CN101424708A - 光学电压互感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学电压互感器，由光源、耦合器、起偏器、相位调制器、保偏延迟光缆、准直透镜、法拉第旋转镜、电光传感单元、光电探测器和信号处理模块构成，电光传感单元由锗酸铋晶体、A电极、B电极组成，A电极、B电极分别安装在锗酸铋晶体的上、下面板上。本发明通过电光传感单元中的传感锗酸铋晶体中由于电场引起锗酸铋晶体折射率的变化，当两束正交线偏振光经过锗酸铋晶体时，由于Pockels效应，两束线偏振光的相位差发生变化。通过测量相干的两束光，就可以间接地测量出电场的大小。

Description

光学电压互感器

技术领域

本发明涉及一种电压型传感器，具体地说，是指一种光学电压互感器。

背景技术

电压互感器是电力系统中进行电能计量和继电保护的重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。然而随着电力工业的发展，电力传输系统容量不断增加，运行电压等级越来越高，目前我国电网的最高电压等级已达500kV，并向更高的电压等级发展。而传统的电磁式电压互感器原理是基于类似变压器原理的电磁感应，由于其工作原理决定了技术上有一些难以解决的困难。如：

(1)电压等级提高，增大了绝缘困难，致使绝缘结构复杂，体积重量更大，安装、运输不便，且造价呈指数上升。

(2)由于铁芯磁特性有限，在某些较大的工作电压或故障电压作用下可能会发生铁芯严重饱和，使测量结果出现难以容许的偏差，给电力系统提供错误信息。

(3)目前传统电压互感器内部多充以矿物油作为绝缘和散热介质，存在突然失效而可能导致燃烧、爆炸的危险。

目前大多数电压互感器是电磁式或电容分压式电压互感器，他们存在动态范围小、灵敏度低、插入损耗大等缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学电压互感器，该光学电压互感器在光纤环之后设置有准直透镜、法拉第旋转镜、电光传感单元。本发明光学电压互感器利用电场在电光传感单元上产生的Pockels效应使传输光的相位发生变化，通过测量干涉后的信号幅值可以间接测量出电场的大小。

本发明的一种光学电压互感器由光源、耦合器、起偏器、相位调制器、保偏延迟光缆、准直透镜、法拉第旋转镜、电光传感单元、光电探测器和信号处理模块构成；光源和光电探测器的尾纤分别与耦合器的两根入纤熔接，耦合器的尾纤与起偏器的入纤熔接，起偏器的尾纤与相位调制器的入纤采用45°熔接，相位调制器的尾纤与保偏延迟光缆的一端连接，保偏延迟光缆的另一端与准直透镜的尾纤连接(保偏延迟光缆的两端与相位调制器和准直透镜的尾纤的连接可以是跳线连接或者熔接)；法拉第旋转镜的两面分别粘结准直透镜和锗酸铋晶体的A面。

本发明的光学电压互感器与传统电磁式电压互感器相比，其优点：(1)信号采用光信号传输，其绝缘性能好；不含铁心，受电磁干扰影响小，没有铁磁共振、磁饱和及大电感引起的滞后现象；(2)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；(3)体积小、质量轻、结构简单，易于安装。

附图说明

图1是本发明光学电压互感器的结构框图。

图2是本发明电学晶体的结构图。

图3是本发明光学电压互感器信号处理模块的结构框图。

图4A是本发明前放电路原理图。

图4B是本发明FPGA芯片图。

图4C是本发明DSP芯片图。

图4D是本发明阶梯波、方波电路原理图。

图4E是本发明模拟输出电路原理图。

图4F是本发明光源驱动电路原理图。

图5是本发明方波调制电路输出波形图。

图6是本发明阶梯波发生电路输出波形图。

具体实施方式

本发明光学电压互感器的本质是利用两束光干涉的原理测得的。传感锗酸铋晶体中由于电场引起锗酸铋晶体折射率的变化，当两束正交线偏振光经过锗酸铋晶体时，由于Pockels效应，两束线偏振光的相位差发生变化。通过测量相干的两束光，就可以间接地测量出电场的大小。

(一)光学电压互感器的硬件结构

请参见图1、图2所示，本发明是一种光学电压互感器，由光源、耦合器、起偏器、相位调制器、保偏延迟光缆、准直透镜、法拉第旋转镜、电光传感单元1、光电探测器和信号处理模块构成；

