專利名稱：分布式光學(xué)電壓互感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種新型的光學(xué)電壓互感器，用于以光學(xué)方法測量電 壓，特別是測量高壓輸電線的電壓。
背景技術(shù)：
近年來以光學(xué)方法精確測量高電壓環(huán)境中電壓的技術(shù)在電力工業(yè)中越 來越引起注意。與現(xiàn)存的常規(guī)技術(shù)，即電感或電容電壓變壓器，或電容電 壓分壓器等相比較，光學(xué)測量技術(shù)具有的優(yōu)點為-固有的抗電磁干擾的能力；-無鐵芯飽和問題；-優(yōu)異的電氣絕緣性能；-更大的帶寬；-更大的動態(tài)范圍；-輕得多的重量；-很小的體積；-遍及整個大動態(tài)范圍內(nèi)更高的精度； -安全的運行條件 -低的維修費用；等然而，現(xiàn)有的光學(xué)電壓互感器，普遍地利用了分立光學(xué)元件，以及特 殊的電極結(jié)構(gòu)和絕緣裝置，并且需要使用絕緣氣體，如六氟化硫。這導(dǎo)致 了結(jié)構(gòu)顯著復(fù)雜；成本明顯增加；維護昂貴困難；并且六氟化硫?qū)Νh(huán)境保護 不利；而且導(dǎo)致應(yīng)用的安全性降低。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于，提出一種分布式光學(xué)電壓互感器，用于以光學(xué)方法測量電壓其包括一組分布放置在其介電屏蔽電氣絕緣段中的光學(xué) 微型電場傳感器，通過所述光學(xué)微型電場傳感器測出電場值再由特定數(shù)值 積分方法去求出待測的電壓，特別是高壓輸電線路的電壓。其具有高測量 精度，并可以克服各種環(huán)境因素造成的干擾。被測電壓可以是交流電壓，也可以是直流電壓。為了實現(xiàn)本實用新型的目的，提出了一種分布式光學(xué)電壓互感器，包 括光學(xué)電場傳感單元，所述光學(xué)電場傳感單元包括光源，光纖，多個光學(xué) 微型電場傳感器和光電探測器，所述光學(xué)微型電場傳感器包括電光晶體；介 電屏蔽絕緣單元；所述介電屏蔽絕緣單元包括由介電材料構(gòu)成的電氣絕緣 ^艮和分別位于電氣絕緣^:兩端間隔距離為L的兩個導(dǎo)體電極，待測電壓加 在所述兩個導(dǎo)體電極上；數(shù)據(jù)處理單元，用于接收光學(xué)電場傳感單元輸出的 信號，并計算得出待測電壓；其中多個光學(xué)微型電場傳感器將待測電壓生成 的電場轉(zhuǎn)變成光學(xué)信號，經(jīng)所述光電探測器轉(zhuǎn)換輸入數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù) 處理單元利用特定積分方法計算得出待測電壓；其中所述光學(xué)微型電場傳 感器中的電光晶體光軸與檢測光束及待測電場方向平行，即電光晶體處于 縱向方位；本實用新型的分布式光學(xué)電壓互感器的組成為 一組用于測量其所在 處電場，并將所測得值以光信號通過光纖傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元的光學(xué)微型 電場傳感器，如圖1， IO所示，形成的光學(xué)電場傳感單元； 一個由介電材料 構(gòu)成的電氣絕緣段單元，如圖1, 12所示，待測電壓V加在間隔距離為L 而分別位于其兩端的導(dǎo)體電極上，如圖1， 13;圖1， 14所示，此絕緣段在 其內(nèi)部區(qū)域形成對外界雜散電場等干擾的介電屏蔽，光學(xué)微型電場傳感器 置于此絕緣段內(nèi)部去檢測其所在處電場； 一個利用光學(xué)電場傳感單元輸出 的光信號通過特定數(shù)值積分方法去組合算出待測電壓精確值V的數(shù)據(jù)處理 單元，如圖1, ll所示。這三個單元互相結(jié)合組成了分布式光學(xué)電壓互感 器。光學(xué)電場傳感器本實用新型為一種基于線性電光效應(yīng)(Pockels electro-optic effect)的 光學(xué)微型電場傳感器。
