专利名称：基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器及分布式布网结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及电カ系统电压测量领域，具体涉及ー种光学无源电子式电压互感器系统。
背景技术：
电压互感器可以测量电压參数，主要应用在电カ系统中，是一次设备和二次设备的联络元件。它主要在输变电环节的监控测量装置和系统、继电保护系统、故障录波装置、计量设备和电磁环境监测中使用，可以对电网故障做出预警，并对故障实施隔离和系统恢复，还能促进功率因数的优化，降低输配电线路中变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗。随着智能电网的建设需求和电网电压等级的不断升高，传统电磁式互感器暴露出的诸多弊端已经使其不能胜任电网运行状态监测的重任。目前市场上已经出现了新型的电子式互感器，它消除了传统互感器磁饱和、铁磁谐振的问题，同时具有良好的绝缘性能、体积小、重量轻、暂态性好、带宽宽、安全性能高等优点。特别是光学电子式互感器其传感探头完全由无源的光学元件构成，高压侧不需要额外供能，并且抗电磁干扰能力强，因而被视为下一代电子式互感器的发展方向。但目前光学电子式互感器多采用对光的強度、偏振、相位等參数的调制，因此需要运用大量的偏振控制器件，这些光学器件本身的稳定性、可靠性以及易受外界环境影响的特点，使得光学电子式互感器存在诸如信噪比差、温度不稳定和长期挂网运行不稳定等问题。很多研究机构或公司为了解决光学互感器的这些技术瓶颈，往往通过改善功能性传感材料的性能或増加补偿光路或參考信号的方法，达到提高系统稳定性的目的。但这些方法又使产品的结构变得更加复杂，同时增加了系统研发和产品本身的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供ー种结构简单、成本低且极大提高系统稳定性的基于光学法布里-珀罗腔(F-P腔)的电压互感器。本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的:一种基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器，包括位于高压侧的光学电压传感探头、位于低压侧的宽带光源、光谱解调単元、信号处理单元以及连接以上各组件的光纤，光学电压传感探头包括压电材料、准直透镜、光纤尾纤，压电材料为长方体结构，沿纵向的两个端面镀有电极，分别连接高压端子和接地端子，压电材料沿横向的中央位置打有圆柱形通孔，准直透镜一端镀有反射膜，另外ー端用光学胶与光纤尾纤粘接在一起，在真空环境下，两个准直透镜插入压电材料的通孔内，使镀有反射膜的两个端面相向井在之间保留间隙形成ー个F-P腔，F-P腔两侧的光纤伸出绝缘结构外，分别与低压侧的宽带光源及光谱解调単元相连。更具体的，所述准直透镜镀有反射膜的两个端面之间保留10至60微米长度的间隙。
作为优化的方案，整个光学法布里-珀罗腔被封装在由环氧树脂压铸成的绝缘结构内。所述宽带光源发出的光通过光学法布里-珀罗腔时，只有满足光学法布里-珀罗腔谐振条件的光波长才能透射，谐振条件表示为:m入=2L其中，入是由F-P腔透射的光波长；m是ー个任意的整数；L是光学法布里-珀罗腔的腔长，在高电压作用下，压电材料产生伸縮，导致L的变化，根据光学法布里-珀罗腔谐振条件，入将发生相应的漂移，漂移量与加在压电材料两端的一次电压成正比。作为优化的方案，所述光谱解调单元由光谱仪或可调谐滤波器加光电探测器构成。作为优化的方案，所述信号处理单元包括模数转换器和数字信号处理模块，模数转换器将光谱解调单元送来的模拟电压信号转换成数字量后送入数字信号处理模块，所述数字信号处理模块对数字量信号进行滤波处理后，形成最終的数字信号输出。作为优化的方案，所述压电材料的通孔两端带有开ロ朝外的锥形杯ロ，在锥形杯ロ处点光学胶将准直透镜与压电材料固定。