CN104049134A - 一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，所述系统包括设置在圆柱体形GIS罐体(1)上的VFTO光学传感器(4)、所述GIS罐体(1)内同轴心的母线导杆(3)和同中心的盆式绝缘子(2)，所述光学传感器(4)与信号采集处理器(8)连接。本测试系统具有测量频带宽，抗干扰能力强、绝缘水平高等特点，能应用于GIS中隔离开关动作产生VFTO的测量，分析VFTO的特征参数，研究VFTO的传播特性。

Description

一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统

技术领域：

本发明涉及一种VFTO测量系统，具体讲涉及一种基于Pockels效应的高灵敏度光学VFTO测量系统。

背景技术：

高压输电领域广泛应用的气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear，GIS)具有占地面积小、维护工作量少、绝缘性能优良、可靠性高等优点。而操作时，GIS中的隔离开关、接地开关和断路器的动作速度较低，会发生触头间隙重复击穿，产生幅值较高，陡度很大，频率最高可达GHz的特快速暂态过电压(veryfast transient overvoltage,VFTO)，严重时可导致GIS和变压器设备的损坏。同时VFTO引起的地电位抬升，会导致变电站二次设备的损坏。

VFTO现象复杂，随机性强，主要应通过试验获取其特性。目前，测量VFTO的方法主要有电容传感器、电场探头和套管末屏法；但是电容传感器法的测量带宽低；电场探头法的测量点标定容易受现场环境影响；套管末屏法的测量精度较低且测点受限。

发明内容：

为了克服现有技术中所存在的上述不足，本发明提出了一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，利用偏振光在外电场的作用下经过Pockels晶体时，其偏振角度将发生变化的原理，通过光学元件，将角度变化转化为光强的变化，从而实现待测场强值与光强值的对应，用于测量GIS中隔离开关动作产生的VFTO信号，分析VFTO的特征参数，研究VFTO的传播特性。

本发明提供的技术方案是：一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，其结构在于：所述系统包括设置在圆柱体形GIS罐体(1)上的VFTO光学传感器(4)、所述GIS罐体(1)内同轴心的母线导杆(3)和同中心的盆式绝缘子(2)，所述光学传感器(4)与信号采集处理器(8)连接。

优选的，所述GIS罐体(1)壁上开有一组位于所述GIS罐体同一母线上且距离相等的其中心与所述轴心垂直的安装VFTO光学传感器的手孔拔口；所述VFTO光学传感器包括光学传感头(11)、探头(5)、探头支撑(6)、光纤引出法兰(7)和光纤保护盒(9)；

所述手孔拔口将所述光纤引出法兰(7)固定在所述GIS罐体上，所述光纤引出法兰(7)内外两侧分别安装高度可调的探头支撑(6)、所述探头支撑(6)固定的探头(5)、和粘接在所述探头(5)端面中心的光学传感头(11)以及所述光纤保护盒(10)。

进一步，一端连接所述光学传感头(11)的光纤(10)穿过探头(5)和探头支撑(6)经光纤引出法兰(7)引出至光纤保护盒(9)内，再经光纤保护盒(9)端部的法兰盘引出后另一端与信号采集处理器(8)连接。

进一步，所述GIS罐体(1)的手孔拔口端部外沿安装有端法兰(12)，所述光纤引出法兰(7)与所述端法兰(12)固定，所述光纤引出法兰(7)四周与所述端法兰(12)之间通过密封圈(14)进行气密；所述光纤引出法兰(7)的中心设有通孔(16)。

进一步，光纤(10)穿过所述光纤引出法兰(7)中心的通孔(16)，再穿过端法兰(12)与GIS罐体(1)内部连通；所述光纤(10)外部套有金属管(13)，所述光纤(10)与金属管(13)之间通过金属焊料焊接在一起，所述金属管(13)穿过光纤引出法兰(7)中心的通孔(16)将所述光纤(10)引入GIS罐体(1)内腔；所述通孔(16)与所述金属管(13)之间的空隙采用353ND双组份环氧树脂胶灌封固化。

