CN102914680B - 集成于gis腔体的光学电压互感器 - Google Patents

Abstract

集成于GIS腔体的光学电压互感器，包括GIS腔体、高压母线、探头、探头支撑、光纤气密引出装置、光学电压传感头、光纤、光纤保护盒和电气单元。本发明体积小、重量轻、成本低；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；降低了因压力、湿度等因素带来的安全隐患，简化了系统的复杂度；能够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；避免了因GIS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。

Description

集成于GIS腔体的光学电压互感器

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种集成于GIS腔体的光学电压互感器。

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。

目前，已有的光学电压互感器均为独立式应用方式，国内外未见光学电压互感器在GIS应用中的报道。而且，已有的光学电压互感器除了采用SF6气体进行绝缘外，高压电极与地电极之间还需要绝缘棒、盆式绝缘子等骨架来绝缘支撑，很容易导致局放及耐电压等问题，对设计及加工工艺要求非常高，并且上下电极均采用平板结构，敏感光路置于平板电极之间，容易受外界电磁场干扰，同时骨架材料本身的介电常数变化及热膨胀等都会导致测量误差，如专利申请号为200420111826.7，名称为《一种光学电压传感头》的专利公开的一种光学电压传感头结构：“上极通过上极头套嵌在上屏蔽电极内，下极头嵌在下蔽电极内，主绝缘棒的上部的外表面加工有若干伞裙，其下部开有圆柱形孔，孔内粘结有用于测主绝缘棒电压的传感部件；绝缘套筒的侧面开有气孔，绝缘套筒与上、下屏蔽电极连成一体；主缘棒位于绝缘套筒内，其上端与上极头相连，其端与下极头相连。使用时，高电压依次通过上蔽电极、上极头套和上极头加在主绝缘棒上，下头与通过下屏蔽电极与地电位相连。”因此光学电压互感器的长期安全性、可靠性得不到良好的保障。为此，急需设计一种新型的光学电压互感器。

发明内容

本发明的技术解决问题，克服现有技术的不足，提供一种集成于GIS腔体的光学电压互感器，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。

本发明的技术解决方案：集成于GIS腔体的光学电压互感器，包括GIS腔体(1)、高压母线(2)、探头(3)、探头支撑(4)、光纤气密引出装置(5)、光学电压传感头(6)、光纤(7)和电气单元(9)；所述GIS腔体(1)中安置有高压母线(2)；在所述GIS腔体(1)底部开有用于固定光学电压传感头(6)、探头(3)和探头支撑(4)的安装孔，光学电压传感头(6)、探头(3)和探头支撑(4)通过安装孔装于GIS腔体(1)内，然后将安装孔与光纤气密引出装置(5)和GIS腔体(1)底部密封对接，以使安装孔密封；探头支撑(4)底部与光纤气密引出装置(5)固定连接，探头支撑(4)上装有探头(3)，光学电压传感头(1)置于探头(3)平面上，光学电压传感头(6)与高压母线(2)之间有距离；与光学电压传感头(1)连接的光纤(7)通过光纤气密引出装置(5)引出至所述电气单元(9)。

上述集成于GIS腔体的光学电压互感器还包括光纤保护盒(8)，光纤气密引出装置(5)引出到所述光纤保护盒(8)，再引至所述电气单元(9)。

所述GIS腔体(1)内填充有绝缘气体，所述绝缘气体为SF₆气体。

所述光学电压传感头(6)和所述探头(3)表面之间的连接方式为粘结。

所述高压母线(2)与所述光学电压传感头(6)之间的距离能够通过调节所述探头支撑(4)的高度而调整，以提高测试精度。

所述光学电压传感头(6)包括第一光纤准直器(101)、起偏器(11)、1/4波片(12)、BGO晶体(13)、检偏器(14)、第二光纤准直器(102)和第三光纤准直器(103)，所述光纤(7)经所述第一光纤准直器(101)后连接到所述起偏器(11)，经所述起偏器(11)后再依次经过所述1/4波片(12)、所述BGO晶体(13)连接到所述检偏器(14)，经所述检偏器(14)后分为两路，一路经所述第二光纤准直器(102)通过光纤输出至电气单元(9)，另一路经所述第三光纤准直器(103)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(22)和信号处理单元(23)；光学闭环反馈控制单元(22)使光源的中心波长稳定，经过光纤(7)输出至光学电压传感头(6)；信号处理单元(23)对光学电压传感头(6)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(22)包括SLD光源(15)、Lyot消偏器(16)、耦合器(17)、第一探测器(181)和驱动电路(20)；SLD光源(15)产生的光经Lyot消偏器(16)变成低偏振光，经过耦合器(17)输出至光学电压传感头(1)；同时耦合器(11)的输出经过第一探测器(181)将光信号变成电信号后至驱动电路(20)，由驱动电路(20)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(15)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(1)的光源输出功率稳定。

