CN105445530A - 用于电网过电压多点监测的非接触式光学电压传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于电网过电压多点监测的非接触式光学电压传感器，包括电压信号接收天线和电压转换传输模块；所述电压信号接收天线设有感应金属板，所述感应金属板通过电缆与电压转换传输模块实现电连接；所述电压转换传输模块封装于金属屏蔽外壳内，所述电压转换传输模块设有低压分压电容与电光转换单元，所述低压分压电容的一端与感应金属板电连接，另一端接地，所述低压分压电容与感应金属板之间的电压信号输出端与电光转换单元的信号输入端电连接。结构简单，稳定性高，安装方便，便于推广和应用。通过杂散电容耦合效应实现输电线路电压的非接触感应，对电网一次设备不存在安全隐患，感应信号稳定。

Description

用于电网过电压多点监测的非接触式光学电压传感器

技术领域

本发明涉及一种电压传感器，特别是一种用于电网过电压多点监测的非接触式光学电压传感器。

背景技术

电力系统过电压是在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压升高，属于电力系统中的一种电磁扰动现象。电工设备的绝缘长期耐受着工作电压，同时还必须能够承受一定幅度的过电压，这样才能保证电力系统安全可靠地运行。近年来随着我国电网容量的增大和大量特高压线路的开工建设，对电力系统的安全可靠运行提出了更高的要求，运行经验表明超高压电网中遭受过电压的幅值较高，对变电站和输电线路的绝缘结构造成严重威胁。对于变电站是电力系统的枢纽，而站内的变压器等主要电气设备的内绝缘大多没有恢复能力，一旦由于雷电过电压或操作过电压引起损坏，修复起来十分困难，势必造成严重的后果，很有可能导致大面积的停电，给生活和生产带来极大的不便。

近年来，在高压和超高压电网已有一些过电压在线监测装置投入运行，但目前对于过电压信号的获取大多数采用的是高压电阻式或电容式分压器。例如一些特制的电压传感器组成套管分压系统，从电容式套管的末屏抽头处获取电压信号的方法，实现对电网过电压信号的实时采集。当电网电压等级较低时，分压器长期并联于电网运行不会对系统产生太大影响。但是，当电压等级较高时，在系统中安装分压器，额外增加了系统中一次设备投入。对系统的运行来说，既不经济，也不安全。而且这种套管末屏电压传感器也存在末屏接地线断线或传感器断路造成末屏放电的潜在危险。对于特高压电网来说，一次设备的运行安全极为重要，任何在一次设备上的新投入都会给特高压电网的安全运行带来潜在分享，因此特高压电网的过电压监测装置不能沿用中压和高压电网的方式，而需要研制安全性和传输精度高的非接触传感技术，且要求传感设备具有较低的成本和便于推广，还要降低整个装置的干扰，进一步增大频宽，降低整个装置的成本，减小响应时间。

发明内容

本发明的目的就是提供一种与一次设备完全隔离、安装方便以及信号传输抗干扰能力强的一种用于电网过电压多点监测的非接触式光学电压传感器。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种用于电网过电压多点监测的非接触式光学电压传感器，包括电压信号接收天线和电压转换传输模块；

所述电压信号接收天线设有感应金属板，所述感应金属板通过电缆与电压转换传输模块实现电连接；

所述电压转换传输模块封装于金属屏蔽外壳内，所述电压转换传输模块设有低压分压电容与电光转换单元，所述低压分压电容的一端与感应金属板电连接，另一端接地，所述低压分压电容与感应金属板之间的电压信号输出端与电光转换单元的信号输入端电连接。

优选地，所述电光转换单元沿同一光轴依次设置有第一光纤准直器、光学起偏器、1/4波片、上下侧敷设有金属电极的第一电光转换晶体、1/2波片、上下侧敷设有金属电极的第二电光转换晶体、光学检偏器和第二光纤准直器，所述第一电光转换晶体和/或第二电光转换晶体的一侧电极与低压分压电容和感应金属板之间的电压信号输出端电连接，另一侧通过金属屏蔽外壳接地，所述第一光纤准直器通过光纤与激光源连接，所述第二光纤准直器通过光纤与电探测器连接。

优选地，所述第一电光转换晶体和第二电光转换晶体均为LiNbO3晶体。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

结构简单，稳定性高，安装方便，便于推广和应用。通过杂散电容耦合效应实现输电线路电压的非接触感应，对电网一次设备不存在安全隐患，感应信号稳定。利用电光效应实现电信号和光信号的有效转换，使得信号传输过程中不受复杂电磁环境干扰。本装置在监测现场无需电源供电，安全可靠，方便维护。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1是本实施例的结构框图；