电光传感单元1由锗酸铋晶体11、A电极12、B电极13组成，A电极12、B电极13分别安装在锗酸铋晶体11的上、下面板上；锗酸铋晶体11为长方体，其A面101为光的入射面，与A面101相对的B面102上镀有反射膜，该反射膜采用一层镀二氧化硅、另一层镀二氧化锆的交替镀膜制得，所镀层数与反射率相关，层数多则反射率高，本发明使用反射膜的反射率为99.1％。A电极12、B电极13为相同材料，可以是铝、铜或金属氧化物薄膜。

在本发明中，保偏延迟光缆的长度为200m以上。

光源和光电探测器的尾纤分别与耦合器的两根入纤熔接，耦合器的尾纤与起偏器的入纤熔接，起偏器的尾纤与相位调制器的入纤采用45°熔接，相位调制器的尾纤与保偏延迟光缆的一端连接，保偏延迟光缆的另一端与准直透镜的尾纤连接(保偏延迟光缆的两端与相位调制器和准直透镜的尾纤的连接可以是跳线连接或者熔接)；法拉第旋转镜的两面分别粘结准直透镜和锗酸铋晶体11的A面101。

在本发明中，所述光电探测器输出光强电压信号I_in给信号处理模块，信号处理模块输出方波和阶梯波的叠加信号给相位调制器；所述光学电压互感器对接收和/或输出信号进行闭环检测。所述相位调制器中光的相位差为，l表示电光传感单元的长度，d表示锗酸铋晶体的高度，n₀表示锗酸铋晶体的折射率，γ₄₁表示锗酸铋晶体的电光系数，U表示待测电压。相位调制器中光的相位差是指从光源产生的光经耦合器、起偏器进入到相位调制器中的光与光从光源产生的光经耦合器、起偏器、相位调制器、保偏延迟光缆、准直透镜、法拉第旋转镜、电光传感单元1后经电光传感单元1的C面103反射回的光之间的相位差，即相位调制器中的两束正交线偏振光之间的相位差。

在本发明中，所述光源是SLD光源或者LED光源，所述的相位调制器是PZT调制器或者光电调制器或者集成光学调制器。

(二)全光学电压互感器的电路结构

信号处理单元由前放单元、FPGA、DSP、方波调制电路、数字阶梯波发生电路、模拟输出电路、光源驱动电路和电源电路组成，前放单元接收由所述光电探测器输出的光强电压信号，并将其进行隔直、滤波、放大，经A/D转换后输出给FPGA，FPGA将采集的电压信号经解调后输出给DSP，经DSP进行数值滤波、积分处理后输出控制信号给FPGA；FPGA对接收DSP的控制信号输出给模拟输出电路，模拟输出电路对接收的数字电压信号经D/A转换后放大输出；方波调制电路接收FPGA输出的控制信号并产生方波信号，数字阶梯波发生电路接收FPGA输出的控制信号并产生数字阶梯波高度信号，方波调制电路输出的方波信号与数字阶梯波发生电路输出的数字阶梯波高度信号经叠加后驱动相位调制器；相位调制器对接收的电压信号进行调制保持干涉光强恒定；光源驱动电路输出脉冲信号驱动光源。

前放单元93

前放单元93包括隔直滤波、两级放大电路和A/D转换电路。由于光学电压互感器的输出信号极其微弱，而光电探测器8输出信号中又存在一个几百毫伏左右的直流偏置量，因此在本发明中采用阻容耦合的方法，使前级输出信号中的直流分量不至于耦合到下一级。各端子的连接如图4A所示，光纤探测器8输出的光强电压信号端与前放单元93的第一运算放大器NO1的2端连接，第一运算放大器NO1的输出端与第二运算放大器NO2的输入端连接，第二运算放大器NO2的6端与分压电路连接，分压电路的输出端与A/D转换电路D0的23端连接，A/D转换电路D0的读端、写端、时钟端、进位端分别与FPGA处理器91的读端、写端、时钟端、进位端连接，A/D转换电路D0的10位地址输出端与FPGA处理器91的10位地址输入端连接。

FPGA处理器91

本发明的光学电压互感器采用闭环检测控制，其要求方波调制、A/D采集解调数字阶梯波反馈的时序控制有严格的同步关系，在设计时序控制电路时综合考虑各控制信号经历的通道的时延。以A/D触发脉冲为基准，分频产生调制方波信号及数字相位阶梯波台阶产生的触发信号，同时控制解调过程的进行。时序采用晶振控制的锁相环产生AD采样频率，通过对AD采样频率的分频产生时序控制信号给FPGA处理器，FPGA将时序控制信号同时给调制方波电路和解调电路分别产生调制方波时序和解调时序，通过调制方波时序控制反馈阶梯波时序使方波和阶梯波严格同步。

