CN104793038A - 一种电力***全光学过电压监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力***全光学过电压监测装置，属于电压测量技术领域。包括：用于发出激光信号的激光源、起偏器、光学电场传感器、偏振分束器、光接收机、模数转换器、缓存器、处理器和工控机。本发明提出的电力***全光学过电压监测装置，采用了集成光学电场传感器，由于光学电场传感器中不含有金属，对原电场影响较小，因此具有较高的测量可靠性；本测量装置具有很大的频率范围，在工频和过电压频率下频响一致，因此能兼顾工频电压以及内过电压和外过电压的测量，本装置除用于电力***中的过电压在线监测以外，还能用于试验、调试过程中的过电压测量，为可能出现的设备故障提供分析数据。

Description

一种电力***全光学过电压监测装置

技术领域

本发明涉及一种电力***全光学过电压监测装置，属于电压测量技术领域。

背景技术

过电压是造成电网事故的主要原因之一，也是选择电气设备绝缘强度的决定性因素。过电压的持续时间虽然短暂，但是由于其峰值高、波形陡、能量大的特点，会对电气绝缘造成严重威胁。在电力***中，对过电压的测量和分析有着极其重要的意义。通过分析过电压的发生发展过程，可以为处理事故提供可靠的数据，为提出改进措施提供重要的参考依据。同时也可以为电气制造提供实际有效的资料。

例如对于变电站而言，对220kV及以下***，电气设备的绝缘水平主要由雷电过电压决定；对330kV及以上电压等级的超高压***，操作过电压成为主要矛盾，绝缘配合需要将操作过电压控制在一定范围，再用避雷器作为后备保护。研究及工程人员采用标准雷电波、标准操作波代替设备实际承受的冲击电压波形，作为试验波形，进行试验。用250s/2500s的标准操作冲击电压的试验结果做绝缘配合可能带来两个后果：若250s确实是间隙的临界波前时间，而实际过电压波头远长于250s，采用标准操作波的试验结果可能导致绝缘配合的裕度过大，经济性差；若250s不是间隙的临界波前时间，则在某种波头的操作波作用下，间隙的击穿电压更低，导致绝缘配合的安全性降低。所以，获取正确的过电压波形，对绝缘配合的经济性与安全性都有根本性意义。

目前较为成熟的过电压测量方法主要利用的是电容分压器的原理。采用高压分压器或电容式套管末屏连接低压臂分压器的方式，将高压侧电压转化为可采集的低电压信号。但该方案受到杂散电容、电感等因素的影响，导致测量精度不够高。同时其上限截止频率往往仅有几MHz，难以准确测量频率较高的过电压信号。

所以如何获得大量实测数据，得到实测过电压波形特征，对于指导电力设备的试验规程与绝缘配合导则的修订，和提升绝缘配合的经济性与***运行的安全性有着十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种电力***全光学过电压监测装置，采用光学电场传感器，通过测量准静态电场来反推电压变化情况，实现过电压的监测。本发明具有频带宽、采样率高、可靠性强的特点，满足过电压监测的要求。

本发明提出的电力***全光学过电压监测装置，包括：

激光源，用于发出激光信号；

起偏器，用于通过光纤接收光源输出的激光信号，并将激光信号转化为线偏振光；

光学电场传感器，用于通过光纤接收线偏振光，将线偏振光分解为在传感器晶体的快轴和慢轴上传播的两路偏振光信号，并用于感应输电线路中的电压产生的电场，基于泡克耳斯效应，传感器感应的电场改变晶体快轴和慢轴中传播光的折射率，对两路光进行调制，使两路光产生与电场大小相对应的相位差，两路光在传感器晶体的输出端发生干涉，得到包含有输电线路中电压变化信息的椭圆偏振态激光；

偏振分束器，用于通过光纤接收光学电场传感器输出的椭圆偏振态激光，并使偏振态信号转化为两路光强度信号；

光接收机，用于通过光纤接收偏振分束器输出的任意一路光强度信号，并将该光强信号转化为电压信号；

模数转换器，用于通过射频电缆接收光接收机的电压信号，并将电压信号的模拟量转换为数字信号；

缓存器，用于存储模数转换器的数字电压信号；

处理器，用于根据设定的电力***的过电压阈值，对上述缓存器中的数字电压信号进行判断，若数字电压信号小于或等于过电压阈值，则清空缓存，继续检测过程，若数字电压信号大于过电压阈值，则判定电力***中产生了过电压，并将缓存器中的相应数据发送到工控机中；

工控机，用于存储采集到的过电压信号并显示。

本发明提出的电力***全光学过电压监测装置，其优点是：

1、本发明的电力***全光学过电压监测装置中，采用了集成光学电场传感器，由于光学电场传感器中不含有金属，对原电场影响较小，因此具有较高的测量可靠性。

2、本发明检测装置中采用的光学电场传感器，具有很大的频率范围，在工频和过电压频率下频响一致，因此能兼顾工频电压以及内过电压和外过电压的测量。

3、本发明的测量装置，与电网一次设备无直接的电气连接，绝缘问题小，安装维护较为方便。

4、本发明除用于电力***中的过电压在线监测以外，还能用于试验、调试过程中的过电压测量。在现场耐压试验或新设备投运时，通过本发明对过电压进行测量，能够为可能出现的设备故障提供分析数据。

附图说明

图1为本发明提出的电力***全光学过电压监测装置的结构示意图。

图2为本发明提出的电力***全光学过电压监测装置的一个使用状态图。

图1和图2中，1是激光源，2是起偏器，3是光纤，4是光学电场传感器，5是偏振分束器，6是光接收机，7是模数转换器，8是缓存器，9是处理器，10是射频电缆，11是工控机，12是光纤绝缘子，13是输电线路。

