CN102914677B - 罐体式单相光学电压互感器 - Google Patents

Abstract

罐体式单相光学电压互感器，包括绝缘子、GIS腔体、高压电极、探头、探头支撑、光学电压传感头、光纤、光纤气密引出装置、光纤保护盒、电气单元、充气和出气阀门；光学电压传感头的光纤通过探头支撑和下端的光纤气密引出装置引出到光纤保护盒，再引至电气单元。本发明应用方式灵活、体积小、重量轻、屏蔽效果好，消除了附属支撑物引起的局放现象及耐电压问题，降低了安全隐患，简化了系统的复杂度，容易安装维护并确保了GIS系统的抗压强度和绝缘性能。

Description

罐体式单相光学电压互感器

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，尤其涉及罐体式单相光学电压互感器。

背景技术

高压电力互感器是为电力系统提供用于计量、控制和继电保护的必要设备。随着电力系统电压等级地不断提高，光学电压互感器在诸方面展示出了比传统电压互感器的优势，比如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、频率响应宽，动态范围大、无磁饱和、轻便易于安装等，因此，光学电压互感器在电力系统中的应用备受重视。

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。

现有技术中的光学电压互感器存在体积较大、重量重、成本高、局放现象及耐电压等问题；而且需进行额外的绝缘设计，因此增加了因压力、湿度等因素带来的安全隐患。

为此，急需设计一种新型的无源光学电压互感器。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种罐体式单相光学电压互感器，体积小、重量轻、屏蔽效果好，应用方式灵活。

本发明的再一个技术解决问题：消除了附属支撑物引起的局放现象及耐电压问题，降低了安全隐患，简化了系统的复杂度，容易安装维护并确保了GIS系统的抗压强度和绝缘性能。

本发明采用的技术方案如下：罐体式单相光学电压互感器，包括绝缘子(1)、高压电极(2)、GIS腔体(3)、光学电压传感头(4)、探头(6)、探头支撑(7)、光纤(10)、光纤气密引出装置(8)、电气单元(9)；所述高压电极(2)的一端位于所述GIS腔体(3)外，所述高压电极(2)的另一端经过绝缘子(1)置于GIS腔体(3)内；在所述GIS腔体(3)底部开有用于固定光学电压传感头(4)、探头(6)和探头支撑(7)的安装孔，光学电压传感头(4)、探头(6)、探头支撑(7)通过安装孔装于GIS腔体(3)内，然后将光纤气密引出装置(8)和GIS腔体(3)底部密封对接，以使安装孔密封；光纤气密引出装置(8)位于GIS腔体(3)外；所述高压电极(2)与所述光学电压传感头(4)之间的距离；探头支撑(7)底部与光纤气密引出装置(8)固定连接，探头支撑(7)上装有探头(6)，光学电压传感头(4)置于探头(6)上平面与所述高压电极(2)的另一端相对应的位置；与光学电压传感头(4)连接的光纤(10)通过光纤气密引出装置(8)引出至所述电气单元(9)。

上述罐体式单相光学电压互感器还包括防爆膜(12)，所述防爆膜(12)与所述GIS腔体(3)连通。

上述罐体式单相光学电压互感器还包括光纤保护盒(11)，光纤气密引出装置(8)引出到所述光纤保护盒(11)，再引至所述电气单元(9)。

所述绝缘子(1)固定在GIS腔体(3)的顶部，探头(6)安装在探头支撑(7)的顶部，光学电压传感头(4)置于探头(6)顶部表面的中心。

所述GIS腔体(3)内填充有SF₆绝缘气体。

所述光学电压传感头(4)和所述探头(6)表面之间的连接方式为粘结。

所述高压电极(2)与所述光学电压传感头(4)之间的高度能够根据不同的电压等级进行调整，以便于提高测试精度。

所述光学电压传感头(4)包括第一光纤准直器(151)、起偏器(16)、1/4波片(17)、BGO晶体(18)、检偏器(19)、第二光纤准直器(152)和第三光纤准直器(153)；从电气单元(9)来的光信号通过光纤经所述第一光纤准直器(151)后连接到所述起偏器(16)，经所述起偏器(16)后再依次经过所述1/4波片(17)、所述BGO晶体(18)连接到所述检偏器(19)，经所述检偏器(19)后分为两路，一路反射端经所述第二光纤准直器(152)后通过光纤输出至电气单元(9)，另一路透射端经所述第三光纤准直器(153)后通过光纤输出至电气单元(9)。

