專利名稱：光纖式電壓測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電力測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于電力電網(wǎng)系統(tǒng) 中測量各種暫態(tài)電壓的光纖式電壓測量裝置。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)中的多項系統(tǒng)調(diào)試試驗幾乎都離不開對電網(wǎng)電壓的測 量。隨著各級電網(wǎng)建設(shè)尤其是超高壓和特高壓電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，高電 壓測量工作量和難度也在增加，特別是電力系統(tǒng)中對各種暫態(tài)電壓的 測量更為困難。以往電力系統(tǒng)中常規(guī)的電壓測量方法主要有兩種，即 采用電壓互感器測量的方法和采用高壓套管末屏測量的方法。電壓互 感器按其原理又有電磁式和電容式兩種，采用電壓互感器測量電壓的
方式一般只能用于穩(wěn)態(tài)工頻電壓和電壓變化較慢的暫態(tài)電壓測量;而 當(dāng)測量電壓暫態(tài)過程有較高頻率時，則只能采用高壓套管末屏的方法 測量。此外在不具備以上兩種電壓測量方式的條件下，就需要安裝獨(dú) 立的電壓分壓器進(jìn)行電壓測量。安裝獨(dú)立的分壓器需根據(jù)測量電壓的 頻率、幅值、持續(xù)時間等暫態(tài)特性選用合適的分壓器。當(dāng)測量較高電 壓時，現(xiàn)場臨時安裝獨(dú)立分壓器會受到場地空間、安全距離等條件的 限制，此外安裝難度和工作量都比較大。
現(xiàn)有技術(shù)中對于采用電容套管末屏和安裝獨(dú)立電容式(電容分壓 器使用較多)分壓器的測量電壓方式，需要根據(jù)一次電容量和測量設(shè) 備的測量電壓范圍配置二次分壓電容器，同時需用屏蔽電纜連接二次 分壓電容器和測量記錄儀器，其中二次分壓電容器特性、屏蔽電纜特性(對較高頻率信號需加裝匹配電阻)及屏蔽連接狀況對測量影響較 大，此外連接電纜的長度也不宜太長，否則會增加被測信號的衰減并 致使其抗干擾性能的降低。
隨著超高壓和特高壓輸電線路建設(shè)進(jìn)程的發(fā)展，對測量各種暫態(tài)
電壓的要求也越來越高。電力系統(tǒng)GIS(氣體全封閉組合電器)設(shè)備隔 離開關(guān)分合過程產(chǎn)生的快速暫態(tài)過電壓(VFTO)上升沿可達(dá)3ns，暫態(tài) 頻率達(dá)到100MHz，顯然，測量這種電壓采用常規(guī)方式已不能滿足測 量要求。為此，近年來本領(lǐng)域已有人提出采用光纖傳輸測量方式即光 電測量系統(tǒng)來測量電壓。
光電測量系統(tǒng)是一種利用各種光電效應(yīng)或光電通信方式進(jìn)行的 測量系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中利用光纖傳輸線良好的絕緣性能，把被測量的 高壓設(shè)備與低壓測量儀器進(jìn)行電信號隔離，用以實現(xiàn)安全可靠的測量 高壓電特性參數(shù)。目前采用光纖傳輸測量電壓的方式有兩大類 一類 是采用電光效應(yīng)傳感器構(gòu)成的測量系統(tǒng)，應(yīng)用較多的是采用泡克爾 (Pockels)電光效應(yīng)的測量系統(tǒng)，另一類是電容式場強(qiáng)探頭(球形探頭) 構(gòu)成的測量系統(tǒng)。采用泡克爾電光效應(yīng)的測量系統(tǒng)的統(tǒng)特性主要取決 于電光轉(zhuǎn)換晶體的特性，這種晶體的轉(zhuǎn)換特性受溫度的影響較大，準(zhǔn) 確測量需較為精確的溫度補(bǔ)償，整個測量系統(tǒng)分光電部分和記錄測量 部分，其中光電部分較為復(fù)雜。