CN107796978B - 采用误差补偿的干涉型电压传感器 - Google Patents

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Abstract

为了测量电压，电光元件(5)放置在通过电压所生成的电场中，以及光经过法拉第旋转器(4)和电光元件(5)从光源(9)传递到反射器(6)上，以及从其中经过电光元件(5)和法拉第旋转器(4)回传，由此生成光的两种偏振之间的电压相关相移。干涉对比度以及所述偏振之间的总相移的主值被测量并且转换成具有等于对比度的绝对值和等于主值的相位的复值。这个复值使用校准值来补偿和缩放，以计算补偿复值。电压从补偿复值来得出。

Description

采用误差补偿的干涉型电压传感器
技术领域
本发明涉及光学电压传感器中使用的系统误差补偿方案。它涉及用于测量电压的方法和装置。
背景技术
反射调制相位检测(MPD)测量方案[2]的优点具体来说是其比例因子和零点的优良稳定性，其两者均是对于DC电压的准确测量所需的。为了实现偏振模式交换—反射MPD的关键要求—该概念使用插入在电压传感器中的偏振保持(PM)光纤与电光晶体之间的45°法拉第旋转器。开发了基于干涉—对比度的周期消除歧义方法，以实现明确电压测量范围到±500 kV的扩展[1]。
但是，在实际光学电压传感器中，难免的系统误差（例如法拉第旋转角偏差和机械未对齐）引起附加测量误差。由于不同光学电路系统和大许多的相位测量范围(电压传感器的~14相位周期与FOCS的小于一周期)，FOCS系统中当前使用的补偿方法(基于平衡系统参数（包含感测光纤维尔德常数和QWR偏移量（offset））的一阶温度相关性)不适用于电压传感器。此外，用于电压传感器的系统误差补偿方案还必须与周期消除歧义方法相结合很好地工作。为了达到所要求的测量精度，开发了将在本发明中描述的用于反射MPD宽范围光学电压传感器中的系统误差补偿的新方法。
调制相位检测(MPD) [2]是测量光学系统中的相移的强大询问技术。MPD传感器能够例如按照互易（reciprocal）配置、采取萨格纳克干涉仪的形式或者采取反射形式来实现，以便消除来自系统中的附加双折射元件(例如PM光纤或相位调制器晶体)的相移，其可例如随温度变化或机械扰动而缓慢漂移。
MPD检测方案也能够用于光学电压感测。一种适当装置在图1中示出。它包括MPD光电子模块1，其用于沿偏振保持(PM)光纤2的两种偏振方向生成波。准直仪3经过45°法拉第旋转器4发送这些波，并且发送到普克尔效应晶体5的第一端中，其暴露于从待测量电压的电场。在晶体的第二端处，波由反射器6反射，以及经过组件1-5发送回并且发送到MPD光电子模块1中。
法拉第旋转器4把来自PM光纤2的两种线性偏振在它们沿感测晶体5的电光轴传播之前旋转45° [3]。反射波再次经过法拉第旋转器4，在相同方向上将偏振进一步旋转45°，由此进行从输入偏振的组合90°旋转，这相当于两个正交线性偏振之间的交换。
使两个返回偏振在MPD光电子模块1中发生干涉，这引起具有待测量电压的基本周期相关性的信号。
如果电压范围超过感测晶体的π电压(例如对于BGO为75 kV)，则必要的是解决相移周期歧义性，以便唯一地确定所施加电压。这对DC测量是特别关键的，其中历史跟踪方法、例如零交叉计数是不适用的。
为此，低相干光源的干涉对比度能够用来确定相移周期[1]。能够表明，对于开环正弦调制和闭环方波调制MPD系统，有可能除了相移主值之外还测量干涉对比度，并且将其组合以确定唯一电压值。