所述电气单元(9)包括光学闭环反馈控制单元(13)和信号处理单元(14)；光学闭环反馈控制单元(13)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(4)；信号处理单元(14)对光学电压传感头(4)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(13)包括SLD光源(20)、Lyot消偏器(21)、耦合器(22)、第一探测器(231)和驱动电路(25)；SLD光源(20)产生的光经Lyot消偏器(21)变成低偏振光，经过耦合器(22)输出至光学电压传感头(4)；同时耦合器(22)的输出经过第一探测器(231)将光信号变成电信号后至驱动电路(25)，由驱动电路(25)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(20)输出稳定的光功率，从而使由耦合器(22)输出至光学电压传感头(4)的光源输出功率稳定。

所述信号处理单元(14)包括第二探测器(232)、第三探测器(233)和信号解调电路(26)；第二探测器(232)、第三探测器(233)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(26)，由信号解调电路(26)分别计算第二探测器(232)、第三探测器(233)的两个探测通道的滑动平均值，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。

所述光纤气密引出装置(8)的光纤引出方法采用光纤金属化封装技术，所述光纤气密引出装置(8)包括金属化光纤(27)、金属管(28)、密封圈(29)、光纤引出法兰(30)和光纤穿通孔(31)，；光纤引出法兰(30)上开有光纤穿通孔(31)，所述金属管(28)穿过光纤穿通孔(31)并且金属管(28)和光纤穿通孔(31)之间密封，金属化光纤(27)穿过金属管(28)并且金属化光纤(27)和金属管(28)之间密封，密封圈(29)镶嵌在所述光纤引出法兰(30)的密封面上并且围绕所述光纤穿通孔(31)设置。

本发明与现有技术相比的有益效果如下：

(1)本发明中光学电压传感头通过探头、探头支撑、光纤气密引出装置直接放置于GIS腔体内，应用方式灵活、体积小、重量轻、成本低；

(2)本发明中光学电压传感头直接放置于GIS腔体内，屏蔽效果好；

(3)本发明中高压母线与光学电压传感头之间无需任何骨架支撑，设计结构简单，消除了附属支撑物引起的局放现象及耐电压问题；

(4)本发明中高压电极与光学电压传感头之间直接采用GIS腔体中的SF6气体绝缘，无需进行额外的绝缘设计，降低了因压力、湿度等因素带来的安全隐患，简化了系统的复杂度；

(5)本发明中高压电极与光学电压传感头之间的高度可以根据不同的电压等级进行调整，设计灵活、简单，容易安装维护；

(6)本发明中光纤气密引出装置的光纤引出方法采用光纤金属化封装技术，该技术避免了因GI S腔体与外界环境存在的气压差所造成的光纤引出端气体泄漏，确保了GIS系统的抗压强度和绝缘性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中光学电压传感头及电气单元结构图；

图3为本发明中光纤气密引出装置结构剖视图；

图4为本发明中驱动电路工作流程图；

图5为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，本发明实施例包括绝缘子1、高压电极2、GIS腔体3、探头6、探头支撑7、光学电压传感头4、光纤10、光纤气密引出装置8、光纤保护盒11、电气单元9、防爆膜12、充气和出气阀门5。GIS腔体3内填充有SF6绝缘气体，高压电极2的一端位于所述GIS腔体3外，高压电极2的另一端经过绝缘子1置于GIS腔体3内；绝缘子1固定在GIS腔体3的顶部，充气和出气阀门5与GIS腔体3连通；防爆膜12与GIS腔体3连通。

