[发明专利]一种BGO晶体电光系数温度相关性的自补偿装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种装置和方法，具体涉及一种BGO晶体电光系数温度相关性的自补偿装置和方法。

背景技术

电压互感器是电力系统最重要的一次设备之一，其测量准确度和可靠性与电力系统安全、可靠和经济运行密切相关。电压互感器的主要作用包括：将一次线路的高电压变换为低压标准电信号，为二次计量及保护装置提供电压信息；实现一次设备与二次设备之间的电气隔离，保证工作人员和二次设备的安全。目前，电力系统广泛应用的电压互感器为电磁式和电容分压式电压互感器，这两种类型的互感器都存在绝缘结构复杂、暂态响应能力差、容易引起铁磁谐振、体积庞大和输出信号易受电磁干扰等缺点，难以满足电力系统数字化、网络化、智能化的发展需求。

新型的基于普克尔(Pockels)效应的反射式数字闭环光学电压互感器通常采用锗酸铋(Bi₄Ge₃O₁₂，简称BGO)晶体作为高压敏感元件，通过偏光干涉技术检测两束正交线偏振光之间的相位差来实现电压测量，具有测量精度高、频响范围宽、动态范围大、绝缘性能好、无铁磁谐振、数字化输出、体积小、重量轻等优点，已经成为电压互感器领域的研究热点，具有广阔的应用前景。

测量准确度的温度稳定性是评价光学电压互感器性能的重要指标之一，也是目前限制光学电压互感器实用化的主要因素。在实际应用中，电压互感器的测量准确度至少需要满足0.5级要求，即在-40℃～70℃范围内，互感器的变比误差不超过±0.5％。温度变化时，BGO晶体的电光系数将发生变化，互感器的变比也将随之改变，造成变比误差。典型情况下，BGO晶体的电光系数γ₄₁的归一化温度系数约为1.54×10^-4/℃，在-40℃～70℃范围内互感器的变比将变化1.69％，这一误差已经严重超出了0.5级电压互感器的测量准确度要求。因此，BGO晶体电光系数的温度相关性是造成变温环境下光学电压互感器测量误差的主要原因之一。

对于变温环境下由于BGO晶体温度相关性导致的光学电压互感器的测量误差，通常可以采用建模补偿的方法进行抑制。通过多次温度实验建立定量描述互感器二次输出与传感晶体温度之间关系的数学模型，同时在互感器高压传感单元内部安装温度传感器实时采集温度，根据模型来修正互感器的输出。该方法的缺点在于：需要在系统中增加一个温度传感器，对于电力系统特殊的高压测量环境，还特别需要解决其绝缘问题；同时，需要根据模型设计相应的温度补偿算法，编写补偿软件。因此，这种温度补偿的方法极大地增加了系统的软、硬件成本。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种BGO晶体电光系数温度相关性的自补偿装置和方法，它利用法拉第(Faraday)旋光器旋光角的温度特性及其对光学电压互感器变比的影响在线自动补偿BGO晶体电光系数随温度变化造成的测量误差。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种BGO晶体电光系数温度相关性的自补偿装置，所述自补偿装置包括法拉第准直旋光器、石英管、增透膜、反射膜、BGO晶体和基座；法拉第准直旋光器包括准直透镜和法拉第旋光器，准直透镜和法拉第旋光器封装在石英管内部，BGO晶体的两端分别镀有增透膜和反射膜，石英管和BGO晶体均安装在基座上。

低相干光源、环形器、相位调制器、偏振分束器、保偏延迟光纤、自补偿装置、光电探测器和数字信号处理模块组成光学电压互感器；低相干光源产生的光信号通过环形器传输给相位调制器，经过相位调制器起偏，分光为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光和第二线偏振光经过偏振分束器合光后通过保偏延迟光纤传输给自补偿装置，经过自补偿装置补偿的第一线偏振光和第二线偏振光通过保偏延迟光纤传输给偏振分束器之后，经过相位调制器产生干涉信号，干涉信号由环形器传输给光电探测器转换为电信号，电信号再通过数字信号处理模块形成数字信号输出。

所述第一线偏振光和第二线偏振光通过保偏延迟光纤传输给法拉第准直旋光器，通过准直透镜入射到法拉第旋光器，经过法拉第旋光器的第一线偏振光和第二线偏振光被旋转α角后，入射到BGO晶体，通过BGO晶体末端的反射膜反射后的第一线偏振光和第二线偏振光沿原路返回，经过法拉第准直旋光器再次旋转α角，并进入保偏延迟光纤。

所述第一线偏振光和第二线偏振光被法拉第旋光器旋转的α角取值范围为41.6°～43.2°。

所述低相干光源为超辐射发光二极管或掺饵光纤光源；

所述环行器为单模光纤环行器或保偏光纤环行器；