专利名称：一种全光学高压电压互感器的制作方法
技术领域：
本发明属于电压互感器领域，具体涉及一种全光学高压电压互感器结构。
背景技术：
随着科学技术的发展，越来越多的电力系统需要处于高压或特高压环境中，如果通过人为测量其电压信号是非常不安全的，所以电压互感器在电力系统中有着非常重要的作用，是电力系统监测不可缺少的基本测试设备之一，通常将电压互感器的一次侧连接一次系统(例如高压线)，二次侧连接测量仪表，继电保护设备等等。目前，电压互感器主要有电磁式和非电磁式(如电子式、光电式)，最广泛应用的是传统的电磁感应式电压互感器，在一些超高压领域也用到了电容分压式电压互感器。随着电力需求的增长，对电能质量要求的不断提高，电力系统正向着超高压、大容量的趋势发展。这种传统的电压互感器在电力系统的安全运行、提高电能测量的准确度和提高电力系统自动化程度方面日益暴露出它的缺点如，高压和超高压情况下绝缘困难，绝缘结构复杂；跨接在电网中的互感器相当于一个非线性感性负载，在一定条件下，它与系统电容作用有可能发生铁磁共振，存在铁磁饱和、铁磁谐振现象，从而导致波形失真，线性误差大；互感器体内充油，存在爆炸的潜在危险；体积庞大，质量惊人等缺陷。现有技术中，也公开了一些光学电压互感器，其与传统电磁式电压互感器相比虽然具有信号采用光信号传输，其绝缘性能好；不含铁芯，受电磁干扰影响�。挥刑殴舱�、 磁饱和及大电感引起的滞后现象；测量频带宽，动态范围大，采用闭环控制无开路导致高压的危险等优点。但由于其结构缺陷，还存在诸多问题例如，高低压侧的隔离使得传光光路长度增大，引入了光路噪声和干扰；由于没有对高、低压侧结构进行有效绝缘，如果直接暴露在空气中或绝缘处理不得当，不但存在安全隐患，还会由于外界干扰，造成测量结构偏差；此外，可以通过结构改进使光电单元的结构更为紧凑，操作更方便。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提出一种能够实现高、低压侧彻底隔离、安全性高、抗干扰能力强、结构简单、方便操作的全光学高压电压互感器。本发明的全光学高压电压互感器是通过如下技术方案实现的一种全光学高压电压互感器，该互感器包括位于高压侧的传感单元和位于低压侧的光电单元，所述传感单元和光电单元通过保偏光纤相连接，其特征在于所述传感单元，包括高压感应装置、屏蔽绝缘装置和传感头，所述高压感应装置从高压线感应高压电势并在屏蔽绝缘装置中形成稳定电�。龃型分糜诟玫绯≈校凰龉獾绲ピㄖ糜诙位渲械墓饴凡糠趾偷缏凡糠郑淮庸庠捶⒊龅墓饩饴凡糠址殖闪绞坏南咂窆狻⒉⑼üＦ庀舜链型罚凰龃型吩诘绯〉淖饔孟拢沽绞咂窆馔ü型泛蟛辔徊頭，两束线偏振光经反射再次通过传感头后，总相位差为2<3，并且两束线偏振光的振动方向分别旋转90°，实现其模式互换；从所述传感头返回的两束线偏振光通过保偏光纤传回至光路部分进行干涉，再由电路部分探测干涉光强信号并进行信号处理后，形成数字信号输出。其中，所述高压感应装置包括金属导杆和均压球，所述金属导杆从高压线感应高压电势，将载有高压电势的金属导杆下部伸入屏蔽绝缘装置内，所述金属导杆的下端设有均压球。其中，所述屏蔽绝缘装置包括密封的圆柱形屏蔽装置，所述屏蔽装置内部填充有 SF6气体进行绝缘。其中，所述传感头包括准直透镜、法拉第旋光镜和电光晶体，所述法拉第旋光镜的两个相对面分别粘结在准直透镜和电光晶体的光入射面，在电光晶体上、与光入射面相对的另一面上镀有反射膜，所述电光晶体的上、下端面分别安装有电极。其中，所述保偏光纤和传感头采用绝缘材料制成，所述传感头置于金属导杆的一侧。其中，所述两束正交的线偏振光每次经过法拉第旋光镜时，其偏振方向均旋转 45°。