在GIS腔体3底部开有用于固定光学电压传感头4、探头6和探头支撑7的安装孔，光学电压传感头4、探头6和探头支撑7通过安装孔装于GIS腔体3内，然后将光纤气密引出装置8和GI S腔体3底部密封对接，以使安装孔密封；探头6安装在探头支撑7的顶部，光纤气密引出装置8位于GI S腔体3外；探头支撑7底部与光纤气密引出装置8通过螺钉固定连接，探头支撑7上固定装有探头6，光学电压传感头4粘结置于探头6上平面的中心位置，与光学电压传感头4粘接的光纤10通过探头支撑7和下端的光纤气密引出装置8引出到光纤保护盒11，再引至电气单元9，电气单元9与后端的主控计算机或合并单元相连。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。

上电后高压电极2感应出也电场，光学电压传感头4根据Pockels电光效应检测到相位差，通过光纤10输出至电气单元9。

本发明的GIS，是指气体绝缘开关；所谓的GIS腔体，是指气体绝缘开关腔体。本发明的SF₆是指六氟化硫。BGO为锗酸铋Bi4Ge3O12；SLD，为超辐射发光二极管，即Super Luminescent Diode。本发明中的绝缘子1为盆式绝缘子。本发明实施例中的GIS腔体3为单相式220KV结构，高压电极2到光学电压传感头4的距离约为100mm左右；如果GI S腔体3为单相式110KV结构，高压电极2到光学电压传感头4的距离约为70mm。为了确保GIS腔体的抗压强度和绝缘性能，经试验，光纤气密引出装置8可以承受20个大气压，完全满足GIS腔体1内SF₆气压的要求。探头6和探头支撑7的材料均为金属，如铝合金等。

本发明中的光学电压传感头4处于电力系统一次系统中，电力系统是指由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产、传输、分配和消费的系统。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系统为一次系统。由继电保护和安全自动装置，调度自动化和通信等辅助系统是二次系统。本发明中的电气单元9处于电力系统二次系统中。

如图1所示，光学电压传感头4是基于Pockels电光效应的横向调制结构。光学电压传感头4通过探头6、探头支撑7直接放置于GIS腔体3内。高压电极2与光学电压传感头4之间无需任何骨架支撑。高压电极2与光学电压传感头4之间直接采用GIS腔体3中的SF6气体绝缘，无需进行额外的绝缘设计。高压电极2与光学电压传感头4之间的高度可以根据不同的电压等级进行调整。在光学电压互感器中，光纤气密引出装置8的光纤引出方法采用光纤金属化封装技术。

如图2所示，光学电压传感头4包括第一光纤准直器151、起偏器16、1/4波片17、BGO晶体18、检偏器19、第二光纤准直器152和第三光纤准直器153；从光学闭环反馈控制单元13来的光信号通过第一光纤101经第一光纤准直器151后连接到所述起偏器16，经起偏器16后再依次经过所述1/4波片17、所述BGO晶体18连接到所述检偏器19，经检偏器19后分为两路，一路反射端经第二光纤准直器152输出，再经过第二光纤102至信号处理单元14的第二探测器232，另一路透射端经第三光纤准直器153后输出，再经过第三光纤103至信号处理单元14的第三探测器233。

光学电压传感头4的工作原理：从电气单元9光学闭环反馈控制单元13来的入射光通过第一光纤101，经起偏器16后变成线偏振光，再经1/4波片17产生两正交的线偏振光，由于BGO晶体18中Pockels效应的作用，两束线偏振光经BGO晶体18传输后，产生一个与外加电场相关的相位差，利用检偏器19使两束线偏振光产生干涉，将相位检测变成光强检测，最后将BGO晶体18的两路出射光通过检偏器19由相位变化转化成光强度变化，分别经第二光纤准直器152、第三光纤准直器153输出至电气单元9中的信号处理单元14，此时可以利用Pockels电光效应检测所加高压电场的大小。

本发明中的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18与地电极的良好接触，以及BGO晶体18上电场分布更加均匀。

