CN103245817B - 一种测量电压的方法和电压传感器 - Google Patents

Abstract

一种电压传感器，光源中的出射光顺序通过第一准直器、起偏器、λ/4波片、敏感光学晶体和检偏器，检偏器的出射光分别通过第二准直器、第一光电探测器，以及第三准直器、第二光电探测器，第一光电探测器的出射光与第二光电探测器的出射光分别输入到信号处理单元，信号处理单元向光源输出驱动信号，所述电压传感器还包括：调制电极和地电极，调制电极和地电极均置于敏感光学晶体侧，调制电极连接信号处理单元，地电极连接信号处理单元。本发明还公开了一种测量电压的方法。应用本发明实施例后，能够保证直流及交流电压测量的准确性。

Description

一种测量电压的方法和电压传感器

技术领域

本申请涉及光电测试技术领域，更具体地，涉及一种测量电压的方法和电压传感器。

背景技术

电力是社会发展的牵引和基础，电力系统的安全对经济社会发展及国家安全至关重要。电流和电压是电力系统的两个基本参量，在发电、输配电、用电的各个领域均需要对电流、电压进行准确测量。

电压传感器能够实现对电压量的测量，为继电保护、电能计量与电网监测提供基础数据，是电力电网的核心设备，其可靠性、安全性、长期稳定性与电力系统的安全、稳定运行直接相关。

传统测量高压的方法包括电磁式电压传感器、电阻分压器、电容分压器及霍尔电压传感器等多种，其中电磁式电压传感器和电容分压式电压互感器在电力系统中得到了广泛应用。

但是随着电力系统电压等级的提高和容量的增加，测量和保护要求的不断提高，其不足之处日益突出，主要表现为：

（一）、绝缘难度大，因绝缘而使互感器的体积、重量及价格不成比例的提高。

（二）、互感器铁芯结构所固有的磁饱和、动态范围小、频带窄。

（三）、二次输出信号不能直接与数字化计量及保护设备接口。

（四）、电容分压式电压互感器易产生铁磁谐振。

基于泡克尔斯（Pockels）电光效应的新型光学电压互感器具有天然的光电隔离“非介入式”测量优势，电气绝缘性好、抗干扰能力强、响应速度快、体积小、重量轻及安全可靠等一系列优点，且便于与光纤通信、计算机系统联网，组成完整的监测、控制和保护网络，在电力系统中有着十分广阔的应用前景，成为电压传感器发展的技术方向。

现有的光学电压传感器多采用双光路检测技术方案，可以较好地减小光源功率不稳定所带来的误差。由被测交流电压所引起的光相位就可以计算得到电压。

电压互感器双光路输出光强分别表示为：

I_o+＝K₁I_i(1+δ)（1）

I_o-＝K₂I_i(1-δ)（2）

其中，K₁,K₂分别为两路光路的增益，I_i为输入光强，δ为被测交流电压所引起的光相位。当被测交流电压为零即δ为零，仅有直流分量。两路光强中直流分量的光强分别为：

$I_{o+}^{\mathrm{dc}}=K_1{I}_i---\left(3\right)$

$I_{o-}^{\mathrm{dc}}=K_2{I}_i---\left(4\right)$

则由（1）～（4）式得：

$\mathrm{\δ}=\frac{\frac{I_{o+}}{I_{o+}^{\mathrm{dc}}}-\frac{I_{o-}}{I_{o-}^{\mathrm{dc}}}}{2}---\left(5\right)$

现有技术中存在以下技术问题，当被测信号中含有直流分量，δ的精确度较低，再由δ计算得到测量电压，则进一步无法保证测量电压的准确性。

发明内容

本发明实施例提出一种测量电压的方法，能够保证电压测量的准确性。

本发明实施例还提出一种电压传感器，能够保证电压测量的准确性。

本发明实施例的技术方案如下：

一种电压传感器，光源中的出射光顺序通过第一准直器、起偏器、λ/4波片、敏感光学晶体和检偏器，检偏器的出射光分别通过第二准直器、第一光电探测器，以及第三准直器、第二光电探测器，第一光电探测器的出射光与第二光电探测器的出射光分别输入到信号处理单元，信号处理单元向光源输出驱动信号，所述电压传感器还包括：调制电极和地电极，

