CN113238086A - 基于光学电压传感器的gis暂态壳体电压在线监测系统 - Google Patents

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Industrial Technology Research Institute Of Heilongjiang Province
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Abstract

一种基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统，属于GIS暂态过电压监测领域。本发明针对现有TEV的监测方法易受GIS现场恶劣电磁环境干扰而无法实现在线监测的问题。包括：光学电压传感器的高压电极连接GIS设备外壳的电压监测端子，光学电压传感器的地电极连接GIS变电站接地网；光学电压传感器基于泡克耳斯电光效应感应GIS设备外壳的壳体电压；LED光源的载波光信号通过光纤光缆输入光学电压传感器，光学电压传感器对壳体电压进行泡克耳斯效应电光调制得到调制后光信号，所述调制后光信号经光纤光缆传送至光电探测器进行光电转换，转换后的电信号经信号处理电路解调，得到壳体电压的监测结果。本发明用于GIS暂态壳体电压在线监测。

Description

基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统
技术领域
本发明涉及基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统，属于GIS暂态过电压监测领域。
背景技术
理论上，气体绝缘开关设备(GIS)的设备外壳与地网相连，外壳电位应和大地相同，为地电位。但在隔离开关操作下，GIS设备的内部母线会产生很大的暂态电压和电流；由于GIS设备壳体和内部母线有电磁耦合作用，因此在GIS设备壳体上将出现感应电压。这种现象称为暂态地电位抬升(简称TGPR，Transient Ground Potential Rise)，相应的壳体电压称为暂态壳体电压(简称TEV，Transient Enclosure Voltage)。GIS设备的TEV可达到几十千伏，将对运行人员和设备造成危害。
随着电网电压等级不断地提高，GIS设备的TEV的影响越来越严重。在国内外大多数参考文献中，大部分采用数值仿真对TEV进行研究，即从纯理论分析出发定性地研究TEV，包括其产生机理、一般特征以及抑制方法等，但对于得到的数值仿真结果缺乏足够多的现场实测数据进行论证。
目前，对TEV的监测主要在实验室进行，一般采用基于电阻分压原理的高压探头加高速示波器的方法进行监测，这种方法无法实现现场实时监测。由于现场环境比实验室复杂得多，示波器在实验室可处于良好的屏蔽环境中，测得较为准确的TEV数值，这与GIS运行现场的实际TEV必定具有一定的差别。同时，传统电阻分压原理测量方法应用于现场测量还存在以下缺点：1)传输的信号易受到GIS设备周围复杂电磁环境的干扰，造成测量结果有误；2)为了减小示波器的测量噪声，需要对示波器进行接地处理；而GIS设备的TEV会伴随快速暂态过电压(VFTO)过程瞬间升高，这将造成示波器所接大地的电位不是零，从而使测量结果不够准确；3)示波器需要工作电源，还需增设同步触发装置控制示波器记录暂态电压波形；同时测量装置位于复杂电磁场环境下需增加屏蔽壳体，无法实现在线测量，测量不便。因此现有测量方法在实验室中测量得到的TEV数值与真实环境中的TEV数值必定存在一定的差异。
目前，对于TEV还缺乏令人满意的测量手段，无法实现数据的在线监测，主要原因在于TEV具有陡波前、高幅值、宽频带等特点；而现有监测方法使用的监测系统容易受到电磁干扰的影响，难以实现TEV的准确测量。因此对TEV的研究基本停留在定性描述层面，这制约了对TEV及其暂态电磁现象的定量研究，同时也制约了对TEV对二次设备电磁干扰的研究。电力系统迫切需要研制一款能满足测量频带宽，响应时间快，灵敏度高，抗干扰能力强的TEV在线测量系统。
发明内容
针对现有TEV的监测方法易受GIS现场恶劣电磁环境干扰而无法实现在线监测的问题，本发明提供一种基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统。
本发明的一种基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统，包括光学电压传感器、LED光源、光电探测器和信号处理电路，
光学电压传感器的高压电极连接GIS设备外壳的电压监测端子，光学电压传感器的地电极连接GIS变电站接地网；光学电压传感器基于泡克耳斯电光效应感应GIS设备外壳的壳体电压；
LED光源的载波光信号通过光纤光缆输入光学电压传感器，光学电压传感器对壳体电压进行泡克耳斯效应电光调制得到调制后光信号，所述调制后光信号经光纤光缆传送至光电探测器进行光电转换，转换后的电信号经信号处理电路解调，得到壳体电压的监测结果。
根据本发明的基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统，所述光学电压传感器包括一号准直器、起偏器、λ/4波片、BGO晶体、检偏器和二号准直器，