进一步，所述光纤(10)为尾纤经过金属化封装后形成的金属化光纤。

进一步，所述光学传感头(11)包括BGO晶体(13)、分别粘接在所述BGO晶体(13)两侧的1/4波片(12)和检偏器(14)、粘接在所述1/4波片(12)的另一侧的起偏器(11)、粘接在所述起偏器(11)输入端的第一光纤准直器(101)、与所述第一光纤准直器(101)输入端连接的发光二极管LED(106)、分别粘接在所述检偏器(14)反射端和透射端的第二光纤准直器(102)和第三光纤准直器(103)，所述第二光纤准直器(102)和所述第三光纤准直器(103)分别通过光纤与所述信号采集处理器(8)连接。

优选的，所述GIS罐体(1)的内腔填充有SF6气体。

优选的，所述信号采集处理器(8)与上位机数据处理系统连接，所述信号采集处理器(8)包括DSP28335，所述信号采集处理器(8)包括电源输入接口、同步触发输入接口、VFTO光信号输入接口、模拟输出接口、数字输出接口。

进一步，所述信号采集处理器(8)具有模数转换功能，用于将测量到的VFTO模拟信号转化为数字信号。

进一步，所述信号采集处理器(8)具有同步触发功能，实现安装于GIS罐体(1)不同位置的多个VFTO光学传感器同步采集信号，用以研究VFTO在GIS中的传播特性。

进一步，所述模拟输出接口与示波器检测装置连接，所述示波器用于显示VFTO模拟电压信号。

进一步，所述数字输出接口与传导光纤连接，将数据传送至远端上位机数据处理系统；所述上位机数据处理系统提取VFTO峰值电压、频率以及放电次数的参数。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明中光学VFTO传感头通过探头、探头支撑、光纤气密引出法兰直接放置于GIS腔体内，应用方式灵活、体积小、重量轻、成本低、电气性能优越；

(2)本发明中光学VFTO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VFTO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VFTO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VFTO传感头之间的高度可以根据估算的VFTO强度进行调整，设计灵活、简单，容易安装维护；

(6)本发明中光纤气密引出法兰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。

(7)本发明中信号采集处理器与上位机数据处理系统之间通信采用光纤，能克服试验现场复杂电磁环境的影响，提高系统稳定性、可靠性。

附图说明：

图1为本发明所采用的测试系统的整体框图；

图2为VFTO光学传感器与GIS罐体的安装结构示意图；

图3为VFTO光学传感器与GIS罐体安装结构的局部放大图；

图4为VFTO光学传感头的结构示意图；

图5为光纤气密引出法兰的竖直纵剖面安装结构示意图；

图6为信号采集处理器的外部接口示意图；

其中：1-GIS罐体；2-盆式绝缘子；3-母线导杆；4-VFTO光学传感器；5-探头；6-探头支撑；7-光纤气密引出法兰；8-信号采集处理器、9-光纤保护盒；10-光纤；11-光学传感头；12-端法兰；13-金属管；14-密封圈；15-光纤引出法兰；16-通孔；01-模拟输出接口；02-数字输出接口；03-电源输入接口；04-VFTO光信号输入接口；05-同步触发输入接口。

具体实施方式：

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图对本发明的内容做进一步的描述。

本发明所采用的测试系统的整体框图如图1所示：测试系统主要包括Pockles效应光学传感器、信号采集处理器、上位机数据处理系统。Pockles效应光学传感器利用其内部的光源和光学元件将GIS罐体内的电场信号转化为VFTO光信号；并通过光纤传递给信号采集处理器，信号采集处理器将接收到的信号处理后传递给上位机数据处理系统和示波器，上位机数据处理系统充分发挥上位机数据采集、分析处理和存储的优势，提取VFTO峰值电压、频率、放电次数等特征参数，完整记录一次隔离开关动作所产生的多次击穿波形。