本发明还提供一种采用上述基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器的分布式布网结构，所述宽带光源用一个分束器分成多路，每一路对应ー个测量节点的光学电压互感器探头，多路光学电压互感器探头最终通过ー个波分复用器合成一路输入到光谱解调单元，将每一路的波长信号解调出来，再由信号处理单元转换成数字信号输出。作为优化的方案，通过设定各路法布里-珀罗腔的腔长，给每一路分配一个波长带宽的通道，当电压改变时，光学电压互感器探头输出的波长随之在各自的通道带宽内漂移。本发明的基于光学F-P腔的电压互感器的优点是:与现有的基于光强、相位、偏振等调制方式的光学电压互感器相比，本发明的互感器光路和结构更简单、制作成本更低、信噪比更高、高压侧的传感探头和低压侧组件能够拉远。与现有的基于光波长调制的光纤光栅互感器相比，本发明的互感器传感探头拥有温漂自动补偿的结构设计，不需要额外测量温度參数来解调电压參数，因此具有更高的运行稳定性和可靠性。并且该互感器的传感探头为光学无源结构，高压端无需供能，对绝缘要求简単。
图1是基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器的结构示意图，图2是光学F-P腔的结构示意图，图3是互感器的分布式组网测量示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进ー步的说明。本发明的基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器主要由五部分组成:位于高压侧的光学电压传感探头、位于低压侧的宽带光源22、光谱解调単元24、信号处理单元26以及连接以上各组件的光纤3。如附图1所示，光学电压传感探头包括压电材料12、准直透镜14、光纤尾纤16和绝缘结构17。压电材料12为长方体结构，沿纵向的两个端面镀有电极，分别连接高压端子122和接地端子124。同时參阅图2所示，压电材料12沿横向的中央位置打有圆柱形通孔，通孔直径比准直透镜14稍大。准直透镜14 一端镀有反射膜142，另外一端用光学胶与光纤尾纤16粘接在一起。在真空环境下，两个直径约Imm大小的准直透镜14分别从压电材料12的两端插入通孔内，使镀有反射膜142的两个端面相向井在之间保留几十微米长度的间隙形成ー个F-P腔125。压电材料12以及F-P腔125被真空封装在由环氧树脂压铸成的绝缘结构17内。F-P腔125两侧的光纤3伸出绝缘结构17タト，分别与低压侧的宽带光源22及光谱解调単元24相连。当宽带光源22的光通过F-P腔125时，只有满足F-P腔125谐振条件的光波长才能被透射，透射的光波长会因为谐振条件的改变而发生相应的漂移。被测的一次电压加在压电材料12的两端电极上，在高电压下，压电材料12通过逆压电效应产生机械形变，这ー形变传递到F-P腔125上，造成腔长的变化，进而改变了 F-P腔125的谐振条件，进ー步引发透射光的波长漂移。这一波长漂移量与被测一次电压的幅值成正比。在低压侧，光谱解调单元24将从光学电压传感探头返回光的波长漂移量解调出来，再由信号处理单元26转换成数字信号输出，从而完成对一次电压的完整测量。上述F-P腔125的谐振条件表示为:m入=2L其中，入是由F-P腔125透射的光波长；m是ー个任意的整数；L是F-P腔125的腔长。在高电压作用下，压电材料12产生伸縮，导致L的变化，根据F-P腔125谐振条件，入将发生相应的漂移，漂移量与加在压电材料12两端的一次电压成正比。作为优选的方案，所述光谱解调单元24由光谱仪或可调谐滤波器加光电探测器构成，用于检测、的漂移量，并将该漂移量转换成模拟电压信号，该信号大小与被测一次电压的大小成正比。作为优选的方案，所述信号处理单元26包括模数转换器和数字信号处理模块。模数转换器将光谱解调单元24送来的模拟电压信号转换成数字量后送入数字信号处理模块；所述数字信号处理模块对数字量信号进行滤波处理后，形成最終的数字信号输出。图2中标记的为透射型F-P腔结构。压电材料12首先被加工成中间带有通孔、通孔两端带有锥形杯ロ的结构，通孔的内径与光纤尾纤16头上的准直透镜14外径吻合。