光學(xué)孩i型電場傳感器(Pockels cell)是分布式光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的核 心器件，它可以很好的抵抗因外界溫度和光源強度變化產(chǎn)生的影響而以滿 足正C標準的精度去測量電場，并且具有大的動態(tài)范圍，高的帶寬，良好 的運行性能，同時還滿足長期穩(wěn)定性及可靠性要求。一個光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)中所有光學(xué)電場傳感器沿電場方向的長度總 和與兩電極間距L的比值一般小于2。/。，因此所測值近似為點電場值，以便 光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)獲得足夠的精度。故所用的這些光學(xué)元件尺寸都很小， 稱為光學(xué)微型電場傳感器。筒稱為微型電場傳感器。BUGe30!2晶體，簡稱BGO晶體，具有立方對稱點群&附，也記作Td。 其三個非零矩陣元相等r41 = r52 = r63.在光學(xué)微型電場傳感器中BGO晶體 所取的方位，外加電場方向，與光束傳播方向三者之間的關(guān)系為微型電場傳感器里的BGO晶體在光學(xué)電壓互感器中取縱向方位，如圖 6a, b所示，即BGO晶體的光軸方向，晶體中^r測光束的方向，外加電場， 也就是待測電場的方向，這三者互相都平行，即都是在同一方向，如圖6, 41所示。通常取BGO晶體尺寸最長方向的光軸作為光束傳播的方向和待測 電場的方向，并取此方向為直角坐標系中的z軸方向，如圖1, 10;圖6a, b所示。由外加電場，也就是待測電場所感生的沿z軸傳播光束的兩個正交光學(xué) 偏振模之間的光折射率之差，即線性雙折射為與之對應(yīng)的這兩個正交光學(xué)偏振模之間相位差為"2丌"^ (2)其中nQ 未受外電場擾動的BGO晶體折射率； r41 BGO晶體電光系數(shù)；VzBGO電光晶體在z軸方向兩個端面所受到的外加電壓； K卡A入o 所用光源在真空中的波長；Lz BGO電光晶體在z軸方向，；險測光束方向，也就是待測電場方向 的長度；Ez 沿縱向外加于BGO晶體上的電場，即待測電場 當光學(xué)電場傳感器安^L在縱向方位，則在沿z軸傳播的兩個正交光學(xué)偏 振模之間所感生的線性雙折射是唯一的依賴于外加在BGO晶體上的電場。當光學(xué)電場傳感器處于縱向方位時電光晶體的靈敏度僅由三個因素決 定no;巧，此處為r41，而與所用BGO晶體的長度與幾何尺寸無關(guān)。 這可由半波電壓，即產(chǎn)生Tt相位差所對應(yīng)的電壓表示2"or" (3)偏置縱向光學(xué)電場傳感器，如圖3所示，的透射率T為、1r-丄21 + sin當關(guān)系V V" (5) 表示的限制條件滿足時，則有下列近似關(guān)系成立if P2 K(6)所以，只要條件(5)滿足上式就是縱向偏置微型電場傳感器的透射率和 外加電壓關(guān)系的很好近似，體現(xiàn)出加偏置后對外加電壓的響應(yīng)有足夠好的 線性度。而且從(4)式可見，只要條件(5)滿足在這個電場傳感器上外加一個小電 場將引起透射率最大的變化。這就表明加偏置后電場傳感器靈壽文度最大。在光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)構(gòu)造中，因為微型電場傳感器的BGO晶體沿z 軸長度，即在電場方向的線度，遠小于兩高壓電極之間的距離L, BGO晶 體上所受到的電壓遠小于其半波電壓V-所以條件(5)總可以滿足。因此, BGO晶體光學(xué)微型電場傳感器可以具有適當?shù)撵`敏度，很高的線性度，以 及足夠高的精度，并且對應(yīng)著相當大的動態(tài)測量范圍。本實用新型的光學(xué)^f鼓型電場傳感單元可以利用圖4(a， b, c， d， e.)中示 意的各個形式光學(xué)電場傳感單元之中的任何一種，都能夠在其信號輸出端 獲得兩個互相補充的光強信號Si和S2。通過光探測器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器可將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字電子信號的輸出值a, b，然后再由數(shù)據(jù)處理單元按照下述方法 算出此光學(xué)微型電場傳感器所測電場精確值。當被測電壓為直流電壓時，則應(yīng)該利用圖5中示意的光學(xué)微型交直流 電場傳感單元，然后再由數(shù)據(jù)處理單元按照下述的求直流電場方法去算出 此光學(xué)微型電場傳感器所測直流電場精確值，參見公式17。本實用新型分布式光學(xué)電壓互感器，如圖1，圖2所示，包括一個由介 電材料構(gòu)成的電氣絕緣段單元，如圖1, 12所示，被測電壓加在通過間隔 if巨離為L而分別處在其兩端的導(dǎo)體電極上，其中一個電極接高壓輸電線電 位，如圖1, 13所示，另一個接地電位，如圖1, 14所示；此絕緣段具有選 定的介電常數(shù)和特殊的組成，構(gòu)造及形狀，常為管形柱，同電極銜接的電 阻型介電屏蔽管，置放于上述的中空絕緣管內(nèi)部，由此在其內(nèi)部空腔區(qū)域 形成對外界雜散電場等干擾的介電屏蔽，如圖2所示。n個光學(xué)微型電場傳 感器置于此絕緣段內(nèi)部區(qū)域中軸線上去檢測其所在處的電場；這樣就降低 了外界雜散電場等干擾造成的誤差。