CN104297552A - 一种中压光学电压互感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中压光学电压互感器，包括绝缘装置、导体电极、互感器壳体、光学电压传感头、光纤和电气单元，导体电极和绝缘装置整体浇筑为一体，导体电极的一端预留连接外部中压的接线端子，导体电极除接线端子外的外表面被绝缘装置包覆，绝缘装置与互感器壳体固定连接并形成密封空间，密封空间与导体电极施加中压的端头相对应，光学电压传感头置于互感器壳体内的底部，与光学电压传感头连接的光纤引出到互感器壳体外的电气单元。本发明能够提高测量精度，具有体积小、重量轻、绝缘性能好、屏蔽效果良好，应用方式灵活，安全性高的优点。

Description

一种中压光学电压互感器

技术领域

本发明涉及一种电力设备技术领域，特别是一种中压光学电压互感器。

背景技术

电力系统的中压配电网一直用中压电压互感器(PT)来测量一次侧电压，为计量及保护等设备提供电压信号。传统的中压电压互感器通常采用电磁式电压互感器，但是电磁式电压互感器的绝缘结构复杂，而且存在磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、体积大和重量重等固有的缺陷，已经难以满足现代电力系统的在线监测、高精度故障诊断、计算机控制与管理等发展需要，尤其是国家电网公司提出的智能电网用智能化开关设备研制任务，对于10kV～35kV电压等级应用，需配合新型高精度数字化量测一体式开关设备的中压光学电压互感器，需求更理想的新型电压互感器已势在必行。

发明内容

本发明针对现有的中压电压互感器存在的体积较大、重量重、成本高、安全性和可靠性差以及测量精度低的问题，提供一种新型的中压光学电压互感器，通过将导体电极与绝缘装置浇筑为一体实现外绝缘的情况下将导体电极所带的中压施加到光学电压传感头上，能够提高测量精度，具有体积小、重量轻、绝缘性能好、屏蔽效果良好，应用方式灵活，安全性高的优点。

本发明的技术方案如下：

一种中压光学电压互感器，其特征在于，包括绝缘装置、导体电极、互感器壳体、光学电压传感头、光纤和电气单元，所述导体电极和绝缘装置整体浇筑为一体，所述导体电极的一端预留连接外部中压的接线端子，所述导体电极除接线端子外的外表面被绝缘装置包覆，所述绝缘装置与互感器壳体固定连接并形成密封空间，所述密封空间与导体电极施加中压的端头相对应，所述光学电压传感头置于所述互感器壳体内的底部，与光学电压传感头连接的光纤引出到所述互感器壳体外的电气单元。

所述绝缘装置与互感器壳体固定连接的平面位置设置密封圈。

所述绝缘装置由绝缘材料通过模具与导体电极一并浇筑而成，在所述绝缘装置的外表面且沿绝缘装置长度方向并排设置若干个伞裙，所述伞裙与导体电极的中轴线垂直，所述相邻伞裙之间的间距设置在3cm～4cm之间，所述伞裙的宽度设置在20cm～28cm之间。

所述绝缘装置浇筑的绝缘材料中设置有凸起的金属嵌件，通过所述金属嵌件将绝缘装置与导体电极整体与互感器壳体连接紧固。

所述中压光学电压互感器的电压等级为10kV～35kV，所述导体电极与光学电压传感头之间的距离为8cm～12cm，所述导体电极施加中压的端头处对应的绝缘装置的厚度为2cm～4cm。

所述互感器壳体侧壁上设置有用于抽真空和充入干燥气体的充气装置。

所述互感器壳体的密闭空间内充入的干燥气体为六氟化硫气体或干燥氮气或干燥空气。

所述光学电压传感头为基于Pockels电光效应的纵向调制结构且光学电压传感头内的晶体器件与所述互感器壳体内的底部接触。

所述光学电压传感头包括第一光纤准直镜、第一偏振棱镜、1/4波片、BGO晶体、45°反射棱镜、第二偏振棱镜、第二光纤准直镜、第三偏振棱镜、第三光纤准直镜；从电气单元送出的光信号通过光纤经所述第一光纤准直镜后连接到所述第一偏振棱镜、1/4波片，再依次经过所述BGO晶体、所述45°反射棱镜再反射到所述BGO晶体后分为两路，一路透射端经所述第二偏振棱镜、所述第二光纤准直镜后通过光纤输出至电气单元，另一路反射端经所述第三偏振棱镜、所述第三光纤准直镜后通过光纤输出至电气单元。