所述信号处理单元(23)包括第二探测器(182)、第三探测器(183)和信号解调电路(21)；第二探测器(182)、第三探测器(183)分别将光学电压传感头(1)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(21)，由信号解调电路(21)分别计算第二探测器(182)、第三探测器(183)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，最后将所得至的电压值依据通信协议进行组帧后通过串口发送。

所述的光纤气密引出装置(5)包括金属化光纤(24)、金属管(25)、密封圈(26)、光纤引出法兰(27)和光纤穿通孔(28)；光纤引出法兰(27)上开有光纤穿通孔(28)，金属管(25)穿过光纤穿通孔(28)并且金属管(25)和光纤穿通孔(28)之间密封；金属化光纤(24)穿过金属管(25)并且金属化光纤(24)和金属管(25)之间密封；密封圈(26)镶嵌在光纤引出法兰(27)的密封面上并且围绕光纤穿通孔(28)设置。

所述光学电压传感头(6)位于电力系统的一次系统中，所述电气单元(9)位于电力系统的二次系统中。

所述BGO晶体13与所述地电极的接触面镀有铬金膜，可以确保BGO晶体与地电极的良好接触，以及BGO晶体上电场分布更加均匀；

所述起偏器11和所述1/4波片12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1/4波片温度性能对系统的影响。

所述光纤7为单模光纤。

所述光学电压传感头(6)位于电力系统的一次系统中，所述电气单元(9)位于电力系统的二次系统中。

本发明所谓的GIS，是指气体绝缘全封闭组合电器。本发明所谓的SF₆，是指六氟化硫；所谓的SF₆气体，是指六氟化硫气体。

本发明的有益效果如下：

(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)本发明中高压母线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)本发明中高压母线与光学电压传感头之间的高度能够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GIS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所示的是本发明的结构剖视图；

图2所示的是本发明中光学电压传感头及电气单元结构框图；

图3所示的本发明中光纤气密引出装置结构剖视图；

图4所示的是本发明中驱动电路工作流程图；

图5所示的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，本发明由GIS腔体1、高压母线2、探头3、探头支撑4、光纤气密引出装置5、光学电压传感头6、光纤7、光纤保护盒8、电气单元9组成。高压母线2置于填充有SF₆气体的GIS腔体1内，且高压母线2两端通过绝缘层与GIS腔体1固定。在GIS腔体1底部表面开有安装孔，通过所述安装孔依次安装探头支撑4、探头3和光学电压传感头6在GIS腔体1内，然后将安装孔与光纤气密引出装置5和GIS腔体1底部密封对接，以使安装孔密封；光纤气密引出装置5位于GIS腔体1外。探头支撑4底部与光纤气密引出装置5通过螺钉固定连接，探头支撑4上固定装有探头3，光学电压传感头6粘接在探头3上平面的中心位置，与光学电压传感头6粘接的光纤7通过探头支撑4和下端的光纤气密引出装置5引出到光纤保护盒8，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7为单模光纤包括第一光纤71、第二光纤72和第三光纤73。

在图1所示中：

(1)GIS腔体为单相式220kV结构；

(2)光学电压传感头直接置于GIS腔体内；

(3)为了减少局放、电压击穿等隐患，根据有限元方法对高压母线2和光学电压传感头所连接的探头等进行分析，根据分析结果设计如下，高压母线2的直径约为125mm，GIS腔体1的直径约为334mm，高压母线2到光学电压传感头6的距离约为100mm，高压母线2与光学传感头6之间无任何支撑物体，两者的距离在100mm之间(如果GIS腔体1为单相式110KV结构，高压母线2到光学电压传感头6的距离约为70mm)。上述尺寸满足220kV电压等级，其它电压等级应用中，需要重新进行分析确定。

(4)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5可以承受20个大气压，完全满足GIS腔体内SF₆气压的要求。