在本實用新型的分布式光學(xué)電壓互感器中利用易于獲取的絕緣材料 和結(jié)構(gòu)，即通用的支柱式絕緣柱，配合以幾個安放在其內(nèi)部特定位置的光 學(xué)微型電場傳感器，再加上光信號的傳輸和探測處理系統(tǒng)等，就可以構(gòu)造 出分布式光學(xué)電壓互感器。本實用新型的分布式光學(xué)電壓互感器的介電屏蔽絕緣單元包括如圖1,圖2所示，由金屬支架支撐的絕緣段，可以是中空圓管形復(fù) 合材料絕緣柱。主要用于對光學(xué)微型電場傳感器的機械支撐，和防止各種 雜散外界條件對光學(xué)微型電場傳感器的干擾與破壞。以相當大距離分隔開的高壓電極和接地電極，內(nèi)置于中空圓管形復(fù)合 材料絕緣段兩端。提供介電屏蔽的中空圓管形電阻器安裝在絕緣段內(nèi)部，位于絕緣段兩 端的兩個電極之間，頂部電極與傳輸線高壓端作電氣聯(lián)結(jié)，而底部電極則 取地電位。對兩個電極之間的區(qū)域，利用較高介電常數(shù)的材料形成介電屏 蔽，對來自外部的各種雜亂電場干擾源進行介電屏蔽。
-中空圓管形復(fù)合材料絕緣段內(nèi)部取消了以六氟化硫氣體，或油，紙， 等材料作特殊絕緣的需求。若干個由介電材料做成的光學(xué)微型電場傳感器放在圓管形復(fù)合絕緣段 里的電阻屏蔽管內(nèi)部中軸線上。按照數(shù)值積分算法確定各微型電場傳感器在中軸線上的位置坐標，而安裝取向方位則如圖1，圖2及圖6a， b所示。 以此方式置放的微型電場傳感器用于精確測量其所在點電場。光源的光由光纖送入與之相連接的微型電場傳感器，再將輸出的光信 號傳送到控制室中的光探測裝置轉(zhuǎn)換為電信號，然后由數(shù)據(jù)處理單元最終 給出所要測的電壓值。本實用新型的分布式光學(xué)電壓互感器的基本構(gòu)成從上到下，參見圖1，圖2*與高壓輸電線相連的頂部導(dǎo)體電極；帶有均壓環(huán)；*以玻璃.纖維等復(fù)合介電材料作為管壁的中空絕緣圓管，外部裝有絕緣 材料傘裙，構(gòu)成絕緣支柱；*同絕緣段兩端電極銜接的電阻型介電屏蔽管，置放于上述的中空絕緣 圓管內(nèi)部；*導(dǎo)體構(gòu)成的接地電極底板；和用導(dǎo)體構(gòu)成的接地支架。*光學(xué)微型電場傳感器被分別安置于絕緣管的中軸線上，其位置由數(shù)值 積分算法給出。*光學(xué)微型電場傳感器被分別安置于絕緣管的中軸線上，其取向方位由 圖6.a，圖6.b給出。*光纖連接于光源，將光輸入進微型電場傳感器，并將其所輸出的光信 號傳回到位于控制室內(nèi)的光探測器及數(shù)據(jù)處理單元，用于計算求出高壓傳 輸線上的電壓。本實用新型光學(xué)電壓互感器的優(yōu)點是-不需要任何依賴客戶條件而定做的電極結(jié)構(gòu)以及/或特殊絕緣裝置；-不需要加壓六氟化硫氣體絕緣，也不需要油-紙，等材料作為絕緣，由 此降低了制造成本和維修費用，減少了對環(huán)境污染的風險；-因為高電壓部分與地電位部分被較寬的分隔開，所以千燥的氮氣或者 空氣充填在中空的絕緣柱當中就可滿足絕緣需求，使這種分布式光學(xué)電壓 互感器的電氣絕緣安全性增加。-由于調(diào)節(jié)光學(xué)微型電場傳感器的數(shù)目就可以增加待測電壓的測量精確 度，使這種光學(xué)電壓互感器的精度易于提高。


圖.l為分布式光學(xué)電壓互感器基本結(jié)構(gòu)示意圖； 圖.2為分布式光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為偏置縱向光學(xué)電場傳感器原理示意圖；圖4.a為本實用新型的光學(xué)電壓互感器的第一實施例的光學(xué)電場傳感單元^圖4.b為本實用新型的光學(xué)電壓互感器的第二實施例的光學(xué)電場傳感單元；圖4.c為本實用新型的光學(xué)電壓互感器的第三實施例的光學(xué)電場傳感單元；圖4.d為本實用新型的光學(xué)電壓互感器的第四實施例的光學(xué)電場傳感單元；圖4.e為本實用新型的光學(xué)電壓互感器的第五實施例的光學(xué)電場傳感單元；圖5為本實用新型的光學(xué)電壓互感器的第六實施例的光學(xué)電場傳感單元；圖6.a為本實用新型的光學(xué)微型電場傳感器的結(jié)構(gòu)及其放置方位示意圖；圖6.b為本實用新型的光學(xué)微型電場傳感器另一種結(jié)構(gòu)及其放置方位 示意圖。圖中標號說明10. 光學(xué)微型電場傳感器11. 數(shù)據(jù)處理單元