所述电气单元内固定安装有SLD光源、第一探测器、第二探测器和信号处理电路，所述SLD光源与所述第一光纤准直镜通过第一光纤连接，所述第一探测器与第二光纤准直镜通过第二光纤连接，所述第二探测器与第三光纤准直镜通过第三光纤连接，所述信号处理电路均与第一探测器和第二探测器连接。

本发明的技术效果如下：

本发明提供的中压光学电压互感器，导体电极和绝缘装置整体浇筑为一体，绝缘装置包覆导体电极的除连接外部中压的接线端子以外的其它部分的外表面，从而绝缘装置起到支撑固定导体电极和外绝缘的作用，导体电极通过其一端的接线端子与外部中压连接，从而导体电极携带外部中压，通过另一端的端头将所带中压通过传感的方式施加到互感器壳体内的光学电压传感头上，导体电极所带的电压穿过绝缘装置后在互感器壳体内部形成一个稳定的电场，保证了电场强度，由于光学电压互感器的原理是根据电场引起光学电压传感头的晶体器件的光相位变化反算出电压，且电场与光相位变化成正比，故保证电场强度可以增加光相位变化，从而提高后端的电气单元中的电路采集的信噪比，提高中压光学电压互感器的测量准确度，解决了传统的电磁式电压互感器由于磁饱和以及铁磁谐振等缺陷导致的测量精度低的问题。本发明的中压光学电压互感器结构简单，通过设置互感器壳体，增加了电磁屏蔽的作用，导体电极所带电压与互感器壳体接地之间靠绝缘装置实现固体绝缘，保证了中压光学电压互感器的安全性能；互感器壳体内放置光学电压传感头，实现了光学电压传感头与一次侧导体电极隔离，避免了光学电压传感头的晶体器件连接的光纤被侵蚀导致安全隐患的问题，提高了光学电压传感头以及整个中压光学电压互感器的安全性能；以光学方法测量中压配电线路的中压，导体电极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和耐电压问题，降低了安全隐患；本发明的中压光学电压互感器解决了传统的电磁式电压互感器存在的体积和质量大、成本高、安全性和可靠性差的问题，具有体积小、重量轻、绝缘性能好、屏蔽效果良好，应用方式灵活，安全性高等优点。

在绝缘装置与互感器壳体固定连接的平面位置设置密封圈，绝缘装置与导体电极整体浇筑为一体后与互感器壳体安装通过密封圈形成更加密封的密闭空间，密封圈的设置能够进一步保证互感器壳体的密封性。绝缘装置由绝缘材料通过模具与导体电极一并浇筑而成，在绝缘装置的外表面并排设置若干个伞裙，通过对各伞裙之间的间距和自身宽度的设置使得导体电极与大地之间有足够合适的爬电距离，并保证绝缘水平。

中压电极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，简化了整个互感器的复杂程度，使其设计灵活、简单，容易安装维护。通过设置导体电极施加中压的端头处对应的绝缘装置的厚度或者说是靠近密封空间处的绝缘装置的厚度，并设置中压电极与光学电压传感头之间的距离，以保证合理电场分布，从而获得满足要求的电场强度。

在互感器壳体侧壁上设置有充气装置，通过该充气装置对密封空间进行抽真空和充入干燥气体，互感器壳体内部空间的底部安装放置光学电压传感头，干燥气体及互感器壳体内的密封空间能确保光学电压传感头处于稳定、干燥的状态，可以有效降低压力、湿度等因素带来的干扰及安全隐患，简化了互感器的复杂度并进一步提高了安全性能。

