CN104965122B - 基于环形电场耦合结构的温度自动补偿型光学电压测量装置 - Google Patents

Abstract

基于环形电场耦合结构的温度自动补偿型光学电压测量装置，高压侧一次导线与半金属环组成高压侧电容，半金属环放在金属屏蔽罩内，所述金属屏蔽罩内填充SF₆绝缘气体，所述高压侧电容与低压侧分压电容串联，低压侧分压电容末端连接接地装置，低压侧分压电容两端并联光学电压传感头。ASE光源由两根光纤分别连接原光学电压传感光路、参考光路。本发明在测量高电压时灵敏度高，线性度较好；同时能在电压实时测量中，自动消除温度变化等因素的影响，使得测量结果更加准确。

Description

基于环形电场耦合结构的温度自动补偿型光学电压测量装置

技术领域

本发明一种基于环形电场耦合结构的温度自动补偿型光学电压测量装置，涉及电力***测量领域。

背景技术

随着电网的发展、能源结构的调整以及新能源发电技术的不断增加，传统电网已难以满足未来电网的发展要求。为此人们提出了智能电网的概念，以弥补传统电网的诸多不足。智能电网的一个首要特征就是实现电网参数的实时准确监测及传输，以便实行灵活控制，保证电网安全经济的运行。

为了准确、可靠的测量电力***的电压、电流等参数，对电力***的测量设备提出了更高的要求，因此，传统电磁式互感器已难以满足电力***在线监测、智能化、数字化的发展需求。而相比于传统的电磁式电压互感器，光学电压互感器具有适应现代化数字测量要求的特点。目前应用较多的是采用λ/4波片的光学电压互感器，但在很多高电压测量的情况中，电网电压变化并不大，被测电压信号始终保持在特定电压值附近波动(额定电压值的85％-115％之间)，针对这一特点设计出一种不使用λ/4波片的光学电压互感器，使之结构更加简单，且具有更高的可靠性、灵敏性以及实用性。

目前投运的光学电压互感器，高压侧大多采用串联电容分压，这要求串联电容的耐压性能好，需要很多个电容串并联，串联电容分压结构在正常工作时易受到寄生电容的影响，同时电容也会随使用时间而老化，导致精度不高。因此，采用SF₆气体绝缘的环形电场耦合结构，绝缘性能更好，分压单元也更为简单。

研究表明在实际应用中，温度是影响光学电压互感器稳定性与准确性的主要因素，针对光学电压互感器的温度漂移问题，目前有些研究人员提出了采用比较式测量的方式，即利用校正传感器对测量传感器的输出进行校正，提高测量准确度。但是校正传感器同样存在温漂问题，也会受到环境温度变化的影响，无法有效解决温漂问题。

发明内容

针对目前光学电压测量装置在实际应用中存在的光学晶体易受温度影响，高压侧串联电容分压易受到寄生电容的影响等问题，本发明提供一种基于环形电场耦合结构的温度自动补偿型光学电压测量装置，在测量高电压时灵敏度高，线性度较好；同时能在电压实时测量中，自动消除温度变化等因素的影响，使得测量结果更加准确。

本发明所采用的技术方案是：

基于环形电场耦合结构的温度自动补偿型光学电压测量装置，高压侧一次导线与半金属环组成高压侧电容，半金属环放在金属屏蔽罩内，所述金属屏蔽罩内填充SF₆绝缘气体，所述高压侧电容与低压侧分压电容串联，低压侧分压电容末端连接接地装置，低压侧分压电容两端并联光学电压传感头。

ASE光源由两根光纤分别连接原光学电压传感光路、参考光路；原光学电压传感光路包括依次连接的：第一准直透镜、第一起偏器、光学电压传感头、第一检偏器。

参考光路包括依次连接的：第二准直透镜、第二起偏器、BGO晶体、第二检偏器。

BGO晶体连接基准电压源，基准电压源连接高频电压采集装置，高频电压采集装置连接终端数据处理装置。所述第一检偏器、第二检偏器均通过光电信号转换装置连接终端数据处理装置。

所述BGO晶体上的电压由基准电压源提供，同时，高频电压采集装置不断的将每一个采集时间段内的基准电压源的电压值传送到数据总线，数据总线连接终端数据处理装置。

所述终端数据处理装置为工控机或者笔记本电脑。

基于环形电场耦合结构的温度自动补偿型光学电压测量装置的电压测量方法，所述原光学电压传感光路中的线偏振光在一次高压作用下，在光学电压传感头中产生双折射；参考光路的线偏振光在基准电压源的作用下同样发生双折射；两束线偏振光分别通过两根完全相同的光纤传输到光电信号转换装置里，光电信号转换装置将光信号转化为电信号，送到数据总线里，最终将所采集到的数据通过USB线输送到终端数据处理装置中进行计算，最终实现对温度影响的动态补偿。