调制电极和地电极均置于敏感光学晶体侧，调制电极连接信号处理单元，地电极连接信号处理单元。

所述调制电极的电压包括方波调制电压。

所述方波调制电压的频率至少为被测电压频率的10倍。

所述调制电极包括第一调制电极和第二调制电极，第一调制电极与第二调制电极位于敏感光学晶体的左右两侧，地电极位于敏感光学晶体的下侧。

所述调制电极和所述地电极均位于所述敏感光学晶体的下侧，所述地电极在所述调制电极的下方。

一种测量电压的方法，所述方法包括：

对敏感光学晶体施加正向调制电压，在第一光路中得到第一光强，在第二光路中得到第三光强；

对敏感光学晶体施加负向调制电压，在第一光路中得到第二光强，在第二光路中得到第四光强；

根据第一光强、第二光强、第三光强和第四光强计算被测电场对应的相位差，以及被测电压。

所述调制电压包括方波调制电压。

所述方波调制电压的频率至少为被测电压频率的10倍。

从上述技术方案中可以看出，在本发明实施例中对敏感光学晶体施加正向调制电压，在第一光路中得到第一光强，在第二光路中得到第三光强；对敏感光学晶体施加负向调制电压，在第一光路中得到第二光强，在第二光路中得到第四光强；根据第一光强、第二光强、第三光强和第四光强计算被测电场对应的相位差，以及测量电压。由于对敏感光学晶体施加调制电压，根据得到的第一光强、第二光强、第三光强和第四光强在计算被测电场对应的相位差，其计算过程与被测信号中的直流信号无关，因此能够提高光相位的精确度，进一步了测量电压的准确性。

附图说明

图1为电压传感器的结构示意图；

图2为测量电压的方法流程示意图；

图3为第一探测器的采样时序图；

图4为第二探测器的采样时序图；

图5为实施例一中调制电极位置示意图；

图6为实施例二中调制电极位置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

在本发明实施例中，通过对敏感光学晶体施加调制电压，在计算位相差的过程中并不受到是否存在直流电流的影响，因而保证了位相差的精确度，进而保证了被测电压的准确性。

参见附图1是电压传感器的结构示意图，光源中的出射光顺序通过第一准直器、起偏器、λ/4波片、敏感光学晶体和检偏器，检偏器的出射光通过第二准直器、第一光电探测器；检偏器的出射光通过第三准直器、第二光电探测器。

检偏器的输出双轴分别经准直器、单模光纤与第一光电探测器、第二光电探测器相连接。经由第一光电探测器的光路称为第一光路，经由第二光电探测器的光路称为第二光路。第一光电探测器，第二光电探测器进行光电转换后，输入到信号处理单元后分别转为数字信号，经运算处理后信号处理单元向光源输出驱动电压值的大小。

在敏感光学晶体侧置有调制电极和地电极，调制电极与地电极之间的电压施加到敏感光学晶体上引起位相差。其中，调制电极连接信号处理单元，地电极连接信号处理单元。

参加附图2是测量电压的方法流程示意图，具体包括以下步骤：

201、对敏感光学晶体施加正向调制电压，在第一光路中得到第一光强，在第二光路中得到第三光强；对敏感光学晶体施加负向调制电压，在第一光路中得到第二光强，在第二光路中得到第四光强。

第一光电探测器和第二光电探测器所探测到的光强分别为：

I_o+＝K₁I_i(1+δ)（6）

I_o-＝K₂I_i(1-δ)（7）

其中，K₁,K₂分别为两路光路的增益，I_i为输入光强，δ为施加电压所引起的光相位。δ是由被测电场及调制电场叠加产生。当调制电极的电压为方波调制电压时，即

δ＝δ_E±δ_Ud（8）

δ_E为被测电场产生的相位差，δ_Ud为调制电场产生的相位差。调制电压采用方波调制。方波频率至少为被测电压频率的10倍。例如可取为20kHz，方波正负电压幅值相等。当然，也可以采用正弦波调制电压，余弦波调制电压进行调制。此时δ是由被测电场及调制电场叠加产生，而δ与调制电场产生的相位差的关系并非（8）所示，而是需要根据调制电压进行相应的改变，具体计算过程不再赘述。

在方波电场调制下，对第一光电探测器电信号的采样时序附图3所示，在CLK的脉冲周期内进行多次采样，采样数据进行平均处理，可以有效降低光学噪声。附图3则正方波和负方波的采样数字值分别为D1、D2，可表示为：

$D_1=I_{o+}^1=K_1{I}_i(1+{\mathrm{\δ}}_E+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Ud}})---\left(9\right)$

$D_2=I_{o+}^2=K_1{I}_i(1+{\mathrm{\δ}}_E-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Ud}})---\left(10\right)$

在该方波电场调制下，对第二光电探测器电信号的采样时序附图4所示，则正方波和负方波的采样数字值分别为D3、D4，可表示为：

$D_3=I_{o-}^1=K_2{I}_i(1-{\mathrm{\δ}}_E-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Ud}})---\left(11\right)$