12. 介電材料構(gòu)成的電氣絕緣段13. 與高壓輸電線相連的頂部導(dǎo)體電極14. 接地電極15. 中空絕緣圓管16. 電阻型介電屏蔽管17. 均壓環(huán)18. 絕緣傘群19. 導(dǎo)體支架20. 與高壓輸電線相連的頂部導(dǎo)體21. 地面24. 入射檢測光束25. 光學(xué)起偏器26. 光學(xué)1/4波片27. 光學(xué)檢偏器28. 光源29. 光纖30. 偏振分光器31. 32. 33.光學(xué)準直耦合器組34. 光探測器35. 光纖在線起偏器36. 光纖在線1/4波片37. 保偏光纖38. 光學(xué)棱鏡39. 非偏振分光器40. 雙折射相位調(diào)制器41. BGO電光晶體
具體實施方式
以下結(jié)合附圖，詳細介紹本實用新型的光學(xué)電壓互感器的實施例 第一實施例a). 待測的是交變電場所述的光學(xué)電場傳感單元至少由處于高電壓環(huán)境中的光纖，光學(xué)起偏 器，光學(xué)準直耦合器，光學(xué)四分之一波片，電光晶體Bi4Ge3012 (簡記為 BGO),偏振分光器所形成的光學(xué)微型電場傳感器，以及處在高電壓環(huán)境外 的光源，光纖和光電探測器組合構(gòu)成；如圖4a所示。光源發(fā)出的光由光纖傳輸，經(jīng)光學(xué)準直耦合器組送進光學(xué)起偏器，兩 者次序可交換，再通過光學(xué)四分之一波片后進入電光晶體BGO中，波片和 晶體兩者次序也可交換，因線性電光效應(yīng)而在兩個正交偏振光分量之間產(chǎn) 生正比于外加在BGO上待測電場的相位差，偏振分光器與光學(xué)準直耦合器 分離并經(jīng)光纖將這兩個正交偏振光分量各自傳到對應(yīng)的光電探測器轉(zhuǎn)換為 電信號后由數(shù)據(jù)處理單元算出待測電壓精確值V利用圖4a中示意的光學(xué)微型電場傳感器的整體結(jié)構(gòu)，能夠在其信號輸 出端獲得兩個互相補充的光強信號S,和S2,通過光探測器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器可 將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字電子信號的輸出值a， b。然后再由數(shù)據(jù)處理單元按照下述 方法去算出此光學(xué)微型電場傳感器所測電場精確值。光學(xué)微型電場傳感器需要利用兩個互相補充的，通過光探測器和模數(shù) 轉(zhuǎn)換器將光強信號S,和S2轉(zhuǎn)化為數(shù)字電子信號的輸出值a, b。計入傳輸 及轉(zhuǎn)化過程中的損失，以及比例因子變化的影響后，數(shù)值a代表對應(yīng)的光 強S!,即a = Ka*Si; (7-a) 同樣 b = Kb*S2; (7-b)在數(shù)據(jù)處理單元中，利用a和b的值可以計算出由微型電場傳感器測 出的電場。從下列方程中可以得到微型電場傳感器的傳遞函數(shù)
<formula>formula see original document page 13</formula>和<formula>formula see original document page 14</formula>(8-b)其中Po進入微型電場傳感器的總光強；E沿著光傳播方向電光晶體上所加的電場強度，或在微型電場傳感器 整體長度上的平均電場強度；En電光晶體中兩個正交的偏振傳播模之間建立兀位相差所需要的電場 強度；.^電光晶體上在兩個正交的偏振傳播模之間的偏置或初始相位差，主 要由波片控制，典型情況取tt/2;a表明微型電場傳感器制作中不完善程度的系數(shù)；Ka， Kb:對信號a和b而言，各自的功率損失因子；以上兩式可改寫為<formula>formula see original document page 14</formula>和<formula>formula see original document page 14</formula>(9-b)其中 <formula>formula see original document page 14</formula> (10)是微型電場傳感器中殘留的相位偏置，主要源自于:所用波片的不完善 性，也可以來自此波片因外界溫度變化而產(chǎn)生的相對于T的偏離。<formula>formula see original document page 14</formula>其中Eo 交變電場l展幅；交變電場角頻率co=27tf， 頻率(50Hz); t:時間； 為了能夠精確地測量電場，必須取消、最小化或者補償因光源光強，溫度變化或振動等干擾造成的a， b以及傳遞函數(shù)中各參數(shù)的變化。