在真空操作环境中，先将ー根光纤尾纤16插入压电材料12的通孔,末端点光学胶126将准直透镜14与压电材料12固定，再将另ー根光纤尾纤14从另一端插入压电材料12的通孔，调节两个准直透镜14端面的反射膜142之间的间隙，同时观察光谱仪，微调腔体间隙直至输出光谱为F-P腔125设定的通道带宽中心波长时，点光学胶126将这一端固定，这样就形成ー个由压电材料12驱动的透射式的F-P腔125。本发明的光学电压传感探头通过对F-P腔125的腔长、准直透镜14的长度、压电材料12的厚度以及准直透镜14与压电材料12的固定粘接点的设计，可以消除探头由温度变化带来的不稳定性。由温度引起的电压互感器不稳定性取决于温度引起的F-P腔谐振条件的改变，主要体现在材料的热胀冷缩引起的F-P腔腔长的改变。本发明的光学电压传感探头受温度影响的因素包括压电材料的热胀冷缩和准直透镜的热胀冷縮。上述的光学电压传感探头结构中，首先压电材料的热胀会引起F-P腔腔长的増大，而准直透镜的热胀会引起F-P腔腔长的变小，两者的线热胀系数在同一个量级，因此通过设计准直透镜与压电材料的粘接点，可以将两者受温度影响引起的腔长变化抵消。因此本发明的光学电压传感探头本身就可以实现零温漂的高精确度测量，而不需要额外的补偿光路、參考链路以及复杂的自适应算法。本发明的光学电压传感探头结构还可以有很多种设计和粘接方式，所用压电材料的形状和极化方式的选择可以是多祥的。但传感探头的共同特征都是采用真空作为F-P腔体的介质，这样探头的温度稳定性良好，同时F-P腔通过压电材料的形变来感应电压的变化。本发明的光学电压传感探头上下两端镀有金属电极，一端与高压母线相连，另ー端接地，将高压母线的电压直接加在压电材料的电极上，这种直接测量的方式使电压互感器不受外界电场干扰的影响，測量将更加准确。本发明中被检测的波长信号的信噪比不会随光纤传播的距离增加而变差，因而可以实现高压侧传感探头和低压侧组件的拉远。本发明的基于光学F-P腔的电压互感器还提供了电压互感器的分布式測量组网功能。组网方法可以采取波分复用、时分复用、空分复用、以及波、时、空分复合复用等技术来实现分布式的布网。图3给出了这种互感器的分布式测量的一种实施例，该实施例是波分复用的一种应用形式。该实施例首先将宽带光源22用一个分束器分成多路，每一路对应一个测量节点的光学电压互感器探头，通过设定各路F-P腔125的腔长，给每一路分配ー个波长带宽的通道。当电压改变时，光学电压互感器探头输出的波长随之在各自的通道带宽内漂移，多路最终通过ー个波分复用器合成一路输入到光谱解调単元24，将每一路的波长信号解调出来。综上所述，本发明不仅提供了一种基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器，而且在此基础上提供了电压互感器的温度解决方案。与现有的光学电子式互感器相比，基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器采用波长调制的原理，具有更简洁的光路结构、更高的信噪比、更大的探测灵敏度、更远的信号传输距离和更低的制作成本。同时本发明提供的基于光学F-P腔的电压互感器还有更好的兼容性，能很方便地将多个传感探头集成在一起，构成组合式或分布式的电压互感器，使不同的互感器单元共用一套宽带光源及光谱解调系统，大大降低了组建监测网络的成本。以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器，包括位于高压侧的光学电压传感探头、位于低压侧的宽带光源、光谱解调単元、信号处理单元以及连接以上各组件的光纤，其特征在于:光学电压传感探头包括压电材料、准直透镜、光纤尾纤，压电材料为长方体结构，沿纵向的两个端面镀有电极，分别连接高压端子和接地端子，沿横向的中央位置打有圆柱形通孔，准直透镜一端镀有反射膜，另外一端用光学胶与光纤尾纤粘接在一起，在真空环境下，两个准直透镜插入压电材料的通孔内，使镀有反射膜的两个端面相向井在之间保留间隙形成ー个F-P腔，F-P腔两侧的光纤伸出绝缘结构外，分别与低压侧的宽带光源及光谱解调单元相连。