因为A/D触发脉冲、相位台阶产生的触发脉冲和调制方波是按严格的分频来实现的，所以一旦其第一点的时序做到了同步，则其它的点也是严格同步的。

各端子的连接如图5B所示，FPGA处理电路D2的16位双向数据端与DSP处理电路D1的16位双向数据端连接，FPGA处理电路D2的16位地址输入端与DSP处理电路D1的16位地址输出端连接，FPGA处理电路D2的控制输入端与DSP处理电路D1的控制输出端连接，FPGA处理电路D2的12位数据输出端与数字阶梯波发生电路D7的12位数据输入端连接，FPGA处理电路D2的片选端、写输入端与数字阶梯波发生电路D7的片选端、写输入端连接，FPGA处理电路D2的数字信号输出端与模拟输出电路的D/A转换电路D6的数字输入端连接。

DSP处理器92

由于本发明的信号检测属于微弱信号检测的范畴，根据微弱信号检测理论，本发明采用同步相关检测技术，可以将光学电压互感器输出的信号从强噪声中提取出来。基本实现方法为：1、首先通过调制使检测系统信号的主要电路避开噪声功率密度大的地方，从而使输出噪声较小。在低频区，闪烁噪声可以比白噪声高出数倍、数十倍、甚至数百倍。本发明可以使信号不失真的从低频区移出；2、从信号与噪声的特征对比可以看出，信号与多数噪声有频率和相位两方面不同。本发明中滤波利用了频率特征的识别，再利用相位特征的识别就可以把同频率不同相位的噪声大量排除。解调模块完成解调后，将解调出的数据保存在寄存器中，并同时向DSP发中断请求信号，DSP接收到中断请求信号后进入中断服务程序读取寄存器的值。各端子的连接如图4C所示，DSP处理电路D1的16位双向数据端与FPGA处理电路D2的16位双向数据端连接，FPGA处理电路D2的16位地址输入端与DSP处理电路D1的16位地址输出端连接，FPGA处理电路D2的控制输入端与DSP处理电路D1的控制输出端连接。DSP处理电路与FPGA处理电路和连接实现数据、地址的传输。

方波调制电路94

方波调制电路94中的恒压电路产生一个恒压信号，并对所述恒压信号进行分配出两路分压信号，其中一分压信号输出一个参考电压信号给数字阶梯波发生电路，另一分压信号输出给分频电路，分频电路接收FPGA处理电路的脉冲信号并产生输出一方波信号。在本发明的全数字闭环方案中，以方波实现相位调制。方波输出的波形如图5所示。方波的周期为2τ，高度为

各端子的连接如图4D所示，方波调制电路94经分压后的参考电压信号输出端与数字阶梯波发生电路95的参考电压信号输入端连接，恒压电路D3的6端与分频电路D4的4端连接，分频电路D4的脉冲输入端与FPGA处理电路D2的脉冲输出端连接，分频电路D4产生的方波信号输出端与数字阶梯波发生电路的方波输入端连接。

数字阶梯波发生电路95：

数字阶梯波发生电路控制驱动相位调制器。数字阶梯波发生电路的输入信号是一个数字信号D_in，输出信号是电压信号V_out，这个输入输出关系成积分关系，V_out＝K_R∫D_indt，K_R为积分比例因子，相位调制器的作用使两束发生干涉的光波产生一个附加的反馈相位φ_F，当Δφ-φ_F＝0，则实现了闭环检测。反馈相移φ_F等于光学电压互感器的敏感相位，因此可以只对相位进行检测，从而去掉了光学器件造成的光功率波动的影响。

在本发明的全数字闭环方案中，以数字阶梯波实现相位补偿。数字闭环的相位关系如图7所示。其中FW为前向传播的光，BW为后向传播的光，阶梯波的台阶高度即为反馈相位。阶梯波的每个台阶宽度与光纤敏感线圈的渡越时间τ严格同步。另外，由于闭环检测时，系统的工作点始终在线性最好的

