CN109557350A - 光学电压传感单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学电压传感单元，要解决的技术问题是提高光学电压互感器的灵敏度和稳定性。本发明的光学电压传感单元设有长方体形状的锗酸铋晶体，锗酸铋晶体设置在陶瓷管内，锗酸铋晶体的左右两边、陶瓷管内两端分别设置有第一光纤准直器和第二光纤准直器，第一光纤准直器和第二光纤准直器的尾纤朝向陶瓷管外，锗酸铋晶体的上下两面，分别电连接有第一电极和第二电极。本发明与现有技术相比，光学电压传感单元结构简单可靠，稳定性好，灵敏度高，抗电磁干扰，可以实时监测电力系统电压状况，保证电力系统安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种电压互感器，特别是一种光学电压互感器。
技术背景
电压互感器是电力系统中继电保护与电能计量的重要设备，变电站中测量、监控和保护控制装置依靠它来获取测量、计量和保护所需的电压信息。电压互感器的长期稳定性、可靠性和安全性与电力系统的安全、稳定运行密切相关。
目前，电力系统主要采用传统的电磁感应式电压互感器实现对电压信号的测量。随着电力系统电压等级的提高和容量的增加，以及测量保护要求的不断提高，电磁式电压互感器的不足日益突出。光学电压互感器抗电磁干扰能力强，具有传统电磁感应式电压互感器不可比拟的优点。光学电压互感器利用泡克尔斯效应，电压对泡克尔斯晶体中光学信号的调制，影响光信号相位，通过解调分析光信号相位信息反推出电压大小。光学电压传感单元作为光学电压互感器的主要部件，对光学电压互感器的灵敏度和稳定工作起重要作用，现有技术的光学电压传感单元包含的光学晶体较多，结构复杂，影响光学互感器整体的灵敏度和稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学电压传感单元，要解决的技术问题是提高光学电压互感器的灵敏度和稳定性。
本发明采用以下技术方案：一种光学电压传感单元，所述光学电压传感单元设有长方体形状的锗酸铋晶体，锗酸铋晶体设置在陶瓷管内，锗酸铋晶体的左右两边、陶瓷管内两端分别设置有第一光纤准直器和第二光纤准直器，第一光纤准直器和第二光纤准直器的尾纤朝向陶瓷管外，锗酸铋晶体的上下两面，分别电连接有第一电极和第二电极。
本发明的锗酸铋晶体设置在陶瓷管内中部，锗酸铋晶体的长度方向与陶瓷管的轴线平行。
本发明的锗酸铋晶体的外形尺寸为5mm×5mm×10mm，左右两端面为锗酸铋晶体的110面，上下两端面为锗酸铋晶体的001面，沿长度方向的左右两端面抛光至表面粗糙度Ra≤0.1微米，垂直于5mm×5mm面的中心线构成光轴。
本发明的锗酸铋晶体的纯度为≥99.99％。
本发明的第一电极和第二电极为铜薄膜，厚度为100微米。
本发明的第一电极和第二电极分别电连接有第一引出导线和第二引出导线，第一引出导线和第二引出导线伸出陶瓷管外，第一引出导线和第二引出导线采用铜导线，直径1.6mm。
本发明的陶瓷管(2)长39mm，外径9.5mm，内径7.3mm。
本发明的陶瓷管采用氧化锆陶瓷，纯度为≥94％。
本发明的第一光纤准直器和第二光纤准直器采用PMC-31311SSNB1C11型保偏光纤准直器。
本发明的锗酸铋晶体通过粘接剂固定连接在陶瓷管内，粘接剂为353ND胶水或环氧树脂；所述第一引出导线和第二引出导线通过导电胶分别与第一电极和第二电极电连接，导电胶为ABLEBOND2030SC银导电胶；所述第一光纤准直器和第二光纤准直器通过环氧树脂粘接剂与陶瓷管固定连接。