這可以利用(9-a, 9-b)式來計算規(guī)范化傳遞函數(shù)<formula>formula see original document page 15</formula>從(12, 13)式中可以解出所求的微型電場傳感器上的外加電場<formula>formula see original document page 15</formula> (14)如果a, △%， En和K都已知，則待測電場E的值可以由數(shù)據(jù)處理單元利用上式^所測得信號a和b的值求出。對于每個微型電場傳感器，a和E^能夠通過測試確定，即可由標定而得出。K則依賴于信號通路中光路和電子線路的損耗，會隨時間有所變化，因此系統(tǒng)應(yīng)對它不斷進行動態(tài)的跟蹤，監(jiān)測。微型電場傳感器殘留的相位偏置A^。也應(yīng)該被經(jīng)常地監(jiān)測。當被測的量主要是由(ll)式所表示的正弦交變信號，則K值可以用(9)， (ll)兩式求出分別測出信號a,和b的交變部分的絕對值，就可從下式求 出K值隨后殘留的相位偏置A外可以用(10)和(14)式求得<formula>formula see original document page 15</formula>上式對時間的平均值為零，所以有<formula>formula see original document page 15</formula>(15)<formula>formula see original document page 15</formula>(16)由于K以及A^值的任何變化都能夠由光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)動態(tài)地跟 監(jiān)測和調(diào)節(jié)而被精確的測定，這就使在用(14)， (15)式計算電場時，由 于各種干擾所致k以及A^值的任何變化不會對所測電壓值造成有影響的 誤差。利用光學(xué)微型電場傳感器輸出并通過此信號處理方法得到的電場值， 可以在高壓環(huán)境中遍及相當寬的溫度范圍而且存在光源強度變化及振動等 各種千擾時，對光學(xué)微型電場傳感器所在處電場進行可靠而且精確的測量。
由以上得到的電場值，經(jīng)下述高斯數(shù)值積分方法計算可得到待測電壓值。a， b,兩點間的電壓可以/人兩點間電場計算出(1)這里r必是空間中從a到b的任意路徑。 利用笛卡爾坐標系，取路徑rab沿著最短路徑即直線，則上式可以寫為^=-〖￡， (2)其中a， b在沿著z軸上取，Ez(z)是在z點處電場沿z軸的分量， 是坐標z的函數(shù)?！房跈?quán)求和來近 似這里Ez(Zi)在絕緣段兩端電極間中軸線上，即z軸上Zi點處的電場沿z軸的 分量，A Zi點處微型電場傳感器測出的電場值E"Zi)所對應(yīng)的權(quán)重， Zi 微型電場傳感器在絕緣段兩端電極間中軸線上，即z軸上的位置 坐標，n對絕緣段兩個電極間中軸線，即z軸上電場值的取樣數(shù)目，也就是微 型電場傳感器數(shù)目；對于n個光學(xué)微型電場傳感器，存在2n個未知變量n個位置變量， 以及n個權(quán)重變量。理想情況下，這些變量的選定應(yīng)該使得外界各類干擾 造成的變化之和為最小。這里原點是取在a點處，如圖1所示。被擾動系統(tǒng)定義為 一個未經(jīng)擾動的任意系統(tǒng)受到擾動而變化后的系 統(tǒng)。這些變化的例子包括附近空間其他電壓源的出現(xiàn)；以及介電質(zhì)變得 不均勻等。這樣就產(chǎn)生被擾動后的電場P(x,j;，2),其沿z軸分量為^W可以用^W的項表示出 *) (4)這里的p(z)是當光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)從未擾動狀態(tài)進入被擾動狀態(tài)時所對應(yīng)的變化量。這個算法要求^(4是已知量，最好就是未擾動系統(tǒng)中的Ez(z)。在實際情況中，借助于數(shù)值方法通過建立電場模型很容易得出￡， (z)。代(4)入(3)并對右邊改動后得<formula>formula see original document page 17</formula>這里的積分以z軸上n個點處的變化量p(z)表示出，其中存在著一個筒單的方法去求出(5)式中Wi和Zi,這就是高斯數(shù)值積分 算法。取p(z)為升冪多項式，且讓(5)式準確成立。這里取樣點位置坐標Zj和相應(yīng)點的權(quán)重Wj是需要被確定的兩個未知量。這里mk為k階矩，它是上式所給出的積分，具有關(guān)系 P(z) = ，即為1， z， z2, z3…z211—、假設(shè)p(z)可以通過一個n階多項式很好的近似，取p(z)為不高于2n-l階 的升冪多項式，則給出2n個方程<formula>formula see original document page 17</formula>
