连。光学闭环反馈控制单元14使光源的中心波长稳定，经过第一光纤101输出至光学电压传感头9；信号处理单元15对光学电压传感头9输出的两路光信号进行处理，解调出被测电压。本发明在电气单元13中增加了光学闭环反馈控制单元，可以使SLD光源输出功率更稳定，有效地控制了SLD光源中心波长的漂移现象、预防因SLD光源老化导致输出功率下降的问题。
如图2所示，光学闭环反馈控制单元14包括SLD光源21、Lyot消偏器22、耦合器23、第一探测器241和驱动电路26。SLD光源21产生的光经Lyot消偏器22变成低偏振光，经过耦合器23由第一光纤101传输至光学电压传感头9；同时耦合器23的输出经过第一探测器241将光信号变成电信号后至驱动电路26，由驱动电路26判断是否满足输出光功率的要求，计算并调整驱动电路参数，反馈至SLD光源21，使SLD光源21输出稳定的光功率，从而使由耦合器23输出至光学电压传感头9的光源输出功率稳定。本发明在光学闭环反馈控制单元14中增加了Lyot消偏器22，消除了光路偏振态受温度、光纤振动等因素引起的光功率波动，有利于光路***的稳定可靠。
如图3所示，驱动电路26的工作流程：驱动电路通电后，SLD光源21发光，随环境温度变化及发光引起SLD光源21管芯温度升高，SLD光源21光功率的不稳定，引起中心波长的不稳定，最终影响光学电压互感器的测量精度，通过第一探测器241测量光功率是否满足要求，如不满足要求，则可以通过调节驱动电流来调节SLD光源21光功率到规定的范围内，从而提高光功率和中心波长的稳定可靠性。
如图2所示，信号处理单元15包括第二探测器242、第三探测器243和信号解调电路27，所述第二光纤准直器162经所述第二探测器242连接到所述信号解调电路27，所述第三光纤准直器163经所述第三探测器243连接到所述信号解调电路27。第二探测器242、第三探测器243分别将光学电压传感头9的出射的两路光信号转变为电信号并汇总后传输给所述信号解调电路27，由信号解调电路27分别计算两个探测通道的滑动平均值，交流比直流量，进行加权平均计算，使得两路电压幅值达到平衡，所得的电压值依据通信协议进行组帧后通过串口发送。
如图4所示，信号解调电路27的工作流程：信号解调电路上电后产生下降沿脉冲，采集第二探测器242和第三探测器243输出的两路信号(包括直流量和交流量)，进行AD转换后求平均值保存到缓存，对其中的直流量，分别计算两个通道的整周波数据滑动平均值(即对探测的信号取整数个周波)，再将两个通道测量的直流量保存到缓冲，然后计算第二探测器242通道和第二探测器243探测的两个通道的交流比直流量(将第二探测器242和第三探测器243输出的两路信号分别减去直流量即为交流量，然后进行交流量比直流量计算)，进行加权平均计算，使得两路幅值达到平衡，最后将所得电压值依据通信协议进行组帧后通过串口发送。本发明对信号处理单元中两个探测器输出的双光路信号中的交流量和直流量采用软件的方法来获取，简化了信号解调电路，减少了模拟电路受温度漂移和带宽限制的影响，提高了数据的准确性。
总之，本发明具有安装灵活、体积小、重量轻、成本低等优势；同时增强了电磁屏蔽的作用；实现了高压与低压之间的彻底隔离，大大的提高了安全性；增加了接地柱，确保了人身及设备的安全；互感器外罩与绝缘气体气室完全隔离，光学元器件不受绝缘气体的影响；增加了光纤保护盒，可以保护光纤不受到损坏；1/4波片与起偏器采用一体化加工工艺，极大地减小了1/4波片的厚度，从而消弱1/4波片温度性能对***影响。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.悬浮电极式光学电压互感器，其特征在于：包括绝缘装置(1)、高压电极(2)、互感器壳体(3)、悬浮电极(4)、密封圈(5)、接地柱(6)、绝缘支撑(7)、互感器外罩(8)、光学电压传感头(9)和光纤(10)；所述绝缘装置(1)固定连接在所述互感器壳体(3)的一端，所述互感器壳体(3)另一端外侧固定连接互感器外罩(8)；所述互感器外罩(8)设有接地柱(6)；在所述互感器壳体(3)和互感器外罩(8)连接的位置设置密封圈(5)；所述高压电极(2)的一端通过所述绝缘装置(1)伸入所述互感器壳体(3)内，并和所述绝缘装置(1)固定连接；所述悬浮电极(4)通过所述绝缘支撑(7)密封固定在所述互感器壳体(3)和互感器外罩(8)的连接处、且两端分别伸入所述互感器壳体(3)和互感器外罩(8)内；所述光学电压传感头(9)置于所述互感器外罩(8)的底部，与光学电压传感头(9)连接的光纤(10)引出到所述互感器外罩(8)，再通过所述互感器外罩(8)至电气单元(13)。