本发明与现有技术相比，由陶瓷管内的锗酸铋晶体的左右两边、陶瓷管内两端分别设置的第一光纤准直器和第二光纤准直器，锗酸铋晶体的上下两面，分别电连接的第一电极和第二电极构成的光学电压传感单元，结构简单可靠，稳定性好，灵敏度高，抗电磁干扰，可以实时监测电力系统电压状况，保证电力系统安全稳定运行。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的锗酸铋晶体结构示意图。
图3是本发明实施例的陶瓷管结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的光学电压传感单元，设有长方体形状的锗酸铋晶体1，锗酸铋晶体1设置在中空状的陶瓷管2内中部，锗酸铋晶体1的长度方向与陶瓷管2的轴线平行，锗酸铋晶体1的左右两边、陶瓷管2内两端分别设置有第一光纤准直器3和第二光纤准直器4，第一光纤准直器3和第二光纤准直器4的尾纤朝向陶瓷管2外，锗酸铋晶体1的上下两面，分别电连接有第一电极5和第二电极6，第一电极5和第二电极6分别电连接有第一引出导线7和第二引出导线8，第一引出导线7和第二引出导线8伸出陶瓷管2外。
锗酸铋晶体1的化学式为Bi3Ge4O12，是一种具有立方结构、无色透明的无机氧化物晶体，未施加电场时，该锗酸铋晶体光学性质各向同性，施加电场后，该锗酸铋晶体光学性质不再是各向同性，会变为单光轴晶体或双光轴晶体。本实施例中，锗酸铋晶体1的纯度为≥99.99％(Bi3Ge4O12的质量份数≥99.99％)。
如图2所示，长方体形状的锗酸铋晶体1，其外形尺寸为5mm×5mm×10mm，左右两端面为锗酸铋晶体的(110)面，上下两端面为锗酸铋晶体的(001)面，沿长度方向的左右两端面抛光至表面粗糙度Ra≤0.1微米。锗酸铋晶体1的光轴方向位置与施加电场大小方向相关，本实施例中，垂直于5mm×5mm面的中心线构成光轴。
锗酸铋晶体1的上下两端面镀有金属铜薄膜，厚度为100微米，分别形成第一电极5和第二电极6。
锗酸铋晶体1通过粘接剂固定连接在陶瓷管2内，粘接剂为353ND胶水或环氧树脂。
如图3所示，陶瓷管2长39mm，外径9.5mm，内径7.3mm。陶瓷管2采用氧化锆陶瓷，纯度为≥94％(氧化锆质量≥94％)。
第一引出导线7和第二引出导线8采用铜导线，直径1.6mm，第一引出导线7和第二引出导线8通过导电胶分别与第一电极5和第二电极6电连接，导电胶为银导电胶，型号为ABLEBOND2030SC。第一引出导线7和第二引出导线8经陶瓷管2管壁被引出至陶瓷管2外部。
第一光纤准直器3和第二光纤准直器4采用深圳市光熠信息科技有限公司的PMC-31311SSNB1C11型保偏光纤准直器。锗酸铋晶体1的左右两边分别与第一光纤准直器3和第二光纤准直器4采用空间光耦合连接方式。第一光纤准直器3和第二光纤准直器4各包含有一根保偏光纤作为尾纤，尾纤采用熊猫型保偏光纤，尾纤的快轴或慢轴与锗酸铋晶体1的上下两端面垂直或平行。
第一光纤准直器3和第二光纤准直器4通过粘接剂与陶瓷管固定连接。粘接剂为环氧树脂。
本发明的光学电压传感单元的工作过程为：从第一光纤准直器3入射一束偏振光，该偏振光包含两束正交的线偏振光，分别沿着第一光纤准直器3尾纤的快轴和慢轴入射。第一光纤准直器3把两束正交线偏振光耦合入射到锗酸铋晶体1中，两束正交线偏振光分别沿着锗酸铋晶体1的光轴传播，将待测电压通过第一电极5和第二电极6施加给锗酸铋晶体1，导致在锗酸铋晶体1中传输的两束正交偏振光产生相位差根据泡克尔斯电光效应原理(温海燕，雷林绪，张朝阳，孙海江.基于普克尔效应的双晶体光学电压互感器[J].传感技术，2013,26(10)，1384-1389)，该相位差与待测电压的关系为：
上式中，是两束正交偏振光产生的相位差，U是待测电压，λ是光在真空中的波长，n0是锗酸铋晶体1的折射率2.15，γ41是锗酸铋晶体1的电光系数1.03*10-12m/v，l是光通过的锗酸铋晶体的长度10mm，d是锗酸铋晶体1的厚度5mm。从上式可以看出，待测电压U与相位差成线性关系。