電容式場強(qiáng)探頭構(gòu)成的電壓測量系統(tǒng) 的測量原理是在被測量電場中放置一對金屬極板(一般為球形極板)， 極板平面與電場方向垂直，此對極板構(gòu)成一個電容場強(qiáng)探頭，由極板 間距離及測量極板間的電壓得出電場強(qiáng)度。用場強(qiáng)方法測量電壓，需 用帶電體的電壓與被測點(diǎn)電場強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行計算得出被測帶電體 的電壓，但目前這種電壓測量系統(tǒng)在最大測量場強(qiáng)和測量距離的參數(shù)都不高，不能用于更高電場強(qiáng)度的測量，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加以解決，提供 一種設(shè)計方案合理、結(jié)構(gòu)簡單、測量精確度和穩(wěn)定性好且易于實施應(yīng) 用的光纖式電壓測量裝置。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本實用新型設(shè)計者研發(fā)了 一種采用電容式 探頭直接測量代電體表面電場強(qiáng)度進(jìn)而測量高壓導(dǎo)體(高壓導(dǎo)線)電 壓的光纖式電壓測量方法，該測量方法包括下述的實施步驟在被測 高壓導(dǎo)體表面放置一個金屬感應(yīng)極板，利用該感應(yīng)極板分別與被測高 壓導(dǎo)體和地面構(gòu)成的電容C2和Cl組成一個電容分壓器(參見附圖 1)，由于電容C2上的電壓正比于高壓導(dǎo)體對地的電壓，在測得電容 分壓器的分壓比和電容C2上的電壓值后，根據(jù)電容分壓比值和C2 的電壓值換算獲得被測高壓導(dǎo)體對地電壓值。實際工作中，可由標(biāo)準(zhǔn) 分壓器校準(zhǔn)測得電容分壓器的分壓比K,并由與金屬感應(yīng)極板聯(lián)接的 放置在高電位的數(shù)據(jù)采集器采集到電容C2上的電壓信號，繼而再依 次通過與數(shù)據(jù)采集器聯(lián)通的電光變換器(光發(fā)射機(jī))、光纖和光電變換 器(光接收機(jī))將電容C2上的電壓信號送入計算機(jī)系統(tǒng)處理記錄并顯 示電壓數(shù)據(jù)，最后根據(jù)電容分壓器的分壓比值和C2的電壓值換算獲 得被測高壓導(dǎo)體對地電壓值。
用于實現(xiàn)上述電壓測量方法的光纖式電壓測量裝置為一種可用 于電力系統(tǒng)各種暫態(tài)電壓(包括頻率極高的外部VFT0)測量的裝置， 它由外置有金屬感應(yīng)極板的前置機(jī)、光纖、光電變換模塊和計算機(jī)部 分組成，金屬感應(yīng)極板與前置機(jī)屏蔽機(jī)箱組成電容式電壓傳感器，在 前置機(jī)屏蔽機(jī)箱內(nèi)設(shè)有數(shù)據(jù)采集器和電光變換模塊，電容式電壓傳感出端經(jīng)數(shù)據(jù)采集器通至電光變換模塊的輸入端，電光變換 模塊輸出端通過光纖與光電變換模塊輸入端聯(lián)接，光電變換模塊輸出 端通至計算機(jī)的信號輸入端。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有的優(yōu)點(diǎn)是
a) 采用電容式場強(qiáng)傳感器，直接測量帶電體表面場強(qiáng)，可提高測 量電壓的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；
b) 將電壓傳感、測量及光電變換集中為一體，可有效的提高抗干 擾性能；
c) 將數(shù)據(jù)采集單元塊置于高電位并由計算機(jī)控制，具有測量范圍 寬、頻率響應(yīng)好、信號記錄容量大、測量靈活的特點(diǎn)；