理想地，法拉第旋转器4具有理想的45°旋转角，以及PM光纤轴相对于感测晶体5的电光轴正好以45°对齐。但是，在实际传感器中，法拉第旋转角和角对齐的偏差难以避免，并且法拉第旋转角也与波长和温度极大相关。这些系统误差能够使测量结果显著偏离理论预计。
发明内容
因此，待解决问题是要提供这种类型的方法和装置，其中具有对法拉第旋转器中的旋转的未对齐和/或变化不太敏感的大测量范围。
这个问题通过独立权利要求的方法和装置来解决。实施例通过从属权利要求、其组合以及连同附图的描述给出。
具体来说，该方法包括下列步骤：
-将电光元件放置在通过所述电压所生成的电场中：电光元件充当感测装置，并且有利地具有取决于电场的双折射。
-将光经过法拉第旋转器并且经过电光元件从光源传递到反射器上，以及从其中经过电光元件并且经过法拉第旋转器回传：这个光用于探测电光元件中的折射率变化。它将受到两种偏振之间、具体来说是沿电光元件的主电光轴所定向的两种偏振之间的相位变化。相移是电场的函数，并且因此是待测量电压的函数。
-测量干涉对比度以及所述偏振之间的总相移的主值：如例如[1]中所述，这两个参数基本上将足以确定电压。但是，在当前上下文中，它们因上述系统误差而无法直接使用。
- 计算校正干涉对比度和校正主值。这些校正值使用校准值从总相移的测量主值来计算。即，将测量值和转换为校正值和的操作必须满足下列数学性质：
，
其中是通过下式给出的补偿复值
其中，和是校准值，是非零常数实值，以及是通过测量值和所给出为下式的未补偿复值
- 作为最后步骤，使用校正干涉对比度和校正主值来得出所述电压。这个步骤这时例如能够如[1]所述进行，因此通过引用使其内容完整地作为本公开的组成部分，但是使用校正值代替最初测量的值。
本发明还涉及用于测量电压的装置。该装置包括
法拉第旋转器，
电光元件，
反射器，
光源，定位成经过所述法拉第旋转器和所述电光元件将光发送到反射器上，并且从其中经过所述电光元件和所述法拉第旋转器回送，其中所述光的两种偏振(即，沿电光元件的主折射率轴所偏振的那些)受到所述电光元件中的电压相关相移，
光检测器，定位成测量从那个电光元件和所述法拉第旋转器返回的所述两种偏振之间的干涉，以及
控制单元，适合和构造成执行（carry at）上述步骤。
该方法还能够包括校准步骤。这些校准步骤包括：
- 使电光元件经受变化电场，以及
- 测量所述干涉对比度k以及所述变化电场的若干值的所述主值，并且从其中计算至少一个所述校准值。
换言之，对于参考电压的多个电压值来测量对比度和主值。使用在若干电压值的主值和对比度的测量值，则能够计算校准值的一个或多个。
这样测量校准值允许随后准确并且快速地测量电压。
有利地，在所述校准步骤计算所有校准值。
在又一个有利实施例中，在足以生成所述偏振之间的相移(其改变至少π、具体来说改变至少2π)的范围内来改变变化电场。
这基于如下理解：未补偿复值K在偏振之间的相移中基本上是周期的，并且描述复平面中的螺线。这个螺线的中心以及实轴和虚轴幅度基本上描述校准值。K的复自变量基本上对应于偏振之间的相移。螺线的中心和轴幅度能够通过将相移改变至少π、具体来说改变至少2π最佳地确定。
校准步骤有利地包括当改变所述主值时确定连接所述未补偿复值K的螺线的中心以及实和虚比例因子。
本发明基于如下思路：需要细化模型和方案，以计及并且补偿由法拉第旋转器中的非45°旋转和组件的未对齐所引起的误差。
本发明特别适合于测量至少100 kV、具体为至少500 kV的高电压。它能够有利地用于DC电压。但是它也能够用于测量AC电压，在所述情况下，电压的下降斜率的上升能够用来确定校正值和。
该技术能够提供高精度，其中误差。