产生相位差的两束正交偏振光经过锗酸铋晶体1后，经由第二光纤准直器4耦合进入到尾纤中，再由探测器检测到光信号，按现有技术计算出待测电压值。本实施例中，探测器采用现有技术的干涉法测量光在锗酸铋晶体1中产生的相位差可以直接由探测器测量得到干涉光强，通过干涉光强的大小计算出相位差的值，因此，该方法便于计算得到相位差
本发明的光学电压传感单元，涉及的光学器件少，结构简单，不会因为外界因素导致光在光学器件中传播路径有较大偏差，故稳定性好。采用干涉法测量光在晶体中产生的相位差与待测电压U成线性关系的相位差的微小变动会引起较大的干涉光强变化，因此测量灵敏度高。
本发明的光学电压传感单元结构简单可靠，稳定性好，灵敏度高，抗电磁干扰。实时监测电力系统电压状况，保证电力系统安全稳定运行。
Claims (10)
1.一种光学电压传感单元，其特征在于：所述光学电压传感单元设有长方体形状的锗酸铋晶体(1)，锗酸铋晶体(1)设置在陶瓷管(2)内，锗酸铋晶体(1)的左右两边、陶瓷管(2)内两端分别设置有第一光纤准直器(3)和第二光纤准直器(4)，第一光纤准直器(3)和第二光纤准直器(4)的尾纤朝向陶瓷管(2)外，锗酸铋晶体(1)的上下两面，分别电连接有第一电极(5)和第二电极(6)。
2.根据权利要求1所述的光学电压传感单元，其特征在于：所述锗酸铋晶体(1)设置在陶瓷管(2)内中部，锗酸铋晶体(1)的长度方向与陶瓷管(2)的轴线平行。
3.根据权利要求2所述的光学电压传感单元，其特征在于：所述锗酸铋晶体(1)的外形尺寸为5mm×5mm×10mm，左右两端面为锗酸铋晶体的110面，上下两端面为锗酸铋晶体的001面，沿长度方向的左右两端面抛光至表面粗糙度Ra≤0.1微米，垂直于5mm×5mm面的中心线构成光轴。
4.根据权利要求3所述的光学电压传感单元，其特征在于：所述锗酸铋晶体(1)的纯度为≥99.99％。
5.根据权利要求1所述的光学电压传感单元，其特征在于：所述第一电极(5)和第二电极(6)为铜薄膜，厚度为100微米。
6.根据权利要求1所述的光学电压传感单元，其特征在于：所述第一电极(5)和第二电极(6)分别电连接有第一引出导线(7)和第二引出导线(8)，第一引出导线(7)和第二引出导线(8)伸出陶瓷管(2)外，第一引出导线(7)和第二引出导线(8)采用铜导线，直径1.6mm。
7.根据权利要求1所述的光学电压传感单元，其特征在于：所述陶瓷管(2)长39mm，外径9.5mm，内径7.3mm。
8.根据权利要求7所述的光学电压传感单元，其特征在于：所述陶瓷管(2)采用氧化锆陶瓷，纯度为≥94％。
9.根据权利要求1所述的光学电压传感单元，其特征在于：所述第一光纤准直器(3)和第二光纤准直器(4)采用PMC-31311SSNB1C11型保偏光纤准直器。
10.根据权利要求4、6或9所述的光学电压传感单元，其特征在于：所述锗酸铋晶体(1)通过粘接剂固定连接在陶瓷管(2)内，粘接剂为353ND胶水或环氧树脂；所述第一引出导线(7)和第二引出导线(8)通过导电胶分别与第一电极(5)和第二电极(6)电连接，导电胶为ABLEBOND2030SC银导电胶；所述第一光纤准直器(3)和第二光纤准直器(4)通过环氧树脂粘接剂与陶瓷管固定连接。
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| CN111089998A (zh) * | 2019-12-19 | 2020-05-01 | 北京航天时代光电科技有限公司 | 一种新型复合内锥式光学电压互感器 |
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