d) 采用數(shù)字光纖通信，可實現(xiàn)10km遠(yuǎn)距離測量；
e) 采用小尺寸平板感應(yīng)極板，頻率響應(yīng)寬；
f) 結(jié)構(gòu)簡單、安裝使用方便、成本低、性價比高。

圖1為本實用新型的電壓測量原理圖。 圖2為本實用新型一個具體實施例的原理結(jié)構(gòu)框圖。 圖3為該測量裝置中一種電容式電壓傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為該測量裝置中另一種電容式電壓傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

參見附圖，本實用新型所述光纖式電壓測量裝置的測量原理是 在高壓導(dǎo)體(高壓導(dǎo)線)表面放置一個金屬感應(yīng)極板，金屬感應(yīng)極板與 高壓導(dǎo)導(dǎo)體形成電容C2，與地面形成電容C1。
當(dāng)高壓導(dǎo)體對地的電壓為V(交流電壓，以下相同)時，
C2上的電壓r2=_^r (1)令尺^la^ (2)
貝U r = F2 (3)
當(dāng)已知高壓導(dǎo)體對地電壓V和電容C2上電壓V2時，根據(jù)(3)式可求 得分壓比K，或當(dāng)已知分壓比K和電容C2上電壓V2后，根據(jù)(3)式
可求得高壓導(dǎo)體對地的電壓。在實際應(yīng)用中，可通過標(biāo)準(zhǔn)分壓器校準(zhǔn) 測得電容分壓器的分壓比K，并由光纖式電壓測量裝置測得V2，進(jìn)而 通過(3)式計算出高壓導(dǎo)體對地電壓V。
本實用新型所述光纖式電壓測量裝置的一個實施例結(jié)構(gòu)如圖2 所示，整個裝置分為高壓帶電部分(前置機(jī))、光纖和作為終端機(jī)的光 電變換單元和地面計算機(jī)部分。前置機(jī)主要由用于將電場信號轉(zhuǎn)變成 電壓信號的電容式電壓傳感器、用于將傳感器的模擬電壓信號變換為 數(shù)字信號并存儲的模數(shù)數(shù)據(jù)采集器、用于完成電一光轉(zhuǎn)換的電光變換 模塊(光纖通訊模塊)以及電池組(前置機(jī)工作電源)和全屏蔽機(jī)箱組 成，在電容式電壓傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間接設(shè)有一個量程及測量 控制模塊，在數(shù)據(jù)采集器和電光變換模塊之間接設(shè)有數(shù)據(jù)通信模塊， 數(shù)據(jù)通信單元的輸入/輸出端同時與量程及測量控制模塊的輸出/輸 入端聯(lián)接，在電光變換模塊和數(shù)據(jù)采集器之間設(shè)有用于接收終端機(jī)命 令控制前置機(jī)電源的光電開關(guān)。屏蔽機(jī)箱的性能對整個測量系統(tǒng)的穩(wěn) 定性和可靠性極為重要，在屏蔽機(jī)箱不能成為一個完整的金屬屏蔽體 時(無縫隙)，其屏蔽效果除與屏蔽層厚度有關(guān)外，最重要的是處理金 屬連接處的縫隙；屏蔽機(jī)箱除完成屏蔽功能外，還與感應(yīng)極板組成電 容式電壓傳感器，所以這部分也是整個屏蔽效果的關(guān)鍵。終端機(jī)由三 個部分組成光電變換模塊(光纖通訊模塊)、光纖遙控電源開關(guān)發(fā)射 控制模塊、計算機(jī)及測量系統(tǒng)軟件，其中計算機(jī)的測量控制軟件，采用購置的數(shù)字采集模塊自帶軟件，這個軟件功能簡單，使用操作與常 規(guī)的數(shù)據(jù)采集器軟件相比有較大差異，基本上可滿足使用。測量裝置