LED光源的载波光信号通过光纤光缆输入一号准直器准直后，经起偏器变成线偏振光，再经λ/4波片变成圆偏振光，圆偏振光通过BGO晶体时，在壳体电压的作用下发生双折射变成椭圆偏振光，椭圆偏振光经检偏器检偏后变成强度与壳体电压成正比的线偏振光，再经二号准直器汇聚后得到所述调制后光信号；
所述BGO晶体两侧镀金属电极，分别作为光学电压传感器的高压电极和地电极，壳体电压加载在BGO晶体的高压电极和地电极上。
根据本发明的基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统，所述光学电压传感器置于GIS变电站户外现场，LED光源、光电探测器和信号处理电路置于GIS变电站户内控制室。
根据本发明的基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统，所述监测系统还包括监测平台，
所述监测平台用于显示并记录壳体电压的监测结果。
根据本发明的基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统，所述GIS设备外壳上设置多个监测点，每个监测点上对应设置电压监测端子；所述光学电压传感器的数量与监测点的数量相同，每个电压监测端子连接一个光学电压传感器的高压电极，所有光学电压传感器的地电极连接GIS变电站接地网；每个光学电压传感器对应配置一个LED光源和一个光电探测器。
本发明的有益效果：本发明针对GIS现场存在恶劣电磁环境干扰使得无法实现壳体电压的在线监测而提出。它采用基于泡克耳斯电光效应的无源光学电压传感器采集壳体电压，使GIS变电站户外现场不需要提供工作电源，解决了现有有源测量方法易受GIS现场恶劣电磁环境干扰的问题，具有稳定性好、可靠性高、安全性好和抗电磁干扰能力强等特点。
本发明采用的基于泡克耳斯电光效应的光学电压传感器完全由光学绝缘材料组成，抗电磁干扰能力强，可实现TEV的现场实时监测。
附图说明
图1是本发明所述基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统的结构示意图；图中7为GIS设备的高压母线；图中n为正整数，表示光电探测器的个数；
图2是光学电压传感器的内部结构示意图；
图3是光学电压传感器的电极接线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1至图3所示，本发明提供了一种基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统，包括光学电压传感器1、LED光源2、光电探测器3和信号处理电路4，
光学电压传感器1的高压电极通过导线连接GIS设备外壳6的电压监测端子，光学电压传感器1的地电极通过接地导线连接GIS变电站接地网；光学电压传感器1基于泡克耳斯电光效应感应GIS设备外壳的壳体电压；
LED光源2的载波光信号通过光纤光缆输入光学电压传感器1，光学电压传感器1对壳体电压进行泡克耳斯效应电光调制得到调制后光信号，所述调制后光信号经光纤光缆传送至光电探测器3进行光电转换，转换后的电信号经信号处理电路4解调，得到壳体电压的监测结果。
进一步，结合图2和图3所示，所述光学电压传感器1包括一号准直器11、起偏器12、λ/4波片13、BGO晶体14、检偏器15和二号准直器16，
LED光源2发出一定波长的载波光信号，载波光信号通过光纤光缆输入一号准直器11准直后，经起偏器12变成线偏振光，再经λ/4波片13变成圆偏振光，圆偏振光通过BGO晶体14时，在壳体电压的作用下发生双折射变成椭圆偏振光，椭圆偏振光经检偏器15检偏后变成强度与壳体电压成正比的线偏振光，再经二号准直器16汇聚后得到所述调制后光信号，调制后光信号送入光电探测器3进行光电转换，再由信号处理电路4解调，得到电压监测结果；
所述BGO晶体14两侧镀金属电极，分别作为光学电压传感器1的高压电极17和地电极18，壳体电压U加载在BGO晶体14的高压电极17和地电极18上。
再进一步，所述光学电压传感器1置于GIS变电站户外现场，LED光源2、光电探测器3和信号处理电路4置于GIS变电站户内控制室。
再进一步，结合图1所示，所述监测系统还包括监测平台5，
所述监测平台5用于显示并记录壳体电压的监测结果。
本实施方式所述在线监测系统包括光学电压传感器1和信号采集与监测装置两部分。其中光学电压传感器1位于户外现场，基于泡克耳斯电光效应感应被测电压。信号采集与监测装置包括LED光源2、光电探测器3、信号处理电路4和监测平台5置于控制室内。
所述光学电压传感器1为无源传感器，现场无需提供工作电源，通过光纤光缆与位于室内的信号采集与监测装置相连接。
再进一步，结合图1所示，所述GIS设备外壳上设置多个监测点，每个监测点上对应设置电压监测端子；所述光学电压传感器1的数量与监测点的数量相同，每个电压监测端子连接一个光学电压传感器1的高压电极17，所有光学电压传感器1的地电极18连接GIS变电站接地网；每个光学电压传感器1对应配置一个LED光源2和一个光电探测器3。
根据现场使用需求，可以在GIS设备外壳上设置n个监测点，安装n个光学电压传感器1，对应配置n个LED光源2和n个光电探测器3，实现对GIS暂态壳体电压分布式监测。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (5)