起偏器16和所述1/4波片17采用一体化加工工艺制成，极大地减小了1/4波片的厚度，从而消弱了1/4波片温度性能对系统的影响。

如图3所示，光纤气密引出装置8的光纤引出方法采用光纤金属化封装技术。光纤气密引出装置8包括金属化光纤27、金属管28、密封圈29、光纤引出法兰30和光纤穿通孔31，光纤引出法兰30上开有光纤穿通孔31，金属管28穿过光纤穿通孔31并且金属管28和光纤穿通孔31之间密封，金属化光纤27穿过金属管28并且金属化光纤27和金属管28之间密封，密封圈29镶嵌在光纤引出法兰30的密封面上并且围绕光纤穿通孔31设置。

如图2所示，本发明中的电气单元9由光学闭环反馈控制单元13和信号处理单元14组成。光学闭环反馈控制单元13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4；信号处理单元14对光学电压传感头4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9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，本发明的光学闭环反馈控制单元13包括SLD光源20、Lyot消偏器21、耦合器22、第一探测器231和驱动电路25；SLD光源20产生的光经Lyot消偏器21变成低偏振光，经过耦合器22由第一光纤101传输至光学电压传感头4；同时耦合器22的输出经过第一探测器231将光信号变成电信号后至驱动电路25，由驱动电路25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20输出稳定的光功率，从而使由耦合器22输出至光学电压传感头4的光源输出功率稳定。本发明在光学闭环反馈控制单元13中增加了Lyot消偏器21，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，有利于光路系统的稳定可靠。

如图4所示，本发明中的驱动电路25的工作流程：驱动电路通电后，SLD光源20发光，随环境温度变化及发光引起SLD光源20管芯温度升高，SLD光源20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231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20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，本发明的信号处理单元14包括第二探测器232、第三探测器233和信号解调电路26，第二光纤准直器152经第二探测器232连接到所述信号解调电路26，第三光纤准直器153经第三探测器233连接到信号解调电路26。第二探测器232、第三探测器233分别将光学电压传感头4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26，由信号解调电路26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5所示，信号解调电路26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232和第三探测器233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232通道和第二探测器233探测的两个通道的交流比直流量(将第二探测器232和第三探测器233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，本发明应用方式灵活、体积小、重量轻、屏蔽效果好，消除了附属支撑物引起的局放现象及耐电压问题，降低了安全隐患，简化了系统的复杂度，容易安装维护并确保了GIS系统的抗压强度和绝缘性能。

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 (15)

1.罐体式单相光学电压互感器，其特征在于：包括绝缘子（1）、高压电极（2）、GIS腔体（3）、光学电压传感头（4）、探头（6）、探头支撑（7）、光纤（10）、光纤气密引出装置（8）、电气单元（9）；所述高压电极（2）的一端位于所述GIS腔体（3）外，所述高压电极（2）的另一端经过绝缘子（1）置于GIS腔体（3）内；在所述GIS腔体（3）底部开有用于固定光学电压传感头（4）、探头（6）和探头支撑（7）的安装孔，光学电压传感头（4）、探头（6）、探头支撑（7）通过安装孔装于GIS腔体（3）内，然后将光纤气密引出装置（8）和GIS腔体（3）底部密封对接，以使安装孔密封；光纤气密引出装置（8）位于GIS腔体（3）外；所述高压电极（2）与所述光学电压传感头（4）之间有距离；探头支撑（7）底部与光纤气密引出装置（8）固定连接，探头支撑（7）上装有探头（6），光学电压传感头（4）置于探头（6）的上平面与所述高压电极（2）的另一端相对应的位置；与光学电压传感头（4）连接的光纤（10）通过光纤气密引出装置（8）引出至所述电气单元（9）；

还包括充气和出气阀门（5），所述充气和出气阀门（5）与所述GIS腔体（3）连通；

所述GIS腔体（3）内填充有SF₆绝缘气体。

2.根据权利要求1所述的罐体式单相光学电压互感器，其特征在于：还包括防爆膜（12），所述防爆膜（12）与所述GIS腔体（3）连通。

3.根据权利要求1所述的罐体式单相光学电压互感器，其特征在于：还包括光纤保护盒（11），光纤气密引出装置（8）引出到所述光纤保护盒（11），再引至所述电气单元（9）。