其中，由二次机箱中的光路部分得到的两束正交的线偏振光分别沿保偏光纤的X 轴和Y轴传输，经过45°法拉第旋光镜，两束光的偏振方向均朝同一方向旋转45°后入射到电光晶体中，电光晶体在电场作用下产生线性电光效应，使两束线偏振光产生相位差识； 当两束光被设置于电光晶体端面上的反射膜反射后，两束光再经过电光晶体，相位差加倍， 即总相位差为2<3，再经过法拉第旋光镜，两束光的偏振方向沿在前次旋转后的基础上再旋转45°，即两束光各自旋转了 90° ；此时，最初沿保偏光纤X轴传输的线偏振光变为沿保偏光纤的Y轴传输，最初沿保偏光纤Y轴传输的线偏振光变为沿保偏光纤的X轴传输，即实现了两束光模式的互换。其中，所述两束线偏振光产生的相位差0 =厂其中，1是光传播方向上电
光晶体的长度，d是外加电场方向上电光晶体的厚度，Iitl是电光晶体的折射率，Y41是电光晶体的电光系数，U是加在电光晶体上的电压。其中，所述光路部分包括光源、耦合器I、Y波导调制器和耦合器II，从所述光源发出的光经过耦合器I耦合后进入Y波导调制器，在Y波导调制器中被分成两束正交的线偏振光，这两束光经过耦合器II耦合后进入保偏光纤并传至传感头；经过传感头之后，携带有待测电压信息的两束光再沿保偏光纤返回，经过耦合器II耦合，在Y波导调制器处发生干涉，经过干涉后的干涉光强信号经由耦合器I耦合后，进入电路部分进行信号处理。其中，所述电路部分包括光电探测器，用于探测光路部分发出的干涉光强信号、并将该信号转换为模拟电压信号，送至模数转换器；模数转换器，将模拟电压信号转换为离散的数字量信号后送入数字信号处理单元；数模转换器，将数字信号处理单元产生的数字阶梯波转换为模拟阶梯波；驱动电路，驱动模拟阶梯波施加给光路部分的Y波导调制器；以及数字信号处理单元，用于对数字量信号进行数据解调，通过积分控制算法，产生阶
5梯波台阶高度，经过累加形成数字阶梯波，并送至数字模拟转换器转换为模拟阶梯波，经过驱动电路施加给光路部分的Y波导调制器，实现闭环控制；所述数字信号处理单元还用于产生调制方波，该调制方波经过方波驱动电路转换成模拟方波，再与模拟阶梯波进行叠加， 然后施加给光路部分的Y波导调制器；所述数字信号处理单元还用于对数字量信号进行平滑滤波后，形成数字信号输出。其中，所述数字信号处理单元包括数字信号处理器(以下简称DSP)和现场可编程门阵列(以下简称FPGA)。本发明的有益效果在于1、本发明的互感器采用光学元件作为高压侧的传感头，将光电单元置于二次机箱中位于低压侧，中间通过保偏光纤传输信号，使绝缘结构大大简化，实现了高、低压侧的彻底隔离，具有安全性高、体积小、重量轻等优点，容易实现网络化和数字化；并且互感器中没有铁芯，不存在磁饱和、铁磁谐振等问题。2、本发明的屏蔽装置中采用SF6气体作为绝缘介质，不会引起火灾、爆炸等危险； 传感头与保偏光纤都采用绝缘材料且体积�。咕到峁勾蟠蠹蚧迪至烁�、低压侧的彻底隔离，安全性高。3、本发明的传感头主要是通过法拉第旋光镜和电光晶体集成在一起构成的，体积小、重量轻，便于现场使用，此外通过在电光晶体的一个侧面镀反射膜，利用该反射膜的反射式光路和法拉第旋光镜的旋光效应实现了互感器中光路的互易性，使光路具有较高的抗干扰能力。4、本发明的光电单元具有频率响应宽、动态范围大、响应速度快、数字输出、测量精度高等优点。