本发明中的光学电压传感头6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2所示，光学电压传感头6是基于Pockels电光效应的横向调制结构，BGO晶体13的两侧分别粘接1/4波片12、起偏器11和检偏器14，第一光纤准直器101、第二光纤准直器102、第三光纤准直器103分别粘接在起偏器11的输入端和检偏器14的反射端、透射端。第一光纤准直器101将入射光转变为平行光，通过起偏器11形成线偏振光又经1/4波片12分解为两束振动方向相互垂直、相差为90℃的线偏振光并入射到BGO晶体13上，经过BGO晶体13产生由高压电场引起的相差，最后将BGO晶体13的两路出射光通过检偏器14由相位变化转化成光强度变化，再分别通过第二光纤准直器102、第三光纤准直器103分别经第二光纤72和第三光纤73传输到信号处理单元23中。

光学电压传感头6工作原理是入射光通过第一光纤71，经起偏器11后变成线偏振光，再经1/4波片12产生两正交的线偏振光，由于BGO晶体13中Pockels效应的作用，两束线偏振光经晶体传输后，产生一个与外加电场相关的相位差，利用检偏器14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13的两路出射光通过检偏器14由相位变化转化成光强度变化，分别经第二光纤准直器102、第三光纤准直器103输出至电气单元9中的信号处理单元23，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13与所述地电极的接触面镀有铬金膜，可以确保BGO晶体13与地电极的良好接触，以及BGO晶体13上电场分布更加均匀。起偏器11和所述1/4波片12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5，光纤引出法兰27安装固定在端法兰上，光纤引出法兰27与端法兰之间通过密封圈26进行气密，光纤穿通孔28位于光纤引出法兰27的中心处，并穿过端法兰与GIS腔体内部连通，对入射光纤及两路出射光纤7的尾纤进行金属化封装形成金属化光纤24，然后在金属化光纤24上套接金属管25，金属化光纤24与金属管25之间通过金属焊料焊接在一起，将金属管25穿过光纤穿通孔28，并采用353ND双组份环氧树脂胶对光纤穿通孔28进行灌封固化，使得353ND双组份环氧树脂胶完全填充光纤穿通孔28的空隙，对上述结构进行，使得353ND双组份环氧树脂胶达到稳定状态。

如图2所示，电气单元9包括光学闭环反馈控制单元22和信号处理单元23；光学闭环反馈控制单元2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6；信号处理单元23对光学电压传感头6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15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，光学闭环反馈控制单元22包括SLD光源15、Lyot消偏器16、耦合器17、第一探测器181和驱动电路20；SLD光源15产生的光经Lyot消偏器16变成低偏振光，经过耦合器17由第一光纤71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20，由驱动电路20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15，使SLD光源15输出稳定的光功率，从而使由耦合器17输出至光学电压传感头6的光源输出功率稳定。本发明在光学闭环反馈控制单元22中增加了Lyot消偏器16，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，驱动电路20的工作流程：驱动电路通电后，SLD光源15发光，随环境温度变化及发光引起SLD光源15管芯温度升高，SLD光源15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181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15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23包括第二探测器182、第三探测器183和信号解调电路21，第二光纤准直器102经第二探测器182连接到所述信号解调电路21，第三光纤准直器103经第三探测器183连接到信号解调电路21。第二光纤准直器102通过第二光纤72经所述第二探测器182连接到信号解调电路21，第三光纤准直器173通过第三光纤73经第三探测器183连接到信号解调电路21。第二探测器182、第三探测器183分别将光学电压传感头6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21，由信号解调电路21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，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。

如图5所示，信号解调电路21的工作流程：信号解调电路21上电后产生下降沿脉冲，采集第二探测器182和第三探测器183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182通道和第二探测器183探测的两个通道的交流比直流量(将第二探测器182和第三探测器183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，本发明体积小、重量轻、成本低；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；降低了因压力、湿度等因素带来的安全隐患，简化了系统的复杂度；能够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；避免了因GIS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。

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.集成于GIS腔体的光学电压互感器，其特征在于：包括GIS腔体（1）、高压母线（2）、探头（3）、探头支撑（4）、光纤气密引出装置（5）、光学电压传感头（6）、光纤（7）和电气单元（9）；所述GIS腔体（1）中安置有高压母线（2）；在所述GIS腔体（1）底部开有用于固定光学电压传感头（6）、探头（3）和探头支撑（4）的安装孔，光学电压传感头（6）、探头（3）和探头支撑（4）通过安装孔装于GIS腔体（1）内，然后将安装孔与光纤气密引出装置（5）和GIS腔体（1）底部密封对接，以使安装孔密封；探头支撑（4）底部与光纤气密引出装置（5）固定连接，探头支撑（4）上装有探头（3），光学电压传感头（1）置于探头（3）平面上，光学电压传感头（6）与高压母线（2）之间有距离；与光学电压传感头（6）连接的光纤（7）通过光纤气密引出装置（5）引出至所述电气单元（9）。