2.根据权利要求1所述的悬浮电极式光学电压互感器，其特征在于：还包括保护盒(11)，与所述光学电压传感头(9)连接的所述光纤(10)先进入所述保护盒(11)后经过所述保护盒(11)上的光纤引出孔(12)引出所述互感器外罩(8)，再引至电气单元(13)。
3.根据权利要求1或2所述的悬浮电极式光学电压互感器，其特征在于：还包括变电站的GIS腔体，所述变电站的GIS腔体接地，所述互感器外罩(8)与所述变电站的GIS腔体相连。
4.根据权利要求1-3任意之一所述的悬浮电极式光学电压互感器，其特征在于：所述变电站的GIS腔体内填充有绝缘气体。
5.根据权利要求4所述的悬浮电极式光学电压互感器，其特征在于：所述绝缘气体为SF6气体。
6.根据权利要求1-3任意之一所述的悬浮电极式光学电压互感器，其特征在于：当进行维护时所述接地柱(6)接地。
7.根据权利要求1-3任意之一所述的悬浮电极式光学电压互感器，其特征在于：所述光学电压传感头(9)包括第一光纤准直器(161)、起偏器(17)、1/4波片(18)、BGO晶体(19)、检偏器(20)、第二光纤准直器(162)和第三光纤准直器(163)；从电气单元(13)来的光信号通过光纤经所述第一光纤准直器(161)后连接到所述起偏器(17)，经所述起偏器(17)后再依次经过所述1/4波片(18)、所述BGO晶体(19)连接到所述检偏器(20)，经所述检偏器(20)后分为两路，一路反射端经所述第二光纤准直器(162)后通过光纤输出至电气单元(13)，另一路透射端经所述第三光纤准直器(163)后通过光纤输出至电气单元(13)。
8.根据权利要求1-3任意之一所述的悬浮电极式光学电压互感器，其特征在于：所述电气单元(13)包括光学闭环反馈控制单元(14)和信号处理单元(15)；光学闭环反馈控制单元(14)使光源的中心波长稳定，经过光纤(10)输出至光学电压传感头(9)；信号处理单元(15)对光学电压传感头(9)输出的光信号进行处理，解调出被测电压。
9.根据权利要求1-3任意之一所述的悬浮电极式光学电压互感器，其特征在于：所述光学闭环反馈控制单元(14)包括SLD光源(21)、Lyot消偏器(22)、耦合器(23)、第一探测器(241)和驱动电路(26)；SLD光源(21)产生的光经Lyot消偏器(22)变成低偏振光，经过耦合器(23)输出至光学电压传感头(9)；同时耦合器(23)的输出经过第一探测器(241)将光信号变成电信号后至驱动电路(26)，由驱动电路(26)判断是否满足输出光功率的要求，计算并调整驱动电路参数，反馈至SLD光源(20)，使SLD光源(21)输出稳定的光功率，从而使由耦合器(23)输出至光学电压传感头(9)的光源输出功率稳定。
10.根据权利要求1-3任意之一所述的悬浮电极式光学电压互感器，其特征在于：所述信号处理单元(15)包括第二探测器(242)、第三探测器(243)和信号解调电路(27)；第二探测器(242)、第三探测器(243)分别将光学电压传感头(4)出射的两路光信号转变为电信号传输给所述信号解调电路(27)，由信号解调电路(27)分别计算第二探测器(242)、第三探测器(243)两个探测通道的滑动平均值，计算交流比直流量，然后对两路探测信号进行加权平均计算，使得两路电压幅值达到平衡，最后将所得的电压值依据通信协议进行组帧后通过串口发送。
11.根据权利要求1-3任意之一所述的悬浮电极式光学电压互感器，其特征在于：所述光学电压传感头(9)位于电力***的一次***中，电气单元(13)处于电力***的二次***中。
12.根据权利要求7所述的悬浮电极式光学电压互感器，其特征在于：所述1/4波片(18)与所述起偏器(17)一体化加工而成。
13.根据权利要求7所述的悬浮电极式光学电压互感器，其特征在于：所述BGO晶体(19)与所述电力***中的地电极接触，且BGO晶体(19)与地电极的接触面镀有铬金膜。
14.根据权利要求1-3任意之一所述的悬浮电极式光学电压互感器，其特征在于：所述绝缘装置(1)为盆式绝缘子。
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