附图说明

图1为本发明中压光学电压互感器的结构示意图。

图2为本发明中压光学电压互感器的光学电压传感头的优选结构示意图。

图中各标号列示如下：

1－绝缘装置；11－伞裙；2－导体电极；21－接线端子；3－密封圈；4－互感器壳体；5－充气装置；6－干燥气体；7－光学电压传感头；8－光纤；081－第一光纤；082－第二光纤；083－第三光纤；9－电气单元；101－第一光纤准直镜；102－第二光纤准直镜；103－第三光纤准直镜；111－第一偏振棱镜；112－第二偏振棱镜；113－第三偏振棱镜；12－1/4波片；13－BGO晶体；14－45°反射棱镜；15－SLD光源；16－第一探测器；17－第二探测器；18－信号处理电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种中压光学电压互感器，如图1所示结构，包括绝缘装置1、导体电极2、互感器壳体4、光学电压传感头7、光纤8和电气单元9，导体电极2的一端预留连接外部中压的接线端子21，如图1所示接线端子21设置于导体电极2的上端，外部的电压(或者说是中压)通过接线端子21实现与导体电极2连接，从而将外部中压引入到中压光学电压互感器中。导体电极2和绝缘装置1整体浇筑为一体，导体电极2除接线端子21外的其它外表面被绝缘装置1包覆，绝缘装置1与互感器壳体4固定连接并形成密封空间，该密封空间与导体电极2施加中压的端头相对应，如图1所示，导体电极2的下端通过绝缘装置1固定连接互感器壳体4形成密封空间。光学电压传感头7置于互感器壳体4内的底部，与光学电压传感头7连接的光纤8引出到互感器壳体4外的电气单元9。

其中，绝缘装置1由绝缘材料通过模具与导体电极2一并浇筑而成，绝缘材料主要有环氧树脂或硅橡胶等，采用中空并在内壁上设置有内凹孔的模具，模具内径与绝缘装置1的外径匹配，在模具内放置导体电极2，将胶状的绝缘材料环绕浇筑在模具内，绝缘材料填充在模具内导体电极2外的缝隙空间，然后绝缘材料冷却凝固一体成型形成固体绝缘，去掉模具后留下浇筑为一体的导体电极2和绝缘装置1，绝缘装置1包覆在导体电极2的外表面，两者之间无气泡空隙，避免了中压会击穿空隙导致互感器安全性差的问题，提高了互感器稳定性。在绝缘装置1的外表面且沿绝缘装置1长度方向并排设置若干个伞裙11，伞裙11与导体电极2的中轴线垂直，优选设置伞裙之间的间距设置在3cm～4cm之间，伞裙的宽度设置在20cm～28cm之间，各伞裙11的宽度可以不同，如图1所示，沿绝缘装置1的长度方向依次间隔设置大伞裙(宽度大的伞裙11)和小伞裙(宽度小的伞裙11)。绝缘装置1起到支撑固定导体电极2和外绝缘的作用，配合伞裙11的特定设置，使得导体电极2与大地之间有足够核实的爬电距离，保证绝缘水平。

优选地，在绝缘装置浇筑的绝缘材料中设置有凸起的金属嵌件，金属嵌件可设置在绝缘材料底端，通过金属嵌件将绝缘装置1与导体电极2整体与互感器壳体4连接紧固。金属嵌件的设置使得绝缘装置1具有一定的刚性，并可以方便的使用螺钉将绝缘装置1与互感器壳体4连接紧固，绝缘装1与互感器壳体4固定连接的平面位置设置密封圈3。互感器壳体4接地，导体电极2所带电压与互感器壳体4接地之间靠绝缘装置1实现固体绝缘。

光学电压传感头7与导体电极2以及绝缘装置1之间的距离与中压学电压互感器的电压等级有直接关系，光学电压传感头7在安装上应尽量靠近绝缘装置1，以获得满足要求的电场强度，当中压光学电压互感器的电压等级为10kV～35kV时，导体电极2与光学电压传感头7之间的距离优选设置在8cm～12cm之间，导体电极2施加中压的端头处对应的绝缘装置1的厚度为2cm～4cm，以保证合理电场分布，并满足国家电网公司提出的智能电网用智能化开关设备的中压光学电压互感器的要求。