传感器和方法例如对于各种HVDC应用（包含例如在DC GIS中的HVDC Light、HVDCClassic和离岸DC应用的HVDC）是理想的，。相应地，本发明还涉及用于测量至少100 kV的DC电压的装置或方法的使用。
附图说明
在考虑本发明的以下详细描述时，将会更好地理解本发明，并且除了以上所述之外的目的将变得显而易见。本描述参照附图，附图包括：
图1示出用于电压的电光测量的装置，
图2a示出示范地对理想反射BGO电压传感器的作为所施加电压和对应相移的函数的干涉对比度和未调制光功率，其中40 nm FWHM高斯谱以1310 nm为中心，以及组延迟偏移量为fs；
图2b示出复平面中的电压范围[-500 kV, 500 kV]的理想电压传感器的MPD检索复输出的轨迹；十字符号指示螺线的中心，其处于复平面的原点；
图3a示出分别对于以和的非理想电压传感器以及以和的传感器的电压范围[-500 kV, 500 kV]中的MPD检索复输出的轨迹；十字符号指示通过本文提出的方法M1所确定的螺线中心；
图3b示出对于图3a的两个非理想传感器的未补偿相位测量误差，即，；
图4a示出采用所提出方法对于以和的非理想传感器所计算的未补偿K和补偿的轨迹；十字符号指示所计算螺线中心；补偿参数采用方法M1来确定；
图4b示出未补偿、补偿(采用方法M1)和进一步优化(拟合)的输出的相移误差。
具体实施方式
介绍，装置：
描述了图1的装置的基本原理。
它包括MPD光电子模块1，其用于沿偏振保持(PM)光纤2的两种偏振方向生成波。准直仪3经过45°法拉第旋转器4发送这些波，并且发送到普克尔效应晶体5的第一端中，其暴露于从待测量电压的电场。在晶体的第二端处，波由反射器6反射，以及经过组件1-5发送回并且发送到MPD光电子模块1中。
法拉第旋转器4把来自PM光纤2的两种线性偏振在它们沿感测晶体5的电光轴(主折射率轴)传播之前旋转45°[3]。反射波再次经过法拉第旋转器4，在相同方向上将偏振进一步旋转45°，由此进行从输入偏振的组合90°旋转，这相当于两个正交线性偏振之间的交换[3]。
MPD光电子模块1适合于测量干涉对比度k以及从PM光纤2返回的两种偏振之间的总相移的主值pv，即，。
光电子模块1包括相位调制器7，其适合于在将PM光纤2中返回的两种光偏振带到检测器8中的干涉之前引入它们之间的相移。
它还包括生成经过PM光纤2和晶体5的光的光源9。光源9的相干长度有利地在5.λ0与100.λ0之间(其中λ0是光源的中心波长)，以便在将两种偏振之间的相位改变2π的数倍时得到干涉对比度k的良好变化。
该装置还包括控制单元10，其适合和构造成执行以下所述的测量和误差补偿方法。它例如能够通过提供有适当接口电路的微处理器或微控制器来形成。
干涉对比度k和主值例如能够例如如[1]所述来确定，通过引用将其公开完整地结合到本文中。
下面表明，复输出（其中其绝对值等于MPD测量干涉对比度k以及其自变量等于MPD测量相移主值）的轨迹是复平面中的螺旋曲线。反射光学电压传感器中的系统误差(例如法拉第旋转角误差和轴对齐误差)的影响能够表示为螺线中心从复平面原点的移动以及沿实轴和虚轴的螺旋半径的缩放。然后能够通过对测量螺旋轨迹重定中心和重新缩放来补偿系统测量误差，从而产生更准确相移测量。
具有单色光源的理想系统：
按数学方式，在经过法拉第旋转器3的两遍之间的理想电压传感器中的偏振光的传播能够在PM光纤轴中的线性偏振的基础上通过琼斯矩阵来描述为
其中，矩阵
描述在线性基础上旋转，以及