具体实施方式

本发明提出的一种电力***全光学过电压监测装置，其结构如图1所示，该过电压监测装置包括：

激光源1，用于发出激光信号，本发明的一个实施例中，使用的激光源的型号为俊峰公司的C波段增益平坦ASE光源。

起偏器2，用于通过光纤3接收光源输出的激光信号，并将激光信号转化为线偏振光；

光学电场传感器4，用于通过光纤3接收线偏振光，将线偏振光分解为在传感器晶体的快轴和慢轴上传播的两路偏振光信号，并用于感应电力***中的电压产生的电场，基于泡克耳斯效应，传感器感应的电场改变晶体快轴和慢轴中传播光的折射率，对两路光进行调制，使两路光产生与电场大小相对应的相位差，两路光在传感器晶体的输出端发生干涉，得到包含有电力***中电压变化信息的椭圆偏振态激光。

与现有过电压监测技术相比，本发明的过电压监测装置中采用的光学电场传感器4，采用基于泡克耳斯效应的集成共路干涉电场传感器，利用光电效应，传感器可以感应到产生过电压时的瞬时电压以及正常工作时的工频电压。将电压信号引起的电场信号，转化为光信号。所述光学电场传感器4的频率范围大，可以同时采集工频信号和过电压信号。实施例中公开光学电场传感器的生产单位为清华大学，名称为一种基于共路干涉的集成电场传感器，专利号201210348311.8。

使用本发明的电力***全光学过电压监测装置对电力***中输电线路的过电压进行监测时，首先将光学电场传感器4，通过光纤绝缘子放置在需要测量的电力***的输电线路附近，如图2中所示，使光学电场传感器4与电力***一次设备无直接的电气连接，因此没有绝缘的问题。光学电场传感器4的输入和输出的光信号，均通过光纤3进行传输。激光源1和光接收机6可以放置在主控室内，因此无电磁干扰和供电的问题。

偏振分束器5，用于通过光纤3接收光学电场传感器4输出的椭圆偏振态激光，并使偏振态信号转化为两路光强度信号；由于两路光强度信号互补，所以任意一路光强度信号都携带有完整的电压变化信息。

光接收机6，用于通过光纤接收偏振分束器5输出的任意一路光强度信号，并将该光强信号转化为电压信号；本发明的一个实施例中，使用的光接收机6的型号为Thorlabs公司的DET01CFC。

模数转换器7，用于通过射频电缆10接收光接收机6输出的电压信号，并将电压信号的模拟量转换为数字信号；

缓存器8，用于存储模数转换器7的数字电压信号；

处理器9，用于根据设定的电力***输电线路的过电压阈值，对上述缓存器8中的数字电压信号进行判断，若数字电压信号小于或等于过电压阈值，则清空缓存，继续检测过程，若数字电压信号大于过电压阈值，则判定电力***中产生了过电压，并将缓存器中的相应数据发送到工控机中；本发明的一个实施例中，使用的处理器采用德州仪器公司的C6000系列。

工控机11，用于存储采集到的过电压信号并显示，可以采用一般的计算机作为工控机11。

图2所示为本发明提出的电力***全光学过电压监测装置的一个使用状态图，采用本装置监测电力***中输电线路的过电压，首先将光学电场传感器4由光纤绝缘子12固定放置在待测的输电线路13附近。通过光纤绝缘子中的光纤，将传感器输入端与输出端与光纤3连接。所述电场传感器4放置在靠近输电线路13处，受到其他两相的电场干扰小。

上述的安装示意图仅是本发明光学电场传感器的一种安装方式，但不应该理解为本发明专利范围的限制。对于使用本发明的技术人员，可以结合测量需要，采用不同的手段，将传感器放置在需要进行过电压测量的位置。

本发明除用于电力***中的过电压在线监测以外，还能用于试验、调试过程中的过电压测量。在现场耐压试验或新设备投运时，通过本发明对过电压进行测量，能够为可能出现的设备故障提供分析数据。

Claims (1)

1.一种电力***全光学过电压监测装置，其特征在于该过电压监测装置包括：

激光源，用于发出激光信号；

起偏器，用于通过光纤接收光源输出的激光信号，并将激光信号转化为线偏振光；

光学电场传感器，用于通过光纤接收线偏振光，将线偏振光分解为在传感器晶体的快轴和慢轴上传播的两路偏振光信号，并用于感应电力***中的电压产生的电场，基于泡克耳斯效应，传感器感应的电场改变晶体快轴和慢轴中传播光的折射率，对两路光进行调制，使两路光产生与电场大小相对应的相位差，两路光在传感器晶体的输出端发生干涉，得到包含有电力***中电压变化信息的椭圆偏振态激光；

偏振分束器，用于通过光纤接收光学电场传感器输出的椭圆偏振态激光，并使偏振态信号转化为两路光强度信号；

光接收机，用于通过光纤接收偏振分束器输出的任意一路光强度信号，并将该光强信号转化为电压信号；

模数转换器，用于通过射频电缆接收光接收机的电压信号，并将电压信号的模拟量转换为数字信号；

缓存器，用于存储模数转换器的数字电压信号；

处理器，用于根据设定的电力***的过电压阈值，对上述缓存器中的数字电压信号进行判断，若数字电压信号小于或等于过电压阈值，则清空缓存，继续检测过程，若数字电压信号大于过电压阈值，则判定电力***中产生了过电压，并将缓存器中的相应数据发送到工控机中；

工控机，用于存储采集到的过电压信号并显示。