解這個非線性方程組的方法 定義特征多項式<formula>formula see original document page 18</formula> (9)注"z,) = 0 若i=1， 2,…n這里Zi就是特征多項式7l(Z)的零點，而Ck是這個多項式的系數(shù)。對上邊的方程組(8)中從上往下每個方程的兩邊，將第一個方程乘以Co， 第二個方程乘以C,,…第n個方程乘以Cn。取Cn=l;然后將(8)式中所有方程相加求和而得"o (10) 隨后將(8)中各式每個系數(shù)下移，讓下個方程兩邊同乘各個系數(shù)。 然后再重復(fù)這個求和過程:這個過程應(yīng)重復(fù)n次，直到獲得n個方程構(gòu)成的線性方程組4=0<formula>formula see original document page 18</formula> (11)若:則利用Q^1,可以解出諸Ck值。其中各nik都可以從(7)式得到。所以上式中的各個Ck值能夠全部解出。既然全部系數(shù)Ck值都知道，則此特征多項式(9)就被唯一確定，并可以 得到它的各個零點，因此它的根就可以解出。這就是微型電場傳感器在絕 緣管柱中軸線上的坐標值Zi，也就是待測電場取樣處的位置。當Zi的值都被求出后，既然在這n個獨立的方程中僅含有n個未知數(shù) Wi， i=l， 2, ...n，利用(8)式前n個方程就能夠求得各個電場取樣值對應(yīng)的權(quán)重Wj 。從(6)式可以算出Zj點處《效型電場傳感器測出的電場值Ez(Zj)所直接對應(yīng)
的權(quán)重求得Zi和cti后，因為(4)中定義的表示實際外界各類干擾的因子p(z)總 可以由一個階數(shù)不高于2n-l階的任意多項式足夠精確地近似，所以(3)式中 積分算法的精確度就可以足夠高，就可以利用多個光學(xué)微型電場傳感器測 出的電場值作加權(quán)求和而得到待測電壓V的精確值。第二實施例，如圖4b所示，和圖4a所示第一實施例相比，第二實施例 中的光學(xué)起偏器和光學(xué)四分之一波片由光纖在線器件構(gòu)成，第二實施例其 余部分的構(gòu)造，以及具體實施過程與第 一 實施例相同。第三實施例.如圖4c所示，和圖4a所示第一實施例相比，第三實施例 中的光學(xué)起偏器和光學(xué)四分之一波片由光纖在線器件構(gòu)成，且起偏器在高 電壓環(huán)境外，第三實施例其余部分的構(gòu)造，以及具體實施過程與第一實施 例相同。第四實施例.如圖4d所示，和圖4a所示第一實施例相比，第四實施例 中由光學(xué)起偏器給出的線偏振光先通過電光晶體，再由波片轉(zhuǎn)換為圓偏光， 第四實施例其余部分的構(gòu)造，以及具體實施過程與第一實施例相同。第五實施例.如圖4e所示，和圖4a所示第一實施例相比，第五實施例 的特點是電光晶體中的光路為反射式第五實施例中光學(xué)起偏器給出的線 偏振入射光束通過電光晶體后，經(jīng)處在電光晶體一端的光學(xué)棱鏡，或用電 光晶體的另一端構(gòu)成的棱鏡反射后再通過電光晶體，進入光學(xué)四分之一波 片，第五實施例其余部分的構(gòu)造，以及具體實施過程與第一實施例相同。前五個實施例中，所述光學(xué)四分之一波片位于電光晶體入射端，然而， 此光學(xué)四分之一波片也可以位于電光晶體出射端，可以取得相同的效果。第六實施例.光學(xué)微型交直流電壓傳感器b). 待測的是直流電場所述的光學(xué)電場傳感單元至少由處于高電壓環(huán)境中的保偏光纖或普通 單模光纖，光學(xué)準直耦合器，光學(xué)起偏器，電光晶體Bi4Ge3012 (簡記為 BGO)，非偏振分光器，光學(xué)四分之一波片組，光學(xué)檢偏器組所形成的光學(xué)
微型電場傳感器，以及處在控制室中的光源，保偏光纖或普通單模光纖， 雙折射相位調(diào)制器，光電探測器組，信號發(fā)生器結(jié)合構(gòu)成；光源發(fā)出的光通過用信號發(fā)生器提供的交變電壓由雙折射相位調(diào)制器 周期性地改變光纖中所傳播光的偏振態(tài)實現(xiàn)相位調(diào)制后，經(jīng)光纖傳輸?shù)焦?學(xué)準直耦合器組送進光學(xué)起偏器，后兩者次序可交換，成為偏振光進入電光晶體BGO與光學(xué)四分之一波片，因線性電光效應(yīng)而在兩個正交偏振光分 量之間產(chǎn)生正比于外加在BGO上待測電場的相位差，非偏振分光器與光學(xué) 檢偏器組和光學(xué)準直耦合器組分離并經(jīng)光纖將這兩個正交偏振光分量各自 傳到對應(yīng)的光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號后，由數(shù)據(jù)處理單元算出待測電壓精 確值V;按照此方式構(gòu)成的光學(xué)電場傳感器可用于直流電場的測量，也可用 于交流電場的測量。