图1是本发明的全光学高压电压互感器的结构示意图；图2是传感头的结构示意图；图3是光路部分的结构原理示意图；图4是电路部分的结构原理示意图；图中，1-保偏光纤，2-金属导杆，3-均压球，4-屏蔽装置，5-法拉第旋光镜，6-电光晶体，7-反射膜，8-电极，9- 二次机箱，10-光源，11-耦合器I，12-Y波导调制器，13-耦合器II，14-光电探测器，15-模数转换器，16-数字信号处理单元，17-数模转换器，18-驱动电路，19-高压线，20-传感头，21-准直透镜，22-方波驱动电路。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的全光学高压互感器做进一步详细的说明。本发明的全光学高压电压互感器主要由三部分组成位于高压侧的传感单元、位于低压侧的光电单元以及连接传感单元和光电单元的保偏光纤。如图1所示，传感单元包括高压感应装置、屏蔽绝缘装置和传感头。高压感应装置包括金属导杆2和均压球3，屏蔽绝缘装置包括密封的圆柱形屏蔽装置4和充入屏蔽装置内进行绝缘的SF6气体。金属导杆2从高压线18感应高压电势，将载有高压电势的金属导杆1下部伸入屏蔽装置4内，金属导杆的下端安装有均压球3，屏蔽装置内充SF6气体进行绝缘，封闭空间内部将产生稳定电场。将传感头固定在位于屏蔽装置内部的金属导杆2的一侧，如图2所示，传感头主要由准直透镜21、法拉第旋光镜5和电光晶体6，法拉第旋光镜5的两个相对面分别粘结在准直透镜21和电光晶体6的前端面(即光入射面)，在电光晶体上、与前端面相对的后端面上镀有反射膜7，电光晶体6的上、下端面分别安装有电极8。电光晶体的电极8感应电场中的电势，并采用横向调制，即施加在电光晶体6上的电场方向与光传播方向垂直。该传感头的工作原理为由二次机箱9中的光路部分得到的两束正交的线偏振光分别沿保偏光纤的 X轴和Y轴传输，经过45°法拉第旋光镜5后，两束光的偏振方向都朝同一个方向转过45 度。接着它们入射到电光晶体6中，电光晶体在外电场作用下产生电光效应，使两束光产生
一定的相位差0 = f| 。Y41V其中，1是光传播方向上晶体的长度，d是外加电场方向上晶
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体的厚度，no是晶体的折射率，Y41是晶体的电光系数，U是加在晶体上的电压。被反射膜 7反射后，两束光再次经过电光晶体6，相位差加倍，即总相位差为2^。这两束光出电光晶体 6后又一次经过法拉第旋光镜5，根据法拉第效应的非互易性，两束光的振动方向沿之前的旋转方向再旋转45度，这样它们各自旋转了 90度。此时，原来沿保偏光纤X轴传播的光变为沿保偏光纤的Y轴传播，原来沿保偏光纤Y轴传播的光变为沿保偏光纤的X轴传播，实现了模式的互换。再由保偏光纤1传输回来，二次机箱9中的光路部分和电路部分获取两束光的干涉光强并进行探测和信号处理。由于发生干涉的两束光，在光路传输过程中，分别都经过了保偏光纤的X轴和Y轴，只是在时间上略有差别，因此返回光电探测器的光只携带了电光晶体对它们的相位调制信息。位于低压侧的光电单元，包括置于二次机箱9中的光路部分和电路部分。如图3所示，光路部分主要由光源10、耦合器I 11、Y波导调制器12和耦合器II 13组成。工作原理为光源10发出的光经过耦合器I 11后进入Y波导调制器12，Y波导调制器也称为集成光学相位调制器，是一种多功能器件，由一个Y型分束器和两个相位调制器组成，采用该Y波导调制器可以使光路部分的机构更紧凑，减小二次机箱体积，操作更方便。进入Y波导的光被Y型分束器分成两束光，并经两个相位调制器调制成两束正交的线偏振光，这两束线偏振光经过耦合器II 13进入保偏光纤1，沿着保偏光纤1的两个传输模式传输至传感头。经过传感头之后，携带了待测电压信息的两束线偏振光沿原光路返回， 在Y波导调制器12处发生干涉，然后由耦合器I 11耦合进电路部分的光电探测器14，并在电路部分进行信号处理。