2.根据权利要求1所述的集成于GIS腔体的光学电压互感器，其特征在于：还包括光纤保护盒（8），光纤气密引出装置（5）引出到所述光纤保护盒（8），再引至所述电气单元（9）。

3.根据权利要求1或2所述的集成于GIS腔体的光学电压互感器，其特征在于：所述光学电压传感头（6）置于探头（3）表面的中心位置。

4.根据权利要求1或2所述的集成于GIS腔体的光学电压互感器，其特征在于：所述GIS腔体（1）内填充有绝缘气体。

5.根据权利要求1或2所述的集成于GIS腔体的光学电压互感器，其特征在于：所述光学电压传感头（6）和所述探头（3）表面之间的连接方式为粘结。

6.根据权利要求1或2所述的集成于GIS腔体的光学电压互感器，其特征在于：所述高压母线（2）与所述光学电压传感头（6）之间的距离能够通过调节所述探头支撑（4）的高度而调整，以提高测试精度。

7.根据权利要求1或2所述的集成于GIS腔体的光学电压互感器，其特征在于：所述光学电压传感头（6）包括第一光纤准直器（101）、起偏器（11）、1/4波片（12）、BGO晶体（13）、检偏器（14）、第二光纤准直器（102）和第三光纤准直器（103），所述光纤（7）经所述第一光纤准直器（101）后连接到所述起偏器（11），经所述起偏器（11）后再依次经过所述1/4波片（12）、所述BGO晶体（13）连接到所述检偏器（14），经所述检偏器（14）后分为两路，一路经所述第二光纤准直器（102）通过光纤输出至电气单元（9），另一路经所述第三光纤准直器（103）通过光纤输出至电气单元（9）。

8.根据权利要求1或2所述的集成于GIS腔体的光学电压互感器，其特征在于：所述电气单元（9）包括光学闭环反馈控制单元（22）和信号处理单元（23）；光学闭环反馈控制单元（22）使光源的中心波长稳定，经过光纤（7）输出至光学电压传感头（6）；信号处理单元（23）对光学电压传感头（6）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所述的集成于GIS腔体的光学电压互感器，其特征在于：所述光学闭环反馈控制单元（22）包括SLD光源（15）、Lyot消偏器（16）、耦合器（17）、第一探测器（181）和驱动电路（20）；SLD光源（15）产生的光经Lyot消偏器（16）变成低偏振光，经过耦合器（17）输出至光学电压传感头（6）；同时耦合器（11）的输出经过第一探测器（181）将光信号变成电信号后至驱动电路（20），由驱动电路（20）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（15）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（1）的光源输出功率稳定。

10.根据权利要求8所述的集成于GIS腔体的光学电压互感器，其特征在于：所述信号处理单元（23）包括第二探测器（182）、第三探测器（183）和信号解调电路（21）；第二探测器（182）、第三探测器（183）分别将光学电压传感头（6）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（21），由信号解调电路（21）分别计算第二探测器（182）、第三探测器（183）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，最后将所得至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所述的集成于GIS腔体的光学电压互感器，其特征在于：所述的光纤气密引出装置（5）包括金属化光纤（24）、金属管（25）、密封圈（26）、光纤引出法兰（27）和光纤穿通孔（28）；光纤引出法兰（27）上开有光纤穿通孔（28），金属管（25）穿过光纤穿通孔（28）并且金属管（25）和光纤穿通孔（28）之间密封；金属化光纤（24）穿过金属管（25）并且金属化光纤（24）和金属管（25）之间密封；密封圈（26）镶嵌在光纤引出法兰（27）的密封面上并且围绕光纤穿通孔（28）设置。

12.根据权利要求1所述的集成于GIS腔体的光学电压互感器，其特征在于：所述光学电压传感头（6）位于电力系统的一次系统中，所述电气单元（9）位于电力系统的二次系统中。

13.根据权利要求7所述的集成于GIS腔体的光学电压互感器，其特征在于：所述BGO晶体（13）与电力系统中的地电极接触，且BGO晶体（13）与地电极的接触面镀有铬金膜。

14.根据权利要求7所述的集成于GIS腔体的光学电压互感器，其特征在于：所述起偏器（11）和所述1/4波片（12）采用一体化加工工艺制成。

15.根据权利要求7所述的集成于GIS腔体的光学电压互感器，其特征在于：所述光纤（7）为单模光纤。

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