1.一种基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统，其特征在于包括光学电压传感器(1)、LED光源(2)、光电探测器(3)和信号处理电路(4)，
光学电压传感器(1)的高压电极连接GIS设备外壳的电压监测端子，光学电压传感器(1)的地电极连接GIS变电站接地网；光学电压传感器(1)基于泡克耳斯电光效应感应GIS设备外壳的壳体电压；
LED光源(2)的载波光信号通过光纤光缆输入光学电压传感器(1)，光学电压传感器(1)对壳体电压进行泡克耳斯效应电光调制得到调制后光信号，所述调制后光信号经光纤光缆传送至光电探测器(3)进行光电转换，转换后的电信号经信号处理电路(4)解调，得到壳体电压的监测结果。
2.根据权利要求1所述的基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统，其特征在于，所述光学电压传感器(1)包括一号准直器(11)、起偏器(12)、λ/4波片(13)、BGO晶体(14)、检偏器(15)和二号准直器(16)，
LED光源(2)的载波光信号通过光纤光缆输入一号准直器(11)准直后，经起偏器(12)变成线偏振光，再经λ/4波片(13)变成圆偏振光，圆偏振光通过BGO晶体(14)时，在壳体电压的作用下发生双折射变成椭圆偏振光，椭圆偏振光经检偏器(15)检偏后变成强度与壳体电压成正比的线偏振光，再经二号准直器(16)汇聚后得到所述调制后光信号；
所述BGO晶体(14)两侧镀金属电极，分别作为光学电压传感器(1)的高压电极(17)和地电极(18)，壳体电压加载在BGO晶体(14)的高压电极(17)和地电极(18)上。
3.根据权利要求1或2所述的基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统，其特征在于，所述光学电压传感器(1)置于GIS变电站户外现场，LED光源(2)、光电探测器(3)和信号处理电路(4)置于GIS变电站户内控制室。
4.根据权利要求1或2所述的基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统，其特征在于，所述监测系统还包括监测平台(5)，
所述监测平台(5)用于显示并记录壳体电压的监测结果。
5.根据权利要求1或2所述的基于光学电压传感器的GIS暂态壳体电压在线监测系统，其特征在于，所述GIS设备外壳上设置多个监测点，每个监测点上对应设置电压监测端子；所述光学电压传感器(1)的数量与监测点的数量相同，每个电压监测端子连接一个光学电压传感器(1)的高压电极(17)，所有光学电压传感器(1)的地电极(18)连接GIS变电站接地网；每个光学电压传感器(1)对应配置一个LED光源(2)和一个光电探测器(3)。
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