如图4所示，电路部分主要由光电转换器14、模数转换器15、数字信号处理单元 16、数模转换器17及相应驱动电路18组成。信号处理过程为光电探测器14探测来自光路部分的携带有待测电压信息的干涉光强信号、并将该信号转换为电压信号后，传给模数转换器15将电压信号转换为离散的数字量信号，送入数字信号处理单元16，该单元由DSP 和FPGA实现。FPGA将离散的数字量信号进行解调，并对解调结果进行积分，产生阶梯波台阶高度，再经过累加形成数字阶梯波，送至数模转换器17转换为模拟阶梯波，经过驱动电路18施加给光路部分的Y波导调制器12，实现闭环控制；FPGA还产生调制方波，通过方波驱动电路22转换成模拟方波，并将该模拟方波与上述模拟阶梯波叠加后，施加给Y波导调制器12 ；此外，DSP对FPGA的解调数据进行平滑滤波，由FPGA形成数字信号输出。之后，便可利用现有的测量设备通过测量两束光的输出数字信号，来间接测得待测电压信息，即电场大小。 最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种全光学高压电压互感器，该互感器包括位于高压侧的传感单元和位于低压侧的光电单元，所述传感单元和光电单元通过保偏光纤(1)相连接，其特征在于所述传感单元，包括高压感应装置、屏蔽绝缘装置和传感头，所述高压感应装置从高压线感应高压电势并在屏蔽绝缘装置中形成稳定电�。龃型分糜诟玫绯≈校凰龉獾绲ピㄖ糜诙位�(9)中的光路部分和电路部分；从光源发出的光经过光路部分分成两束正交的线偏振光、并通过保偏光纤传至传感头；所述传感头在电场的作用下，使两束线偏振光通过传感头后产生相位差P，两束线偏振光经反射再次通过传感头后，总相位差为2<3，并且两束线偏振光的振动方向分别旋转 90°，实现其模式互换；从所述传感头返回的两束线偏振光通过保偏光纤传回至光路部分进行干涉，再由电路部分探测干涉光强信号并进行信号处理后，形成数字信号输出。
2.如权利要求1所述的全光学高压电压互感器，其特征在于所述高压感应装置包括金属导杆( 和均压球(3)，所述金属导杆从高压线感应高压电势，将载有高压电势的金属导杆(2)下部伸入屏蔽绝缘装置内，所述金属导杆的下端设有均压球(3)。
3.如权利要求1或2所述的全光学高压电压互感器，其特征在于所述屏蔽绝缘装置包括密封的圆柱形屏蔽装置G)，所述屏蔽装置内部填充有SF6气体进行绝缘。
4.如权利要求1所述的全光学高压电压互感器，其特征在于所述传感头包括准直透镜(21)、法拉第旋光镜(5)和电光晶体(6)，所述法拉第旋光镜(5)的两个相对面分别粘结在准直透镜和电光晶体(6)的光入射面，在电光晶体上、与光入射面相对的另一面上镀有反射膜(7)，所述电光晶体(6)的上、下端面分别安装有电极(8)。
5.如权利要求4所述的全光学高压电压互感器，其特征在于所述保偏光纤和传感头采用绝缘材料制成，所述传感头置于金属导杆O)的一侧。
6.如权利要求4所述的全光学高压电压互感器，其特征在于所述两束正交的线偏振光每次经过法拉第旋光镜( 时，其偏振方向均旋转45°。
7.如权利要求4所述的全光学高压电压互感器，其特征在于由二次机箱(9)中的光路部分得到的两束正交的线偏振光分别沿保偏光纤的X轴和Y轴传输，经过45°法拉第旋光镜(5)，两束光的偏振方向均朝同一方向旋转45°后入射到电光晶体(6)中，电光晶体在电场作用下产生线性电光效应，使两束线偏振光产生相位差P;当两束光被设置于电光晶体端面上的反射膜(7)反射后，两束光再经过电光晶体，相位差加倍，即总相位差为2^，再经过法拉第旋光镜(5)，两束光的偏振方向沿在前次旋转后的基础上再旋转45°，即两束光各自旋转了 90° ；此时，最初沿保偏光纤X轴传输的线偏振光变为沿保偏光纤的Y轴传输， 最初沿保偏光纤Y轴传输的线偏振光变为沿保偏光纤的X轴传输，即实现了两束光模式的互换。