如图1所示，在互感器壳体4侧壁上设置有充气装置5，通过该充气装置5对密封空间进行抽真空和充入干燥气体6，该干燥气体6可以是SF₆六氟化硫气体、干燥氮气或干燥空气等。互感器壳体4内部空间的底部安装放置光学电压传感头7，干燥气体6及互感器壳体4内的密封空间能确保光学电压传感头7处于稳定、干燥的状态，可以有效降低压力、湿度等因素带来的干扰及安全隐患，简化了系统的复杂度并进一步提高了安全性能。光学电压传感头7从互感器壳体4内通过光纤8引出，连接到电气单元。光纤8引出的部位可通过密封接头连接，进一步保证互感器壳体4的密封性。光纤8为单模光纤，包括第一光纤081、第二光纤082和第三光纤083。

本发明中压光学电压互感器中的光学电压传感头7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。本发明所述的电气单元9处于电力系统二次系统中。本发明所述的中压光学电压互感器是基于Pockels电光效应的光学电压互感器，为无源光学电压互感器。Pockels电光效应是指某些晶体材料在外加电场作用下，其折射率随外加电场发生变化的一种现象，亦称为线性电光效应。当一线偏振光沿某一方向入射处于外加电场中的电光晶体时，由于Pockels电光效应使线偏光入射晶体后产生双折射，这样从晶体出射的两双折射光束就产生了相位延迟，该延迟量与外加电场的强度成正比，有：式中E为晶体所处的外加电场的场强，k为与晶体材料的性质及通光波长相关的一个常数，V为晶体上外加电压的大小，V_π为晶体的半波电压(是指由Pockels电光效应引起的双折射两光束产生180°相差所需的外加电压的大小)，为由Pockels电光效应引起的双折射两光束的相位差。通过检测相位差就可以得到被测电压，但在现有的技术条件下，要对光的相位变化进行精确的直接测量是不可能的，这里采用偏振光干涉的方法，通过干涉后检测功率变化来计算相位差，从而计算得出电压V。

本发明中压光学电压互感器中的光学电压传感头7包括晶体器件，如采用BGO晶体或其它晶体器件，优选设置该晶体器件与互感器壳体4内的底部接触。还可以将BGO晶体与电力系统一次系统中电场的地电极接触，可设置其与该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。光学电压传感头7可以是基于Pockels电光效应的纵向调制结构或横向调制结构。图2所示的光学电压传感头7为基于Pockels电光效应的纵向调制结构，主要包括第一光纤准直镜101、第一偏振棱镜111、1/4波片12、BGO晶体13、45°反射棱镜14、第二偏振棱镜112、第二光纤准直镜102、第三偏振棱镜113、第三光纤准直镜103。从电气单元9送出的光信号通过第一光纤081经所述第一光纤准直镜101后连接到所述第一偏振棱镜111、1/4波片12，再依次经过所述BGO晶体13、所述45°反射棱镜14反射到所述BGO晶体13然后分为两路，一路透射端经第二偏振棱镜112、第二光纤准直镜102后通过第二光纤082输出至电气单元9，另一路反射端经第三偏振棱镜113、第三光纤准直镜103后通过第三光纤083输出至电气单元9。

电气单元9内固定安装有SLD光源15、第一探测器16、第二探测器17和信号处理电路18，SLD光源15与第一光纤准直镜101通过第一光纤081连接，第一探测器16与第二光纤准直镜102通过第二光纤082连接，第二探测器17与第三光纤准直镜103通过第三光纤083连接，信号处理电路18均与第一探测器16和第二探测器17连接。