描述经过感测晶体的正向传递和返回传递，其中反射在它们之间。双遍电光相移与所施加电压V(其志在从测量来恢复)成比例。依次由右至左，分量矩阵分别表示45°法拉第旋转、PM光纤2与感测晶体4电光轴之间的−45°旋转、镜反射、晶体4中的相位延迟、镜像参考帧中的轴旋转和法拉第旋转。
写出T的矩阵元素，发现
在MPD系统中，将相位调制加到光信号，产生调制光功率
通过适当的调制波形和解调方案，能够恢复相移主值和干涉对比度，参见例如[1]。对比度k和相移主值能够组合为作为下式的复值K
。
对于上述理想电压传感器，，因此和，其中称作主值。中的π相位偏移量产生于90°旋转与两种正交偏振的简单交换之间的镜像简便（handiness）。
低相干光源
上面呈现的结果仅对操作在单波长的MPD系统是有效的。当使用低相干光源9时，波长的总体（ensemble）包含在宽带谱中。电光相移的谱相关性能够表达为多达一阶的泰勒级数
其中，是在中心角频率的电光相移，是电光组延迟，以及是整个传感器系统的组延迟偏移量(由于本文所包含的其他双折射元件)。对周期消除歧义重要的是，电光组延迟与所施加电压改变时的电光相移成比例。对于BGO，在1310 nm。
MPD系统中的所检测光功率是跨谱的总体平均数。
其中，表示量x的谱总体平均数，以及是以为中心的归一化(即，)光功率谱密度。
MPD检索复输出则是总体平均数，其中相移主值是，以及干涉对比度是在组延迟所评估的相干函数。
如果传感器的操作范围通过选择适当组延迟偏移量(通过双折射元件、例如双折射晶体)来选定以表示其中相干函数极大地并且单调改变的范围，则在复平面上标绘的MPD检索复输出是从复平面的原点发出(或者会聚到其中)的螺旋曲线。作为示例，对于具有以1310 nm为中心的40 nm FWHM高斯谱的BGO电压传感器(π电压 75 kV)，用来覆盖±500 kV的适当选择将会是大约±60 fs。在所有下列计算中，假定这种谱和 fs。在图2a和图2b中标绘理想电压传感器的相移、干涉对比度和MPD检索复输出轨迹。
系统误差：
但是，状况在系统误差存在的情况下更为复杂。例如，法拉第旋转角可能不是正好45°，或者PM光纤的轴可能不是与感测晶体的光电轴以正好45°对齐。在这类情况下，交叉耦合在波进入和离开感测晶体时在正交偏振之间发生，这将干扰MPD测量结果。
如果将法拉第旋转定义为(其中描述与理想45°旋转的偏差)以及将感测元件的电光轴与PM光纤轴之间的角定义为(其中描述与PM光纤轴的理想对齐的偏差)，则经过法拉第旋转的两遍之间的传感器矩阵为
矩阵元素这时为
通过宽带谱，还应当考虑法拉第旋转角的波长相关性。在多达一阶的泰勒级数中，法拉第旋转角偏差能够写为
例如，对于TGG法拉第旋转器，法拉第旋转器角按照改变，其中nm。因此，能够估计，在1310 nm的45° TGG法拉第旋转器将具有，其与典型电光组延迟(例如，对于在320 kV的反射GBO传感器为在1310 nm的20 fs)相比要小许多，因此能够将它忽略。
MPD检索复变量(其可由MPD测量相移主值和干涉对比度k来构成)这时在波长总体求平均之后为
对于两个非理想电压传感器所计算的K轨迹在图3a中标绘。轨迹仍然具有螺旋形状，但是具有与理想情况的几个重要差别：
1.螺线中心沿实轴从复平面的原点移动。
2.螺旋曲线的半径沿实轴和虚轴以不同比率发生变化，从而使螺旋椭圆、即螺线的实和虚幅度被缩放。
另外注意到，和的符号不影响K轨迹。通过非零，螺线沿实轴正移动，而通过非零，螺线被负移动。因此，有可能在PM光纤轴的对应“未对齐”情况下补偿法拉第旋转角误差。
一般来说，在非理想传感器中，和。因此，使用上面对理想传感器所述的信号处理方案所计算的相移将包含测量误差，其在图3b中标绘。要求适当补偿方法，以便达到所要求精度。
