[發(fā)明專利]基于光學法布里-珀羅腔的電壓互感器及分布式布網結構

有效

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• 申請日: 2013-01-30
• 公開（公告）號: CN103091529A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發(fā)明（設計）人: 武帥;賀勝男;李丹丹;史磊磊
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第三十八研究所
• 主分類號: G01R15/24
• 分類號: G01R15/24;G01R19/00
• 代理公司: 安徽匯樸律師事務所 34116
• 代理人: 丁瑞瑞

技術領域

本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)電壓測量領域，具體涉及一種光學無源電子式電壓互感器系統(tǒng)。

背景技術

電壓互感器可以測量電壓參數，主要應用在電力系統(tǒng)中，是一次設備和二次設備的聯(lián)絡元件。它主要在輸變電環(huán)節(jié)的監(jiān)控測量裝置和系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)、故障錄波裝置、計量設備和電磁環(huán)境監(jiān)測中使用，可以對電網故障做出預警，并對故障實施隔離和系統(tǒng)恢復，還能促進功率因數的優(yōu)化，降低輸配電線路中變壓器及母線因輸送無功功率造成的電能損耗。

隨著智能電網的建設需求和電網電壓等級的不斷升高，傳統(tǒng)電磁式互感器暴露出的諸多弊端已經使其不能勝任電網運行狀態(tài)監(jiān)測的重任。目前市場上已經出現了新型的電子式互感器，它消除了傳統(tǒng)互感器磁飽和、鐵磁諧振的問題，同時具有良好的絕緣性能、體積小、重量輕、暫態(tài)性好、帶寬寬、安全性能高等優(yōu)點。特別是光學電子式互感器其傳感探頭完全由無源的光學元件構成，高壓側不需要額外供能，并且抗電磁干擾能力強，因而被視為下一代電子式互感器的發(fā)展方向。但目前光學電子式互感器多采用對光的強度、偏振、相位等參數的調制，因此需要運用大量的偏振控制器件，這些光學器件本身的穩(wěn)定性、可靠性以及易受外界環(huán)境影響的特點，使得光學電子式互感器存在諸如信噪比差、溫度不穩(wěn)定和長期掛網運行不穩(wěn)定等問題。很多研究機構或公司為了解決光學互感器的這些技術瓶頸，往往通過改善功能性傳感材料的性能或增加補償光路或參考信號的方法，達到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。但這些方法又使產品的結構變得更加復雜，同時增加了系統(tǒng)研發(fā)和產品本身的成本。

發(fā)明內容

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種結構簡單、成本低且極大提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的基于光學法布里-珀羅腔（F-P腔）的電壓互感器。

本發(fā)明是采用以下技術方案解決上述技術問題的：一種基于光學法布里-珀羅腔的電壓互感器，包括位于高壓側的光學電壓傳感探頭、位于低壓側的寬帶光源、光譜解調單元、信號處理單元以及連接以上各組件的光纖，光學電壓傳感探頭包括壓電材料、準直透鏡、光纖尾纖，壓電材料為長方體結構，沿縱向的兩個端面鍍有電極，分別連接高壓端子和接地端子，壓電材料沿橫向的中央位置打有圓柱形通孔，準直透鏡一端鍍有反射膜，另外一端用光學膠與光纖尾纖粘接在一起，在真空環(huán)境下，兩個準直透鏡插入壓電材料的通孔內，使鍍有反射膜的兩個端面相向并在之間保留間隙形成一個F-P腔，F-P腔兩側的光纖伸出絕緣結構外，分別與低壓側的寬帶光源及光譜解調單元相連。

更具體的，所述準直透鏡鍍有反射膜的兩個端面之間保留10至60微米長度的間隙。

作為優(yōu)化的方案，整個光學法布里-珀羅腔被封裝在由環(huán)氧樹脂壓鑄成的絕緣結構內。

所述寬帶光源發(fā)出的光通過光學法布里-珀羅腔時，只有滿足光學法布里-珀羅腔諧振條件的光波長才能透射，諧振條件表示為：

mλ=2L

其中，λ是由F-P腔透射的光波長；m是一個任意的整數；L是光學法布里-珀羅腔的腔長，在高電壓作用下，壓電材料產生伸縮，導致L的變化，根據光學法布里-珀羅腔諧振條件，λ將發(fā)生相應的漂移，漂移量與加在壓電材料兩端的一次電壓成正比。

作為優(yōu)化的方案，所述光譜解調單元由光譜儀或可調諧濾波器加光電探測器構成。

作為優(yōu)化的方案，所述信號處理單元包括模數轉換器和數字信號處理模塊，模數轉換器將光譜解調單元送來的模擬電壓信號轉換成數字量后送入數字信號處理模塊，所述數字信號處理模塊對數字量信號進行濾波處理后，形成最終的數字信號輸出。

作為優(yōu)化的方案，所述壓電材料的通孔兩端帶有開口朝外的錐形杯口，在錐形杯口處點光學膠將準直透鏡與壓電材料固定。

本發(fā)明還提供一種采用上述基于光學法布里-珀羅腔的電壓互感器的分布式布網結構，所述寬帶光源用一個分束器分成多路，每一路對應一個測量節(jié)點的光學電壓互感器探頭，多路光學電壓互感器探頭最終通過一個波分復用器合成一路輸入到光譜解調單元，將每一路的波長信號解調出來，再由信號處理單元轉換成數字信號輸出。

作為優(yōu)化的方案，通過設定各路法布里-珀羅腔的腔長，給每一路分配一個波長帶寬的通道，當電壓改變時，光學電壓互感器探頭輸出的波長隨之在各自的通道帶寬內漂移。

本發(fā)明的基于光學F-P腔的電壓互感器的優(yōu)點是：