$D_4=I_{o-}^2=K_2{I}_i(1-{\mathrm{\δ}}_E+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Ud}})---\left(12\right)$

202、根据第一光强、第二光强、第三光强和第四光强的采样值（D1～D4）计算被测电场对应的相位差，以及被测电压。

那么由式（9）（10）（11）（12）可得：

$D_1-D_2=I_{o+}^1-I_{o+}^2={2K}_1{I}_i{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Ud}}---\left(13\right)$

$D_1+D_2=I_{o+}^1+I_{o+}^2={2K}_1{I}_i(1+{\mathrm{\δ}}_E)---\left(14\right)$

$D_3-D_4=I_{o-}^1-I_{o-}^2={-2K}_2{I}_i{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{Ud}}---\left(15\right)$

$D_3+D_4=I_{o-}^1+I_{o-}^2={2K}_2{I}_i(1-{\mathrm{\δ}}_E)---\left(16\right)$

由式（13）（14）（15）（16）可得：

(D₁-D₂)(D₃+D₄)＝4K₁K₂I_i ²δ_Ud(1-δ_E)＝K(1-δ_E)（17）

(D₁+D₂)(D₃-D₄)＝-4K₁K₂I_i ²δ_Ud(1+δ_E)＝-K(1+δ_E)（18）

于是计算δ_E为

${\mathrm{\δ}}_E=\frac{(D_1+D_2)(D_3-D_4)+(D_1-D_2)(D_3+D_4)}{(D_1+D_2)(D_3-D_4)-(D_1-D_2)(D_3+D_4)}=\frac{D_1{D}_3-D_2{D}_4}{D_2{D}_3-D_1{D}_4}---\left(19\right)$

由（19）式可知，相对于调制频率（一般为20kHz以上）来说，被测电场信号（交流、直流或者高次谐波信号）均为低频信号，通过本发明的高频调制解调，实现δ_E的计算结果与其组成无关，因此能够实现对交直流的同时测量，保证了电压测量的准确性。

此外，调制电极的施加可垂直被测电场或平行被测电场，两种方案最终实现的电场调制效果一致。

参见附图5为实施例一即在调制电极上施加垂直于被测电场的电压，调制电极包括第一调制电极与第二调制电极，第一调制电极与第二调制电极分别设置于敏感光学晶体的两侧，地电极位于敏感光学晶体的下侧。第一调制电极、第二调制电极和地电极分别与信号处理单元连接。

参见附图6为实施例二即在调制电极上施加平行于被测电场的电压，调制电极位于敏感光学晶体的下侧，地电极位于调制电极的下侧，调制电极与地电极之间通过薄绝缘板隔开。调制电极和地电极分别与信号处理单元连接。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种测量电压的方法，其特征在于，用于电压传感器中，

光源中的出射光顺序通过所述电压传感器的第一准直器、起偏器、λ/4波片、敏感光学晶体和检偏器，检偏器的出射光分两路，一路依次通过第二准直器、第一光电探测器，以及另一路依次通过第三准直器、第二光电探测器，第一光电探测器的出射光与第二光电探测器的出射光分别输入到信号处理单元，信号处理单元向光源输出驱动信号，

所述电压传感器还包括：调制电极和地电极，所述调制电极和所述地电极均置于敏感光学晶体侧，所述调制电极连接信号处理单元，所述地电极连接信号处理单元；

所述方法包括：

对所述敏感光学晶体施加正向调制电压，在第一光路中得到第一光强，在第二光路中得到第三光强；

对所述敏感光学晶体施加负向调制电压，在第一光路中得到第二光强，在第二光路中得到第四光强；

根据第一光强、第二光强、第三光强和第四光强计算被测电压产生的被测电场对应的所述第一光路和第二光路之间的相位差，以及被测电压；

所述调制电压包括方波调制电压；

所述方波调制电压的频率至少为被测电压频率的10倍；

第一光强D₁＝K₁I_i(1+δ_E+δ_Ud)；

第二光强D₂＝K₁I_i(1+δ_E-δ_Ud)；

第三光强D₃＝K₂I_i(1-δ_E-δ_Ud)；

第四光强D₄＝K₂I_i(1-δ_E+δ_Ud)；

K₁,K₂分别为两路光路的增益，I_i为输入光强，δ_E为被测电场产生的相位差，δ_Ud为调制电场产生的相位差；

${\mathrm{\δ}}_E=\frac{(D_1+D_2)(D_3-D_4)+(D_1-D_2)(D_3+D_4)}{(D_1+D_2)(D_3-D_4)+(D_1-D_2)(D_3+D_4)}=\frac{D_1{D}_3-D_2{D}_4}{D_2{D}_3-D_1{D}_4}.$