如圖5所示。對于一個待測的直流電場E，可以從光學(xué)微型交直流電壓傳感器組的輸 出信號計算出<formula>formula see original document page 20</formula>(17)其中En是BGO晶體的半波電壓對應(yīng)的半波電場.(|)msino)mt是由信號發(fā)生器給出并加在雙折射相位調(diào)制器上的調(diào)制正弦 信號生成的相位調(diào)制(J)m是相位調(diào)制振幅；J《())m), J2((()m)分別是變量為(()m的一階，二階貝塞爾函數(shù)a是從光強信號S,轉(zhuǎn)化成的數(shù)字電子信號，amlH, am2H，分別是a的一 次諧波和二次諧波。b是從光強信號S2轉(zhuǎn)化成的數(shù)字電子信號，bmlH， IV2H，分別是b的 一次諧波和二次諧波。此方法中所求出的待測電場E的值與光源強度的波動無關(guān)。通過動態(tài)監(jiān)測控制殘余光學(xué)相位偏置A如的值隨外界影響的變化，光學(xué) 微型交直流電場傳感器系統(tǒng)可以通過下式監(jiān)測殘余光學(xué)相位偏置A如的值<formula>formula see original document page 21</formula>并數(shù)值補償因A小o受外界各類因素干擾而變化所導(dǎo)致的所測出直流電場 的誤差，以此方式精確的求出待測的直流電場值。這個方法也可以用于從光學(xué)微型交直流電場傳感器輸出信號測量交流 電場。由以上得到的電場值，經(jīng)與上述諸實施例相同的數(shù)值積分算法計算就 可得到待測電壓值。最后應(yīng)說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型，而并非限制本實 用新型所描述的技術(shù)方案；因此盡管本說明書參照上述的各個實例，對本實 用新型已進行了詳細地說明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，仍然 可以對本實用新型進行修改或者等同替換；而一切不脫離本實用新型的精 神和范圍的技術(shù)方案及其改進，均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當 中。
權(quán)利要求1.一種分布式光學(xué)電壓互感器，包括光學(xué)電場傳感單元，所述光學(xué)電場傳感單元包括光源，光纖，多個光學(xué)微型電場傳感器和光電探測器，所述光學(xué)微型電場傳感器包括電光晶體；介電屏蔽絕緣單元；所述介電屏蔽絕緣單元包括由介電材料構(gòu)成的電氣絕緣段和分別位于電氣絕緣段兩端間隔距離為L的兩個導(dǎo)體電極，待測電壓加在所述兩個導(dǎo)體電極上；數(shù)據(jù)處理單元，用于接收光學(xué)電場傳感單元輸出的信號，并計算得出待測電壓；其中多個光學(xué)微型電場傳感器將待測電壓生成的電場轉(zhuǎn)變成光學(xué)信號，經(jīng)所述光電探測器轉(zhuǎn)換輸入數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元利用數(shù)值積分方法計算得出待測電壓；其特征在于所述光學(xué)微型電場傳感器中的電光晶體光軸與檢測光束及待測電場方向平行，即電光晶體處于縱向方位。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所述電光晶 體是Bi4Ge30,2晶體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所述多個 光學(xué)微型電場傳感器分布在所述電氣絕緣段內(nèi)部區(qū)域中軸線上，即z軸線 上用高斯數(shù)值積分法給出的坐標處。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所述數(shù)據(jù)處 理單元為依據(jù)下式計算得出待測電壓的數(shù)據(jù)處理單元，其中 n是^l的整數(shù)，表示光學(xué)微型電場傳感器的數(shù)目； Ej是在距下端電極Zi距離處的第i個光學(xué)微型電場傳感器所測出的電 場值，oti是與第i個光學(xué)微型電場傳感器所測出電場值相對應(yīng)的權(quán)重因子，其中(Xi, Zj的選擇應(yīng)該使得￡"戚成為極小值，其中dEi是由于外界雜散電場等干擾而使在Zi處電場Ei 產(chǎn)生的變化。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于其中數(shù)據(jù)處理單元是利用高斯數(shù)值積分法選擇(Xi, Zi以使得''=1成為極小值的數(shù)據(jù)處理單元。