点上，因此具有非常好的线性度和宽的动态范围。方波由逻辑产生的基准信号控制模拟开关产生，阶梯波由数字反馈量通过数模转换产生，高度信号由累加器产生；方波和阶梯波的叠加采用模拟叠加方案。各端子的连接如图4D所示，FPGA处理电路D2的12位数据输出端与阶梯波发生电路D7的12位数据输入端连接，FPGA处理电路D2的片选端、写输入端与阶梯波发生电路D7的片选端、写输入端连接，方波调制电路94经分压后的参考电压信号输出端与阶梯波发生电路D7的参考电压信号输入端连接，阶梯波发生电路95的运放电路NO3的数字阶梯波高度信号输出端与方波调制电路94产生的方波信号进行叠加，所述叠加后的信号输出给相位调制器。

模拟输出电路96

模拟输出电路由D/A转换电路、两级放大电路组成，D/A转换电路将FPGA处理电路输出的数字信号转换成模拟信号，所述模拟信号经两级放大电路输出给下一级(可以是下位机或者检测设备)的电路。各端子的连接如图4E所示，FPGA处理电路D2的数字信号输出端与模拟输出电路的D/A转换电路D6的数字输入端连接，D/A转换电路D6的模拟信号输出端1与两级放大电路中的放大电路NO6的模拟信号输入端3连接。

光源驱动电路97

光源驱动电路包括高精度恒流源电路，光源管芯温度控制电路组成。高精度恒流源电路提供稳定的电压输出，使光源输出功率稳定；光源管芯温度控制电路利用稳定管芯的温敏电阻，把管芯工作在稳定的温度环境下，使光源工作不受外界温度影响，输出功率更加稳定。各端子的连接如图4F所示，恒流源电路采用Max873芯片，Max873芯片产生一恒定电压信号来驱动光源，光源管芯温度控制电路采用由热敏电阻构成的电桥来控制光源管芯温度。

本发明的信号处理模块中各模块选取芯片为：DSP选取TMS320F206芯片，FPGA选取EPF10K10TC144芯片，前放电路由两片运放OPA627芯片加一个分压电路再加一A/D转换TLV1571芯片组成，方波调制电路由恒压电路和4/8模拟复用器ADG509FBRN芯片组成，阶梯波发生电路由D/A转换DAC7545芯片和运放OPA627芯片组成。

本发明的光学电压互感器在控制与处理中采用闭环检测方案，有效地扩大了电压的测量范围0～500kV，提高了信号处理模块整体的系统灵敏度，而且可以消除部分光强变化引起的强度噪声。

Claims (2)

1、一种光学电压互感器，包括有光源、耦合器、起偏器、相位调制器、保偏延迟光缆、信号处理模块，其特征在于：还包括有准直透镜、法拉第旋转镜、电光传感单元，法拉第旋转镜的两面分别粘结在准直透镜和电光传感单元(1)的A面(101)；

所述电光传感单元(1)由锗酸铋晶体(11)、A电极(12)、B电极(13)组成，A电极(12)、B电极(13)分别安装在锗酸铋晶体(11)的上、下面板上；锗酸铋晶体(11)为长方体，A面(101)为光的入射面，与A面(101)相对的B面(102)上镀有反射膜；

所述保偏延迟光缆的长度为200m以上；

所述相位调制器中光的相位差为

l表示电光传感单元的长度，d表示锗酸铋晶体的高度，n_o表示锗酸铋晶体的折射率，γ₄₁表示锗酸铋晶体的电光系数，U表示待测电压。

2、根据权利要求1所述的光学电压互感器，其特征在于：所述的信号处理单元由前放单元(93)、FPGA处理器(91)、DSP处理器(92)、方波调制电路(94)、阶梯波发生电路(95)、模拟输出电路(96)、光源驱动电路(97)和电源电路(98)组成，前放单元(93)接收由所述光电探测器(8)输出的光强电压信号，并将其进行隔直、滤波、放大，经A/D转换后输出给FPGA处理器(91)，FPGA处理器(91)将采集的电压信号经解调后输出给DSP处理器(92)，经DSP处理器(92)进行数值滤波、积分处理后输出控制信号给FPGA处理器(91)；FPGA处理器(91)对接收DSP处理器(92)的控制信号输出给模拟输出电路(96)，模拟输出电路(96)对接收的数字电压信号经D/A转换后放大输出；方波调制电路(94)接收FPGA处理器(91)输出的控制信号并产生方波信号，阶梯波发生电路(95)接收FPGA处理器(91)输出的控制信号并产生数字阶梯波高度信号，方波调制电路(94)输出的方波信号与阶梯波发生电路(95)输出的数字阶梯波高度信号经叠加后驱动相位调制器；相位调制器受其接收的电压信号进行调制保持干涉光强恒定；光源驱动电路(97)输出脉冲信号驱动光源。

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