中采用的光纖選取長度200m的四芯光纜，滿足通訊和遙控開關(guān)使用。 本實用新型中電容式電壓傳感器是整個測量裝置的基礎(chǔ)，電壓傳 感器的性能決定整個系統(tǒng)的測量性能。電容式電壓傳感器的主要參數(shù) 有電壓輸出范圍；阻抗特性；頻率特性；結(jié)構(gòu)性能等。設(shè)計者起初 試制的電容傳感器如圖3所示。圖中的感應(yīng)極板是一個圓形金屬薄 板，放置在距屏蔽機(jī)箱表面30mm處，感應(yīng)極板與外接分壓電容器(二 次電容)相連接，從分壓電容器輸出電壓。極板與屏蔽機(jī)箱有30mm 的距離是為了使傳感器能輸出較高的電壓信號，接入一個分壓電容是 為了降低傳感器的輸出阻抗。但經(jīng)過多次試驗，發(fā)現(xiàn)此傳感器還存在 以下問題①.由于存在一個二次分壓電容，傳感器的頻率響應(yīng)不高， 達(dá)不到設(shè)計要求；②.感應(yīng)極板高出屏蔽機(jī)箱30mm，系統(tǒng)電場均勻度 不好；③.結(jié)構(gòu)不易成為一個整體。為此，設(shè)計者又對上述傳感器作 出新的改進(jìn)。其改進(jìn)后的電容式電壓傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示，它由屏 蔽機(jī)箱、嵌置在屏蔽機(jī)箱上面的金屬感應(yīng)極板以及填充在金屬感應(yīng)極 板和屏蔽機(jī)箱之間的聚酯絕緣薄膜構(gòu)成，感應(yīng)極板上表面與屏蔽機(jī)箱 上表面相平齊，在金屬感應(yīng)極板和屏蔽機(jī)箱之間的聚酯絕緣薄膜的厚 度小于0. lmm。與圖3所示傳感器相比，改進(jìn)后的新型傳感器降低了 感應(yīng)極板與屏蔽機(jī)箱的相對高度，在極板與屏蔽機(jī)箱之間填充高頻特 性較好的聚酯薄膜，其厚度小于0. lmm，以增大感應(yīng)極板與屏蔽機(jī)箱 的電容值，降低輸出阻抗；感應(yīng)極板與屏蔽機(jī)箱處于一個平面，有利 于提高整體的電場均勻度和結(jié)構(gòu)的整體剛性；去掉二次分壓電容，輸 出直接到后級設(shè)備。經(jīng)過對這種改進(jìn)型電容式電壓傳感器的性能測試，其性能達(dá)到了設(shè)計要求。
本實用新型的數(shù)據(jù)采集器可采用模塊型號為PicoScope 5204的 器件，該器件內(nèi)包含量程及測量控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊以及相應(yīng)的 固化軟件。由于數(shù)據(jù)采集器的輸入阻抗一般只有1MQ，電容式電壓 傳感器在工頻50Hz時的輸出阻抗約為1MQ ，數(shù)據(jù)采集器直接連接電 容電壓傳感器會造成較大的頻幅誤差，為此，在數(shù)據(jù)采集器與電容電 壓傳感器之間要接入一個高阻衰減器。接入了高阻衰減器后，在輸入 信號頻率從50Hz到250Mhz變化時，采集信號幅度誤差《1%。選取 深存儲數(shù)據(jù)在100M以上，則可以以1G/s的采樣率記錄信號長度大于 100ms。這樣在測量VFTO、敞開式隔離開關(guān)分合空母線的過電壓時， 就可較完整地記錄到高速暫態(tài)波形。
該裝置的數(shù)據(jù)通訊模塊是將前置機(jī)和終端機(jī)以光信號連接的模 塊，通訊模塊的選取是以采集器的接口形式選取。對國內(nèi)50MHz的采 集器，其接口形式是RJ45，這時選用的通訊模塊是RJ45轉(zhuǎn)光纖及 光纖轉(zhuǎn)RJ45;進(jìn)口采集器是USB接口，選取的模塊是USB轉(zhuǎn)光纖及 光纖轉(zhuǎn)USB。 RJ45的光纖接口在國內(nèi)較為普及，USB的光纖接口在國 內(nèi)生產(chǎn)很少，經(jīng)對國內(nèi)生產(chǎn)的USB光纖接口試驗，其數(shù)據(jù)傳輸率低性 能不穩(wěn)定，最后選取了進(jìn)口的USB光纖轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過試驗和性能測試， 該USB光纖轉(zhuǎn)換器可滿足使用要求。