本发明一种基于环形电场耦合结构的温度自动补偿型光学电压测量装置，技术效果如下：

1)、在传感***中，由于不采用λ/4波片，光路结构简单，器件减少，安装和制作难度降低，减少了各个部件可能引入的不稳定因素，因此提高了可靠性和稳定性，并且当输入电压(被测量的高电压)为(V_Ω为BGO晶体的半波电压)，测量装置有最大灵敏度。

2)、通过对基准电压源的高频电压采集，利用终端数据处理装置快速感知外界环境温度等条件的变化，并自动校准参数以测量实际电压大小，使整个测量装置实现对温度影响的动态补偿。

3)、高压测量部分的高压侧一次导线与半金属环组成高压侧分压电容，代替了传统的多个串联电容分压的情况，解决了寄生电容的问题，绝缘性能更好，分压单元也更为简单。金属屏蔽罩屏蔽外侧电压线路对于测量线路的电磁干扰，使测量结果更加准确，且其内部充以SF₆气体实现绝缘。可有效克服寄生电容的影响，克服了串联电容制作难，绝缘难等问题，环形电场耦合结构绝缘性能更好，分压单元也更为简单。

4)、传感与数据处理部分，与传统的光学电压互感器结构相比，由于不含有λ/4波片，提高了电压互感器的可靠性，增强了抗环境因素干扰的能力，并且当工作电压为(V_Ω为BGO晶体的半波电压)时，测量装置有最佳灵敏度。对于传统光路来说，不含有波片，结构更加简单，且具有更高的可靠性、灵敏性以及实用性。在实际测量特定高电压的过程中，利用晶体琼斯矩阵以及Pockels效应的琼斯矩阵进行计算，通过设计合适的BGO晶体参数，将额定电压对应的工作点选取在(为BGO晶体的半波电压)处，此时测量装置具有最高的灵敏度与准确度。

5)、相对于传统的光学电压互感器测量电压，本发明通过在传感***中加入闭环控制，实现对温度影响的动态补偿，消除了整个测量装置温漂的影响。在测量过程中，要求原光学电压传感光路与参考光路中的准直透镜，起偏器、BGO晶体、检偏器所使用的材料完全相同，尺寸大小完全相同。在基准电压源和高频电压采集装置的作用下，通过终端数据处理装置，能够对于温度的改变自动校正变量参数，以使得测量更加精确。

6)、高压测量部分和自动校正部分输送光源的线均采用光纤，光纤传输的抗干扰能力强，在变电站现场中保证了信号传输的准确度，降低了由于电磁干扰造成的误码率和丢帧现象。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的光学电压传感与数据处理***结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，基于环形电场耦合结构的温度自动补偿型光学电压测量装置，包括高压测量部分、传感与数据处理部分。

如图1所示，高压测量部分：

高压侧一次导线1与半金属环2组成了高压电侧环形电场耦合结构，作为高压侧电容，半金属环2放在金属屏蔽罩3内，所述金属屏蔽罩3内填充SF₆绝缘气体进行绝缘。所述高压侧电容与低压侧分压电容4串联分压，低压侧分压电容4末端连接接地装置6，低压侧分压电容4两端并联光学电压传感头5，所述光学电压传感头5即为原光学电压传感光路中的BGO晶体。

如图2所示，传感与数据处理部分：

ASE光源7由两根光纤分别连接原光学电压传感光路、参考光路。原光学电压传感光路包括依次连接的：第一准直透镜8、第一起偏器9、光学电压传感头5、第一检偏器11。

参考光路包括依次连接的：第二准直透镜8’、第二起偏器9’、BGO晶体10、第二检偏器11’。BGO晶体10连接基准电压源12，基准电压源12连接高频电压采集装置13，高频电压采集装置13连接终端数据处理装置15。所述第一检偏器11、第二检偏器11’均通过光电信号转换装置14连接终端数据处理装置15。

所述BGO晶体10上的电压由基准电压源12提供，基准电压源12采用220V工频电压源。同时，高频电压采集装置13不断的将每一个采集时间段内的基准电压源12的电压值传送到数据总线，数据总线连接终端数据处理装置15。