4.根据权利要求1-3任意之一所述的罐体式单相光学电压互感器，其特征在于：所述绝缘子（1）固定在GIS腔体（3）的顶部，探头（6）安装在探头支撑（7）的顶部，光学电压传感头（4）置于探头（6）顶部表面的中心。

5.根据权利要求1-3任意之一所述的罐体式单相光学电压互感器，其特征在于：所述光学电压传感头（4）和所述探头（6）表面之间的连接方式为粘结。

6.根据权利要求1-3任意之一所述的罐体式单相光学电压互感器，其特征在于：所述高压电极（2）与所述光学电压传感头（4）之间的距离能够根据不同的电压等级进行调整，以提高测试精度。

7.根据权利要求1-3任意之一所述的罐体式单相光学电压互感器，其特征在于：所述光学电压传感头（4）包括第一光纤准直器（151）、起偏器（16）、1/4波片（17）、BGO晶体（18）、检偏器（19）、第二光纤准直器（152）和第三光纤准直器（153）；从电气单元（9）来的光信号通过光纤经所述第一光纤准直器（151）后连接到所述起偏器（16），经所述起偏器（16）后再依次经过所述1/4波片（17）、所述BGO晶体（18）连接到所述检偏器（19），经所述检偏器（19）后分为两路，一路反射端经所述第二光纤准直器（152）后通过光纤输出至电气单元（9），另一路透射端经所述第三光纤准直器（153）后通过光纤输出至电气单元（9）。

8.根据权利要求1-3任意之一所述的罐体式单相光学电压互感器，其特征在于：所述电气单元（9）包括光学闭环反馈控制单元（13）和信号处理单元（14）；光学闭环反馈控制单元（13）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（4）；信号处理单元（14）对光学电压传感头（4）输出的光信号进行处理，解调出被测电压。

9.根据权利要求8所述的罐体式单相光学电压互感器，其特征在于：所述光学闭环反馈控制单元（13）包括SLD光源（20）、Lyot消偏器（21）、耦合器（22）、第一探测器（231）和驱动电路（25）；SLD光源（20）产生的光经Lyot消偏器（21）变成低偏振光，经过耦合器（22）输出至光学电压传感头（4）；同时耦合器（22）的输出经过第一探测器（231）将光信号变成电信号后至驱动电路（25），由驱动电路（25）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（20）输出稳定的光功率，从而使由耦合器（22）输出至光学电压传感头（4）的光源输出功率稳定。

10.根据权利要求8所述的罐体式单相光学电压互感器，其特征在于：所述信号处理单元（14）包括第二探测器（232）、第三探测器（233）和信号解调电路（26）；第二探测器（232）、第三探测器（233）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（26），由信号解调电路（26）分别计算第二探测器（232）、第三探测器（233）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任意之一所述的罐体式单相光学电压互感器，其特征在于：所述光纤气密引出装置（8）的光纤引出方法采用光纤金属化封装技术，所述光纤气密引出装置（8）包括金属化光纤（27）、金属管（28）、密封圈（29）、光纤引出法兰（30）和光纤穿通孔（31）；光纤引出法兰（30）上开有光纤穿通孔（31），所述金属管（28）穿过光纤穿通孔（31）并且金属管（28）和光纤穿通孔（31）之间密封，金属化光纤（27）穿过金属管（28）并且金属化光纤（27）和金属管（28）之间密封，密封圈（29）镶嵌在所述光纤引出法兰（30）的密封面上并且围绕所述光纤穿通孔（31）设置。

12.根据权利要求1-3任意之一所述的罐体式单相光学电压互感器，其特征在于：所述光学电压传感头（4）位于电力系统的一次系统中，电气单元（9）处于电力系统的二次系统中。

13.根据权利要求7所述的罐体式单相光学电压互感器，其特征在于：所述BGO晶体（18）与所述电力系统中的地电极接触，且BGO晶体（18）与地电极的接触面镀有铬金膜。

14.根据权利要求7所述的罐体式单相光学电压互感器，其特征在于：所述起偏器（16）和所述1/4波片（17）采用一体化加工工艺制成。

15.根据权利要求1-3之一所述的罐体式单相光学电压互感器，其特征在于：所述绝缘子（1）为盆式绝缘子。

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