[发明专利]基于光学法布里-珀罗腔的电压互感器及分布式布网结构

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统电压测量领域，具体涉及一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参数，主要应用在电力系统中，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强度、偏振、相位等参数的调制，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增加补偿光路或参考信号的方法，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一种结构简单、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、光谱解调单元、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。

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：

mλ=2L

其中，λ是由F-P腔透射的光波长；m是一个任意的整数；L是光学法布里-珀罗腔的腔长，在高电压作用下，压电材料产生伸缩，导致L的变化，根据光学法布里-珀罗腔谐振条件，λ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，形成最终的数字信号输出。

作为优化的方案，所述压电材料的通孔两端带有开口朝外的锥形杯口，在锥形杯口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，每一路对应一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一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：