所述原光学电压传感光路中的线偏振光在一次高压作用下，在光学电压传感头5中产生双折射；参考光路的线偏振光在基准电压源12的作用下同样发生双折射。两束线偏振光分别通过两根完全相同的光纤传输到光电信号转换装置14里，光电信号转换装置14采用的型号为JetCon 1301光电信号转换器。光电信号转换装置14将光信号转化为电信号，送到数据总线里，最终将所采集到的数据通过USB线输送到终端数据处理装置15中进行计算，最终实现对温度影响的动态补偿。

所述终端数据处理装置15为工控机或者笔记本电脑。

在测量过程中，需要保证原光学电压传感光路、参考光路的：

第一准直透镜8、第二准直透镜8’所使用的材料完全相同，尺寸大小完全相同。

第一起偏器9、第二起偏器9’所使用的材料和尺寸完全相同；第一检偏器11、第二检偏器11’所使用的材料完全相同，尺寸大小完全相同。起偏器和检偏器采用的型号为ZLM-PZP-24Y型，同时具有起偏和检偏的功能。

光学电压传感头5、BGO晶体10所使用的材料和尺寸完全相同，采用Bi₄Ge₃O₁₂制作而成。

由于采用了一个和原光学电压传感光路完全相同的参考光路(校正单元)，在测量高压侧的电压值大小时，同时也测量基准电压源12，将测量的两组电压数据送入终端数据处理装置15，可以测量任意时刻***灵敏度和初始误差的大小，由于这两个参数是随着温度变化而变化的，当计算出任意时刻的***灵敏度和初始误差的大小，通过此刻测量的电压，就能测算出任意时刻的母线电压大小，彻底消除温度对于光学探头的影响，本发明整体实现了对温度影响的动态补偿，解决了传统的多个串联电容分压的情况下寄生电容影响的问题，绝缘性能更好，分压单元也更为简单，同时该方法还具有一切光学电压测量装置所具有的优点，例如：动态范围大、安全性能高、可输出数字信号等。

Claims (3)

1.基于环形电场耦合结构的温度自动补偿型光学电压测量装置，其特征在于，高压侧一次导线（1）与半金属环（2）组成高压侧电容，半金属环（2）放在金属屏蔽罩（3）内，所述金属屏蔽罩（3）内填充SF6绝缘气体，所述高压侧电容与低压侧分压电容（4）串联，低压侧分压电容（4）末端连接接地装置（6），低压侧分压电容（4）两端并联光学电压传感头（5）；

ASE光源（7）由两根光纤分别连接原光学电压传感光路、参考光路；

原光学电压传感光路包括依次连接的：第一准直透镜（8）、第一起偏器（9）、光学电压传感头（5）、第一检偏器（11）；

参考光路包括依次连接的：第二准直透镜（8’）、第二起偏器（9’）、BGO晶体（10）、第二检偏器（11’）；

BGO晶体（10）连接基准电压源（12），基准电压源（12）连接高频电压采集装置（13），高频电压采集装置（13）连接终端数据处理装置（15）；

所述第一检偏器（11）、第二检偏器（11’）均通过光电信号转换装置（14）连接终端数据处理装置（15）；

该装置采用参考光路，在测量高压侧的电压值大小时，同时也测量基准电压源（12），将测量的两组电压数据送入终端数据处理装置（15），能测量任意时刻***灵敏度和初始误差的大小，由于这两个参数是随着温度变化而变化的，当计算出任意时刻的***灵敏度和初始误差的大小，通过此刻测量的电压，即可测算出任意时刻的母线电压大小。

2.根据权利要求1所述基于环形电场耦合结构的温度自动补偿型光学电压测量装置，其特征在于，所述BGO晶体（10）上的电压由基准电压源（12）提供，同时高频电压采集装置（13）不断的将每一个采集时间段内的基准电压源（12）的电压值，传送到数据总线，数据总线连接终端数据处理装置（15），终端数据处理装置（15）为工控机或者笔记本电脑。

3.采用如权利要求1或2所述基于环形电场耦合结构的温度自动补偿型光学电压测量装置的电压测量方法，其特征在于，所述原光学电压传感光路中的线偏振光在一次高压作用下，在光学电压传感头（5）中产生双折射；参考光路的线偏振光在基准电压源（12）的作用下同样发生双折射；两束线偏振光分别通过两根完全相同的光纤传输到光电信号转换装置（14）里，光电信号转换装置（14）将光信号转化为电信号，送到数据总线里，最终将所采集到的数据通过USB线输送到终端数据处理装置（15）中进行计算，最终实现对温度影响的动态补偿。