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所述多個 光學(xué)微型電場傳感器沿電場方向的長度總和與兩電極間距L的比值小于2%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所迷電氣 絕緣段還包括中空絕緣管和置放于上述中空絕緣管內(nèi)部的電阻型介電屏蔽管。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所述電阻型 介電屏蔽管兩端分別同兩個電極鄰接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所述光學(xué)微 型電場傳感器還包括光學(xué)起偏器，光學(xué)準直耦合器，光學(xué)四分之一波片， 偏振分光器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所述光學(xué) 微型電場傳感器還包括光學(xué)在線起偏器，光學(xué)準直耦合器，光學(xué)在線四分 之一波片，偏振分光器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所述光學(xué) 電場傳感單元還包括光學(xué)起偏器，所述光學(xué)微型電場傳感器還包括光學(xué)準 直耦合器，光學(xué)四分之一波片，偏振分光器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所迷光學(xué) 微型電場傳感器還包括光學(xué)起偏器，光學(xué)準直輛合器，光學(xué)四分之一波片， 偏振分光器，光學(xué)棱鏡。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所述光學(xué) 電場傳感單元還包括光學(xué)起偏器，所述微型電場傳感器還包括光學(xué)準直耦 合器，光學(xué)四分之一波片，偏振分光器，光學(xué)棱鏡。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12或13的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所 述光學(xué)棱鏡由電光晶體的一端形成。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所述光學(xué) 電場傳感單元還包括光學(xué)起偏器，雙折射相位調(diào)制器，信號發(fā)生器，所述 光學(xué)微型電場傳感器還包括光學(xué)四分之一波片，非偏振分光器，光學(xué)準直 耦合器，檢偏器。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所述光學(xué) 電場傳感單元還包括雙折射相位調(diào)制器，信號發(fā)生器，所述光學(xué)微型電場 傳感器還包括光學(xué)起偏器，光學(xué)四分之一波片，非偏振分光器，光學(xué)準直 耦合器，檢偏器。
17. 根據(jù)權(quán)利要求9的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所述光學(xué) 四分之一波片位于電光晶體入射端。
18. 根據(jù)權(quán)利要求9的分布式光學(xué)電壓互感器，其特征在于所述光學(xué) 四分之一波片位于電光晶體出射端。
專利摘要本實用新型提出一種新型的分布式光學(xué)電壓互感器。用于以光學(xué)方法測量高壓輸電線路的電壓。本實用新型的分布式光學(xué)電壓互感器的電氣絕緣段由介電材料構(gòu)成，被測電壓加在位于其兩端的電極上。此絕緣段在其內(nèi)部區(qū)域提供對外界雜散電場等干擾的介電屏蔽，若干個利用電光晶體Bi₄Ge₃O₁₂及光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)微型電場傳感器取縱向方位置于此絕緣段內(nèi)部去感應(yīng)其所在處的電場，并將所測得的電場值作為輸出信號通過光纖傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元后，通過特定數(shù)值積分方法使外界各種干擾的影響被限制，從而精確地求出待測電壓值。
文檔編號G01R15/18GK201051119SQ20072000056
公開日2008年4月23日 申請日期2007年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月15日
發(fā)明者灣世偉 申請人:灣世偉