误差补偿：
提出具有下列步骤的新补偿规程：
1. 具体在校准测量中确定复平面中的螺线中心以及实轴和虚轴中的螺线半径(和)。
2. 当执行即时测量时，将螺线中心移动到复平面原点，并且在实和虚方向上重新缩放。因此，计算补偿复输出值
其中，是在所施加电压下的标称干涉对比度。它是非零实值常数值，并且能够为了方便起见而自由选定。它例如能够设置为1或者在零电压下的理论光学干涉对比度。
3. 基于补偿复输出来计算补偿相移和干涉对比度
补偿输出然后能够按照与对于来自理想传感器的输出相同的方式来使用，即
K0(其是复值)、r1和r2(其两者均为实值)的值是校准值，其在校准过程中确定。例如，在这个过程中，可在某个范围中改变所施加电压V，以及同时记录复输出K(V)。所选电压范围优选地应当覆盖反射电压传感器的至少一个π电压，由此K(V)轨迹将构成围绕K0的至少一个全圆。所选电压范围应当在其中相干函数随电压主要是线性的区域中。通过测量K(V)轨迹与缩放的阿基米德螺旋模型的适当拟合，能够易于确定中心K0和半径(实和虚比例因子)。
更简单方法也能够对于相同目的良好的工作，而没有要求计算密集曲线拟合。在这里给出方法的两个示例：
M1. 在全圆K(V)校准轨迹上，可定位具有最大实部Kr1的点、具有最小实部Kr2的点、具有最大虚部Ki1的点以及具有最小虚部Ki2的点。一般来说，和。然后可设置
以及
。
M2. 除了这些点之外，还可在所施加电压进一步改变时使用后续圆上的对应点(或)。则，
也能够使用许多其他实现，从而通过利用螺线上的几个特性点确定其参数来避免曲线拟合。
图4示出对于以和的非理想传感器的未补偿与补偿结果之间的比较。采用通过简单方法M1所确定的参数的补偿导致相移误差相对于未补偿结果的显著降低。使用拟合方法对校准螺线参数的进一步细微调整引起甚至更低的相移误差。
按照理论计算，预计螺线仅沿实轴移动，即，IM K0=0。如果MPD测量包含因其他系统误差引起的未知偏移量，则复输出K轨迹可围绕原点旋转，这将使螺线中心看来也沿虚轴移动。在一些测量中观察到这个效果。这种旋转能够通过由下式代替等式1来描述
其中，其中是从旋转轨迹所确定的螺线中心。一旦确定，对于就能够重复进行相同规程，以确定其他螺线参数r1和r2。如果不要求旋转补偿，则校准值能够设置为0，以及对于其确定可以不要求显式校准测量。
因为法拉第旋转角偏差和一些其他参数(例如感测晶体的电光系数)是温度相关的，所以对于工作在宽温度范围中的电压传感器，上述校准(步骤1)应当在给定范围中、在几个代表温度下执行，以确定这些参数如何随温度而改变。在实际操作中，需要并行温度测量，以便对实际操作条件适当调整这些参数。
因此，本方法有利地包括下列步骤：测量法拉第旋转器4处的温度；以及选择校准值作为这个温度的函数。在这种情况下，对于多个温度有利地测量校准值。
在AC电压测量中，瞬态电压沿螺线轨迹的一段连续扫掠。因此，有可能在电压的上升或下降斜率期间实时进行校准步骤(步骤1校准)。如果法拉第旋转角偏差在整个温度范围中具有相同符号，则可使用实时校准螺线参数的温度相关性(可选地还使用组延迟偏移量的温度相关性)来确定温度，以及执行其他参数、例如电光系数的温度补偿。
注释：
电光晶体5能够由展现根据所施加电场的双折射的任何其他电光元件来替代。
一般来说，校准值和以及可选的是装置相关的。
这里所示的技术允许具有测量范围的光学DC电压传感器的系统误差的补偿，以实现 的精度。