2.按权利要求1所述的ー种基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器，其特征在于:所述准直透镜镀有反射膜的两个端面之间保留10至60微米长度的间隙。
3.按权利要求1所述的ー种基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器，其特征在于:整个光学法布里-珀罗腔被封装在由环氧树脂压铸成的绝缘结构内。
4.按权利要求1所述的ー种基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器，其特征在于:所述宽带光源发出的光通过光学法布里-珀罗腔吋，只有满足光学法布里-珀罗腔谐振条件的光波长才能透射，谐振条件表示为:m 入=2L 其中，、是由F-P腔透射的光波长;m是ー个任意的整数；L是光学法布里-珀罗腔的腔长，在高电压作用下，压电材料产生伸縮，导致L的变化，根据光学法布里-珀罗腔谐振条件，入将发生相应的漂移，漂移量与加在压电材料两端的一次电压成正比。
5.按权利要求1至4任一项所述的一种基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器，其特征在于:所述光谱解调单元由光谱仪或可调谐滤波器加光电探测器构成。
6.按权利要求1至4任一项所述的一种基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器，其特征在于:所述信号处理单元包括模数转换器和数字信号处理模块，模数转换器将光谱解调単元送来的模拟电压信号转换成数字量后送入数字信号处理模块，所述数字信号处理模块对数字量信号进行滤波处理后，形成最終的数字信号输出。
7.按权利要求1所述的ー种基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器，其特征在于:所述压电材料的通孔两端带有开ロ朝外的锥形杯ロ，在锥形杯ロ处点光学胶将准直透镜与压电材料固定。
8.一种采用如权利要求1至7任一项所述的基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器的分布式布网结构，其特征在于:所述宽带光源用一个分束器分成多路，每一路对应ー个测量节点的光学电压互感器探头，多路光学电压互感器探头最终通过ー个波分复用器合成一路输入到光谱解调単元，将每一路的波长信号解调出来，再由信号处理单元转换成数字信号输出。
9.一种采用如权利要求8所述的采用基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器的分布式布网结构，其特征在于:通过设定各路法布里-珀罗腔的腔长，给每一路分配ー个波长带宽的通道，当电压改变时，光学电压互感器探头输出的波长随之在各自的通道带宽内漂移。
全文摘要
本发明提供一种基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器，其中的光学电压传感探头包括压电材料、准直透镜、光纤尾纤，压电材料沿纵向的两个端面镀有电极，分别连接高压和接地端子，在真空环境下，两个准直透镜插入压电材料的中央通孔内，使准直透镜镀有反射膜的两个端面相向并在之间保留间隙形成一个F-P腔，F-P腔两侧的光纤伸出绝缘结构外，分别与低压侧的宽带光源及光谱解调单元相连。本发明还提供一种采用上述电压互感器的分布式布网结构。本发明的基于光学F-P腔的电压互感器的优点是拥有温漂自动补偿的结构设计，具有更高的运行稳定性和可靠性，并且该互感器的传感探头为光学无源结构，高压端无需供能，对绝缘要求简单。
文档编号G01R19/00GK103091529SQ20131003621
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月30日 优先权日2013年1月30日
发明者武帅, 贺胜男, 李丹丹, 史磊磊 申请人:中国电子科技集团公司第三十八研究所