传感器(4)和GIS罐体(1)的安装结构示意图如图2所示：包括1-GIS罐体、2-盆式绝缘子、3-母线导杆、4-VFTO光学传感器。

将基于Pockels效应的高灵敏度光学VFTO测量传感头，通过GIS外部手孔拔口置于GIS腔体内部，多个传感器安装于GIS罐体的不同位置，通过同步采集信号控制各传感器在同一时间采集VFTO信号，可研究VFTO在GIS罐体内部的传播特性，可进一步提出VFTO信号抑制方法。

传感器与GIS罐体不存在电气连接，不改变GIS罐体的电磁场分布。传感器通过GIS罐体手孔进行安装，不改变GIS整体的气密性。

VFTO光学传感器的详细安装结构如图3所示：高压母线(2)置于填充有SF6气体的GIS腔体(1)内，在GIS腔体(1)表面开一手孔拔口，依次安装光纤引出法兰(7)、探头支撑(6)、探头(5)和光学传感头(11)，光学传感头(11)粘接在探头(5)表面的中心位置，与光学传感头(11)粘接的光纤(10)通过探头支撑(6)和下端的光纤引出法兰(7)引出到光纤保护盒(9)，再经光纤保护盒顶端的法兰盘引至信号采集处理器(8)内。

为了减少局放、电压击穿等隐患，可以根据仿真计算的VFTO信号强度，初步确定VFTO光学传感器与母线导杆之间的距离；试验过程中，根据实际测量结果调整二者之间的距离，从而提高测量灵敏度。

光学传感头内部结构示意图如图4所示：传感头采用Pockels电光效应的横向调制结构；采用密封、小型并带尾纤光纤的高辐射率的LED(106)，其中心波长为850nm，频谱宽度小于70μm。Pockels效应电光晶体采用BGO晶体(13)，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)粘接在起偏器(11)的输入端，第二光纤准直器(102)、第三光纤准直器(103)分别粘接在检偏器(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)经光纤(107)传输到信号采集处理器中。

光纤引出法兰(7)的结构如图5所示，光纤引出法兰(7)安装固定在手孔拔口端部外沿的端法兰(6)上，光纤引出法兰(7)与端法兰(6)之间通过密封圈(14)进行气密，光纤穿通孔(16)位于光纤引出法兰(7)的中心处，并穿过端法兰(6)与GIS腔体内部连通，对光纤(10)的尾纤进行金属化封装形成金属化光纤，然后在金属化光纤上套接金属管(13)，金属化光纤与金属管(13)之间通过金属焊料焊接在一起，将金属管(13)穿过光纤穿通孔(16)，并采用353ND双组份环氧树脂胶对光纤穿通孔(16)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(16)的空隙；

光纤引出法兰(7)可承受20个大气压，完全满足GIS腔体内SF6气压的要求。

信号采集处理器与上位机数据处理系统之间通信采用光纤，能克服试验现场复杂电磁环境的影响，提高系统稳定性、可靠性。

信号采集处理器的外部接口示意图如图6所示：信号采集处理器包括DSP28335，信号采集处理器具有同步触发接口，模拟输出接口、数字输出接口、电源输入接口、光信号输入接口；

信号采集处理器能将接收到的VFTO模拟光信号转化为模拟电压信号，通过模拟输出接口直接接入示波器检测；

信号采集处理器具有模数转换功能，能够将接收的VFTO模拟信号转化为数字信号，数字输出接口与传导光纤相连，将数据传送至远端上位机数据处理系统。

信号采集处理器具有同步触发功能，当收到同步触发信号时，触发采集，能实现安装于GIS不同位置多传感器的同步采集以研究VFTO在GIS中的传播特性。

信号采集处理器具有光纤通讯接口，光纤通讯具有抗干扰性能优越，绝缘特性好的特点，适合试验现场复杂电磁环境使用。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (13)

1.一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，其特征在于：

所述系统包括设置在圆柱体形GIS罐体(1)上的VFTO光学传感器(4)、所述GIS罐体(1)内同轴心的母线导杆(3)和同中心的盆式绝缘子(2)，所述光学传感器(4)与信号采集处理器(8)连接。

