[发明专利]一种数字光电式电压传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字光电式电压传感器，基本原理是基于Pockels电光效应和会聚光干涉原理并利用数字图像处理方法实现的电压测量方法。具体是把Pockels电光效应产生的两束线偏振光的相位差转变为会聚光干涉光斑图像中的投影位相差，应用数字图像处理方法对干涉光斑图像分析处理后得到实时数字电压信号。适用于电力系统的交直流电压测量。

背景技术

目前可用于高电压测量的电压互感器或传感器有电磁式，电容式、模拟光电式和有源电子式四种。

电磁式电压互感器依赖高低电位之间的电磁联结实现电压测量，随着电力系统电压等级的提高，其电气绝缘变得十分困难。考虑到安全性、可靠性、准确性、性价比等方面的要求，电磁式电压互感器不适用于110kV以上电压等级。

电容式电压互感器基于电容分压原理，简单实用、成本低。但其瞬变响应误差大，一般为5％-10％。这是原理性的缺陷，因为电容器的充放电特性必然导致时滞和剩余电压。减少电容量则容易受到外界分布电容的干扰，增加电容量则难以改善瞬变响应。另外，长期运行后其分压比发生漂移，影响到测量的准确性。

模拟光电式电压传感器已有60多年的发展历史，其大部分是基于Pockels电光效应实现的。基本原理是电光晶体在电压的作用下呈各向异性，使通过晶体的线偏振光发生双折射，一束线偏振光变成两束线偏振光并产生相位差，利用检偏器检出因相位差导致的光强变化，经光电转换得到模拟电压信号。其优点是利用光信号的传递实现了高低电位之间的电气隔离；其缺点是光强测量的方法是非线性的，测量的范围和准确度受到限制。

有源电子式利用电容环分压器、电阻分压器或电容电阻串联电路得到小电压信号，缺点是没有实现高低电位之间的电气隔离。

以上几种互感器或传感器的共同缺点是只能在低压侧得到模拟信号，同样需要利用模数转换电路获得数字信号，使其在数字化变电站的应用中有很大的局限性。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于Pockels电光效应和会聚光干涉原理并利用数字图像处理方法实现的电压测量方法。

本发明所述的方法是将自然光或一定波长的激光信号经光纤从低电位传送到高电位，经起偏器得到平行线偏振光，经聚焦透镜聚焦后进入由电压调制的电光晶体，入射线偏振光沿感应轴方向分解为两个偏振方向正交的光束。由于两个偏振方向的折射率不同，通过电光晶体后出射的两束线偏振光产生相位差，该相位差与电压的大小成正比。两束线偏振光经扩束透镜转换为平行光束，并透过一个检偏器得到会聚光干涉光斑图像，从而把两束线偏振光的相位差转变为投影位相差。经传像光纤束、反光镜或直接入射将干涉光斑图像从高电位传送到低电位的CMOS图像传感控制器，由CMOS图像传感控制器对干涉光斑图像分析处理后得到两束线偏振光相位差的数字量。由于该相位差与电压的大小成正比，经比例运算得到电压信号的实时数字量。

本发明提出的电压测量方法可以通过电光晶体的横向调制方式实现如图1所示，这一方式是电光晶体的入射光与电压的方向垂直，一对非透光电极分别连接电压的高电位和低电位；也可以通过电光晶体的纵向调制方式实现如图2所示，这一方式是电光晶体的入射光与电压的方向一致，一对透光电极分别连接电压的高电位和低电位。

本发明提出的电压测量方法是线性测量方法，高电位无源，高低电位之间光隔离，适用于交流电压的测量，也适用于直流电压的测量。

附图说明

图1是本发明的横向调制方式原理图。

图2是本发明的纵向调制方式原理图。

图3是本发明的具体实施方式一(纵向调制方式)。

图4是本发明的具体实施方式二(纵向调制方式)。

图5是本发明的具体实施方式三(横向调制方式)。

图6是本发明的具体实施方式四(横向调制方式)。

其中，[1]是光源，[2]是光信号传送光纤，[3]是起偏器，[4]是聚光透镜，[5]是电光晶体，[6]是透光电极，[7]是非透光电极，[8]是扩束透镜，[9]是检偏器，[10]是反光镜，[11]是传像光纤束，[12]是CMOS图像传感控制器，[13]是绝缘子，[14]是高压导线。

具体实施方式