图2是本实施例的电压转换传输模块的结构框图；

图3是本实施例的电光转换模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1-3所示，用于电网过电压多点监测的非接触式光学电压传感器，包括电压信号接收天线和电压转换传输模块；

所述电压信号接收天线包括感应金属板，所述感应金属板材料为不锈钢，耐腐蚀，可长期曝露与野外环境。感应金属板可设置在待测输电线路正下方，金属板板面与输电线路垂直正对，所述感应金属板通过电缆与电压转换传输模块实现电连接。

所述电压转换传输模块封装于金属屏蔽外壳内，可架设于杆塔底部或变电站内，所述电压转换传输模块包括低压分压电容与电光转换单元，所述低压分压电容C2的一端与感应金属板电连接，另一端接地，低压分压电容C2与感应金属板之间的电压信号输出端与电光转换单元的信号输入端电连接。

输电线路与感应金属板之间形成的杂散耦合电容C1和感应金属板与地之间低压分压电容C2形成分压，将输电线路上的高电压信号转换为感应金属板上的低电压信号进行测量。

根据电路理论，感应金属板对地分压电容C2上的电压u₂(t)为：

$u_2\left(t\right)=u_1\left(t\right)\frac{C_1+C_2}{C_1}={\mathrm{Ku}}_1\left(t\right)$

式中，u₁(t)为电网电压，K为分压比。由于杂散电容C1的大小与感应金属板与架空输电线路的距离、架空输电线的直径以及感应金属板的几何尺寸有关。而低压分压电容C2为固定值。因此一旦金属板安装位置，几何尺寸以及低压分压电容确定，则分压比K为常数，感应金属板对地电压与电网电压成线性关系。

进一步，所述电光转换单元在光路上依次包括第一光纤准直器4、光学起偏器5、1/4波片6、上下侧敷设金属电极的第一LiNbO3晶体7、1/2波片8、上下侧敷设金属电极的第二LiNbO3晶体9、光学检偏器10、第二光纤准直11，所述LiNbO3晶体的一侧电极与低压分压电容C2和感应金属板之间的电压信号输出端电连接，另一侧通过金属屏蔽外壳接地，第一光纤准直器4通过光纤与激光源1连接，第二光纤准直器11通过光纤与光电探测器2连接。

激光源1与PD光电探测器2可设置在控制室内，激光源1发出的激光经通过保偏光纤长距离传输到电光转换单元，激光经第一光纤准直器4准直后依次垂直射入光学起偏器5、1/4波片6、上下侧敷设金属电极的第一LiNbO3晶体7、1/2波片8、上下侧敷设金属电极的第二LiNbO3晶9、光学检偏器10、第二光纤准直器11，实现电光调制。经电光调制后的激光通过模块尾端光纤准直器11耦合进入多模光纤并长距离传输至PD光电探测器2进行光电转换分析，最终实现对输电线路过电压的监测。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种用于电网过电压多点监测的非接触式光学电压传感器，其特征在于，包括电压信号接收天线和电压转换传输模块；

所述电压信号接收天线设有感应金属板，所述感应金属板通过电缆与电压转换传输模块实现电连接；

所述电压转换传输模块封装于金属屏蔽外壳内，所述电压转换传输模块设有低压分压电容与电光转换单元，所述低压分压电容的一端与感应金属板电连接，另一端接地，所述低压分压电容与感应金属板之间的电压信号输出端与电光转换单元的信号输入端电连接。

2.如权利要求1所述的一种用于电网过电压多点监测的非接触式光学电压传感器，其特征在于，所述电光转换单元沿同一光轴依次设置有第一光纤准直器、光学起偏器、1/4波片、上下侧敷设有金属电极的第一电光转换晶体、1/2波片、上下侧敷设有金属电极的第二电光转换晶体、光学检偏器和第二光纤准直器，所述第一电光转换晶体和/或第二电光转换晶体的一侧电极与低压分压电容和感应金属板之间的电压信号输出端电连接，另一侧通过金属屏蔽外壳接地，所述第一光纤准直器通过光纤与激光源连接，所述第二光纤准直器通过光纤与电探测器连接。

3.如权利要求1所述的一种用于电网过电压多点监测的非接触式光学电压传感器，其特征在于，所述第一电光转换晶体和第二电光转换晶体均为LiNbO3晶体。