2.如权利要求1所述的一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，其特征在于：

所述GIS罐体(1)壁上开有一组位于所述GIS罐体(1)同一母线上且距离相等的其中心与所述轴心垂直的安装VFTO光学传感器的手孔拔口；所述VFTO光学传感器包括光学传感头(11)、探头(5)、探头支撑(6)、光纤引出法兰(7)和光纤保护盒(9)；

所述手孔拔口将所述光纤引出法兰(7)固定在所述GIS罐体上，所述光纤引出法兰(7)内外两侧分别安装高度可调的探头支撑(6)、所述探头支撑(6)固定的探头(5)、和粘接在所述探头(5)端面中心的光学传感头(11)以及所述光纤保护盒(10)。

3.如权利要求2所述的一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，其特征在于：

一端连接所述光学传感头(11)的光纤(10)穿过探头(5)和探头支撑(6)经光纤引出法兰(7)引出至光纤保护盒(9)内，再经光纤保护盒(9)端部的法兰盘引出后另一端与信号采集处理器(8)连接。

4.如权利要求2所述的一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，其特征在于：

所述GIS罐体(1)的手孔拔口端部外沿安装有端法兰(12)，所述光纤引出法兰(7)与所述端法兰(12)固定，所述光纤引出法兰(7)四周与所述端法兰(12)之间通过密封圈(14)进行气密；所述光纤引出法兰(7)的中心设有通孔(16)。

5.如权利要求4所述的一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，其特征在于：

光纤(10)穿过所述光纤引出法兰(7)中心的通孔(16)，再穿过端法兰(12)与GIS罐体(1)内部连通；所述光纤(10)外部套有金属管(13)，所述光纤(10)与金属管(13)之间通过金属焊料焊接在一起，所述金属管(13)穿过光纤引出法兰(7)中心的通孔(16)将所述光纤(10)引入GIS罐体(1)内腔；所述通孔(16)与所述金属管(13)之间的空隙采用353ND双组份环氧树脂胶灌封固化。

6.如权利要求5所述的一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，其特征在于:

所述光纤(10)为尾纤经过金属化封装后形成的金属化光纤。

7.如权利要求3所述的一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，其特征在于:

所述光学传感头(11)包括BGO晶体(13)、分别粘接在所述BGO晶体(13)两侧的1/4波片(12)和检偏器(14)、粘接在所述1/4波片(12)的另一侧的起偏器(11)、粘接在所述起偏器(11)输入端的第一光纤准直器(101)、与所述第一光纤准直器(101)输入端连接的发光二极管LED(106)、分别粘接在所述检偏器(14)反射端和透射端的第二光纤准直器(102)和第三光纤准直器(103)，所述第二光纤准直器(102)和所述第三光纤准直器(103)分别通过光纤与所述信号采集处理器(8)连接。

8.如权利要求1所述的一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，其特征在于：

所述GIS罐体(1)的内腔填充有SF6气体。

9.如权利要求1所述的一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，其特征在于：

所述信号采集处理器(8)与上位机数据处理系统连接，所述信号采集处理器(8)包括DSP28335，所述信号采集处理器(8)包括电源输入接口、同步触发输入接口、VFTO光信号输入接口、模拟输出接口、数字输出接口。

10.如权利要求9所述的一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，其特征在于：

所述信号采集处理器(8)具有模数转换功能，用于将测量到的VFTO模拟信号转化为数字信号。

11.如权利要求9所述的一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，其特征在于：

所述信号采集处理器(8)具有同步触发功能，实现安装于GIS罐体(1)不同位置的多个VFTO光学传感器同步采集信号，用以研究VFTO在GIS中的传播特性。

12.如权利要求9所述的一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，其特征在于：

所述模拟输出接口与示波器检测装置连接，所述示波器用于显示VFTO模拟电压信号。

13.如权利要求9所述的一种基于Pockels效应的光学VFTO测量系统，其特征在于：

所述数字输出接口与传导光纤连接，将数据传送至远端上位机数据处理系统；所述上位机数据处理系统提取VFTO峰值电压、频率以及放电次数的参数。