圖2裝置中的光電開關(guān)選定光纖遙控電源開關(guān)，其靜態(tài)功耗為 電壓12V，電流15mA;電源接通電流45mA。電光變換模塊和光電變 換模塊均采用型號為USB2. 0 Ranger444的USB光通訊模塊。
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權(quán)利要求1、一種光纖式電壓測量裝置，其特征在于它由外置有金屬感應(yīng)極板的前置機(jī)(I)、光纖、光電變換模塊和計算機(jī)部分組成，金屬感應(yīng)極板與前置機(jī)(I)屏蔽機(jī)箱組成電容式電壓傳感器，在前置機(jī)(I)屏蔽機(jī)箱內(nèi)設(shè)有數(shù)據(jù)采集器和電光變換模塊，電容式電壓傳感器的信號輸出端經(jīng)數(shù)據(jù)采集器通至電光變換模塊的輸入端，電光變換模塊輸出端通過光纖與光電變換模塊輸入端聯(lián)接，光電變換模塊輸出端通至計算機(jī)的信號輸入端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖式電壓測量裝置，其特征是在電 容式電壓傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間接設(shè)有一個量程及測量控制模塊， 在數(shù)據(jù)采集器和電光變換模塊之間接設(shè)有數(shù)據(jù)通信模塊，數(shù)據(jù)通信單 元的輸入/輸出端同時與量程及測量控制模塊的輸出/輸入端聯(lián)接,在 電光變換模塊和數(shù)據(jù)采集器之間設(shè)有光電開關(guān)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖式電壓測量裝置，其特征是 所說的電容式電壓傳感器由前置機(jī)(I )屏蔽機(jī)箱、嵌置在屏蔽機(jī)箱上 面的金屬感應(yīng)極板以及填充在金屬感應(yīng)極板和屏蔽機(jī)箱之間的聚酯 絕緣薄膜構(gòu)成，感應(yīng)極板上表面與屏蔽機(jī)箱上表面相平齊。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖式電壓測量裝置，其特征是填充 在金屬感應(yīng)極板和屏蔽機(jī)箱之間的聚酯絕緣薄膜的厚度小于0. lmm。
專利摘要本實用新型涉及一種用于電力電網(wǎng)系統(tǒng)中測量各種暫態(tài)電壓的光纖式電壓測量裝置，由外置有金屬感應(yīng)極板的前置機(jī)、光纖、光電變換模塊和計算機(jī)部分組成，其中感應(yīng)極板與前置機(jī)屏蔽機(jī)箱組成電容式電壓傳感器。測量操作中，將金屬感應(yīng)極板放置在被測高壓導(dǎo)體表面，利用感應(yīng)極板分別與被測高壓導(dǎo)體和地面構(gòu)成的電容組成一個電容分壓器，在測得電容分壓器的分壓比及感應(yīng)極板和被測高壓導(dǎo)體間電容上的電壓值后，通過換算獲得被測高壓導(dǎo)體對地電壓值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型通過采用電容式電壓傳感器直接測量帶電體表面場強(qiáng)的方法測量電壓，測量特性好，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。
文檔編號G01R19/00GK201281725SQ20082022205
公開日2009年7月29日 申請日期2008年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者盧江平 申請人:陜西電力科學(xué)研究院