8.如权利要求1或7所述的全光学高压电压互感器，其特征在于所述两束线偏振光产生的相位差P = ^n03Y4lU 其中，1是光传播方向上电光晶体的长度，d是外加电场方向上电光晶体的厚度，IItl是电光晶体的折射率，Y41是电光晶体的电光系数，U是加在电光晶体上的电压。
9.如权利要求1所述的全光学高压电压互感器，其特征在于所述光路部分包括光源 (10)、耦合器I (11)、Y波导调制器(12)和耦合器II (13)，从所述光源(10)发出的光经过耦合器I (11)耦合后进入Y波导调制器(12)，在Y波导调制器中被分成两束正交的线偏振光，这两束光经过耦合器II (1 耦合后进入保偏光纤(1)并传至传感头；经过传感头之后， 携带有待测电压信息的两束光再沿保偏光纤返回，经过耦合器11(1 耦合，在Y波导调制器(1 处发生干涉，经过干涉后的干涉光强信号经由耦合器1(11)耦合后，进入电路部分进行信号处理。
10.如权利要求1或9所述的全光学高压电压互感器，其特征在于所述电路部分包括光电探测器(14)，用于探测光路部分发出的干涉光强信号、并将该信号转换为模拟电压信号，送至模数转换器(15)；模数转换器(15)，将模拟电压信号转换为离散的数字量信号后送入数字信号处理单元 (15)；数模转换器(17)，将数字信号处理单元产生的数字阶梯波转换为模拟阶梯波；驱动电路(18)，驱动模拟阶梯波施加给光路部分的Y波导调制器(1 ；以及数字信号处理单元(16)，用于对数字量信号进行数据解调，通过积分处理后，产生阶梯波台阶高度，经过累加形成数字阶梯波，并送至数字模拟转换器(17)转换为模拟阶梯波， 经过驱动电路(18)施加给光路部分的Y波导调制器(12)，实现闭环控制；所述数字信号处理单元(16)还用于产生调制方波，该调制方波经过方波驱动电路0 转换成模拟方波，再与模拟阶梯波进行叠加，然后施加给光路部分的Y波导调制器(1 ；所述数字信号处理单元(16)还用于对数字量信号进行平滑滤波后，形成数字信号输出。
11.如权利要求10所述的全光学高压电压互感器，其特征在于所述数字信号处理单元(16)包括数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)。
全文摘要
本发明提出了一种全光学高压电压互感器，其包括位于高压侧的高压感应装置、屏蔽绝缘装置和传感头和位于低压侧的光电单元，从光源发出的光经过光路部分分成两束正交的线偏振光、并通过保偏光纤传至传感头；传感头在电场的作用下，使两束线偏振光产生相位差，并且两束线偏振光的振动方向分别旋转90°，实现其模式互换；从所述传感头返回的两束线偏振光通过保偏光纤传回至光路部分进行干涉，再由电路部分探测干涉光强信号并进行信号处理后，形成数字信号输出。该互感器可以实现了高、低压侧的彻底隔离，具有安全性高、抗干扰能力强、体积小、重量轻、结构简单等优点，容易实现网络化和数字化；频率响应宽，动态范围大，测量精度高。
文档编号G01R15/18GK102426279SQ201110329318
公开日2012年4月25日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者张朝阳, 温海燕, 王成昊, 荆平, 陈祥训, 雷林绪 申请人:中国电力科学研究院
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