它们对于HVDC空气绝缘系统、HVDC电缆和DC气体绝缘切换(GIS)系统中的应用是理想的。这种GIS可填充有优选地在具有例如比如从氮、二氧化碳和氧选择的背景气体的混合物中的基于SF6的介电气体或备选气体(例如氟甲酮或氟腈)。
它们允许补偿法拉第旋转角误差以及PM光纤对齐中的误差。
它们还允许补偿因温度的变化引起的系统误差。
虽然示出和描述本发明的当前优选实施例，但是清楚地理解，本发明并不局限于此，而是可在以下权利要求书的范围之内以别的方式来体现和实践。
所引述的参考文献
参考数字列表
1: MPD光电子模块
2: PM光纤
3: 准直仪
4: 法拉第旋转器
5: 晶体
6: 反射器
7: 相位调制器
8: 检测器
9: 光源
10: 控制单元

Claims (12)

1.一种用于测量电压的方法，包括以下步骤：
将电光元件(5)放置在通过所述电压所生成的电场中，
经过法拉第旋转器(4)和所述电光元件(5)将光从光源(9)传递到反射器(6)上，并且从那里经过所述电光元件(5)和所述法拉第旋转器(4)回传，由此生成所述光的两种偏振之间的与电压相关的相移，
测量干涉对比度k以及所述偏振之间的总相移的主值，
从下式计算校正干涉对比度和校正主值
，
其中是通过下式给出的补偿复值
其中，和是校准值，是非零常数实值，以及K是通过下式所给出的未补偿复值
以及使用所述校正干涉对比度和所述校正主值来得出所述电压。
2.如权利要求1所述的方法，还包括校准步骤，包括：
使所述电光元件(5)经受变化电场，
测量所述干涉对比度k以及所述变化电场的多个值的所述主值，并且从其中计算所述校准值的至少一个。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所有所述校准值在所述校准步骤中被计算。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述变化电场在足以将所述偏振之间的相移改变至少π的范围内来改变。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述变化电场在足以将所述偏振之间的相移改变至少2π的范围内来改变。
6.如权利要求2至5中的任一项所述的方法，其中，所述校准步骤包括在改变所述主值时确定通过所述未补偿复值K所跟踪的螺线的中心以及实和虚比例因子的步骤。
7.如权利要求2至5中的任一项所述的方法，其中，所述校准步骤在测量所述电压之前在校准测量中执行。
8.如权利要求2至5中的任一项所述的方法，其中，所述电压是AC电压，以及所述校准步骤在所述电压的上升或下降斜率期间执行。
9.如权利要求8所述的方法，还包括从所述校准值来确定温度的步骤。
10.如权利要求1至5中的任一项所述的方法，还包括测量在所述法拉第旋转器(4)处的温度并且选择作为所述温度的函数的校准值的步骤。
11.一种用于测量电压的装置，包括：
法拉第旋转器(4)，
电光元件(5)，
反射器(6)，
光源(9)，被定位成经过所述法拉第旋转器(4)和所述电光元件(5)将光发送到所述反射器(6)上，并且从那里经过所述电光元件(5)和所述法拉第旋转器(4)回送，其中所述光的两种偏振经历所述电光元件中的与电压相关的相移，
光检测器(8)，被定位成测量从所述电光元件(5)和所述法拉第旋转器(4)返回的所述两种偏振之间的干涉，以及
控制单元(10)，适合和被构造成执行如前述权利要求1-10中的任一项所述的步骤。
12.如前述权利要求中的任一项所述的装置或方法用于测量至少100 kV的DC电压的用途。
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