本发明中压光学电压互感器的工作过程：电气单元9中的SLD光源15的入射光沿第一光纤081传至一次端的光学电压传感头7，经第一光纤准直镜101将光转变为平行光，经第一偏振棱镜111后变成线偏振光，再经过1/4波片12后，变成圆偏振光，入射到BGO晶体13，经过45°反射棱镜14光进行反射。导体电极2通过自身的接线端子21与外部的电压V(或者说是中压)连接，从而将外部中压V引入到导体电极2上，导体电极2产生的中压电场直接穿过底部包覆的绝缘装置2进入互感器壳体4内，该中压电场分布均匀且在保证互感器壳体4内的中压电场的强度的情况下，将中压电场施加到光学电压传感头7的BGO晶体13上。由于该中压电场的作用，通过BGO晶体13的光产生双折射，使入射圆偏振光变成椭圆偏振光，产生一个与外加电场相关的相位差，BGO晶体13的出射光分为两路，分别经过两个偏振棱镜后变成幅度受电压调制的线偏振光，一路透射端经第二偏振棱镜112、第二光纤准直镜102后通过第二光纤082传到第一探测器16，另一路反射端经第三偏振棱镜113、第三光纤准直镜103后通过第三光纤083传到第二探测器17，第一探测器16和第二探测器17分别将光学电压传感头7的出射的两路光信号转变为电信号并汇总后传输给信号处理电路18，由信号处理电路18进行滑动平均值以及加权平均计算等计算处理，根据探测的相位差最终得到所测电压值V。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种中压光学电压互感器，其特征在于，包括绝缘装置、导体电极、互感器壳体、光学电压传感头、光纤和电气单元，所述导体电极和绝缘装置整体浇筑为一体，所述导体电极的一端预留连接外部中压的接线端子，所述导体电极除接线端子外的外表面被绝缘装置包覆，所述绝缘装置与互感器壳体固定连接并形成密封空间，所述密封空间与导体电极施加中压的端头相对应，所述光学电压传感头置于所述互感器壳体内的底部，与光学电压传感头连接的光纤引出到所述互感器壳体外的电气单元。

2.根据权利要求1所述的中压光学电压互感器，其特征在于，所述绝缘装置与互感器壳体固定连接的平面位置设置密封圈。

3.根据权利要求1或2所述的中压光学电压互感器，其特征在于，所述绝缘装置由绝缘材料通过模具与导体电极一并浇筑而成，在所述绝缘装置的外表面且沿绝缘装置长度方向并排设置若干个伞裙，所述伞裙与导体电极的中轴线垂直，所述相邻伞裙之间的间距设置在3cm～4cm之间，所述伞裙的宽度设置在20cm～28cm之间。

4.根据权利要求3所述的中压光学电压互感器，其特征在于，所述绝缘装置浇筑的绝缘材料中设置有凸起的金属嵌件，通过所述金属嵌件将绝缘装置与导体电极整体与互感器壳体连接紧固。

5.根据权利要求3所述的中压光学电压互感器，其特征在于，所述中压光学电压互感器的电压等级为10kV～35kV，所述导体电极与光学电压传感头之间的距离为8cm～12cm，所述导体电极施加中压的端头处对应的绝缘装置的厚度为2cm～4cm。

6.根据权利要求1或2所述的中压光学电压互感器，其特征在于，所述互感器壳体侧壁上设置有用于抽真空和充入干燥气体的充气装置。

7.根据权利要求6所述的中压光学电压互感器，其特征在于，所述互感器壳体的密闭空间内充入的干燥气体为六氟化硫气体或干燥氮气或干燥空气。

8.根据权利要求1所述的中压光学电压互感器，其特征在于，所述光学电压传感头为基于Pockels电光效应的纵向调制结构且光学电压传感头内的晶体器件与所述互感器壳体内的底部接触。

9.根据权利要求8所述的中压光学电压互感器，其特征在于，所述光学电压传感头包括第一光纤准直镜、第一偏振棱镜、1/4波片、BGO晶体、45°反射棱镜、第二偏振棱镜、第二光纤准直镜、第三偏振棱镜、第三光纤准直镜；从电气单元送出的光信号通过光纤经所述第一光纤准直镜后连接到所述第一偏振棱镜、1/4波片，再依次经过所述BGO晶体、所述45°反射棱镜再反射到所述BGO晶体后分为两路，一路透射端经所述第二偏振棱镜、所述第二光纤准直镜后通过光纤输出至电气单元，另一路反射端经所述第三偏振棱镜、所述第三光纤准直镜后通过光纤输出至电气单元。

10.根据权利要求9所述的中压光学电压互感器，其特征在于，所述电气单元内固定安装有SLD光源、第一探测器、第二探测器和信号处理电路，所述SLD光源与所述第一光纤准直镜通过第一光纤连接，所述第一探测器与第二光纤准直镜通过第二光纤连接，所述第二探测器与第三光纤准直镜通过第三光纤连接，所述信号处理电路均与第一探测器和第二探测器连接。