專利名稱：光纖式電壓測量方法及其測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力測量技術(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方法及其測量裝置。
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 立的電壓分壓器進行電壓測量。安裝獨立的分壓器需根據(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3ns，暫態(tài) 頻率達到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 確測量需較為精確的溫度補償，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)成一個電容場強探頭，由極板 間距離及測量極板間的電壓得出電場強度。用場強方法測量電壓，需 用帶電體的電壓與被測點電場強度的關(guān)系進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)在最大測量場強和測量距離的參數(shù)
都不高，不能用于更高電場強度的測量，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(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、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 測量方法，同時提供一種用于實現(xiàn)上述方法光纖式電壓測量裝置。
本發(fā)明所述的光纖式電壓測量方法包括下述實施步驟在被測高 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(高壓導(dǎo)線)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l)，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)準分壓器校準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)、光纖和光 電變換器(光接收機)將電容C2上的電壓信號送入計算機系統(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VFTO)測量的裝置， 它由外置有金屬感應(yīng)極板的前置機、光纖、光電變換模塊和計算機部 分組成，金屬感應(yīng)極板與前置機屏蔽機箱組成電容式電壓傳感器，在 前置機屏蔽機箱內(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的信號輸入端。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)點是
a) 采用電容式場強傳感器，直接測量帶電體表面場強，可提高測 量電壓的準確性和穩(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；
d) 采用數(shù)字光纖通信，可實現(xiàn)10km遠距離測量；
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為本發(fā)明的電壓測量原理圖。
圖2為本發(fā)明所述測量裝置的一個具體實施例的原理結(jié)構(gòu)框圖。 圖3為本發(fā)明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。
具體實施例方式
參見附圖，本發(fā)明所述光纖式電壓測量方法及其測量裝置的測量 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 <formula>formula see original document page 7</formula> (1) <formula>formula see original document page 7</formula>(2)
則 <formula>formula see original document page 8</formula> (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)準分壓器校準 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，進而 通過(3)式計算出高壓導(dǎo)體對地電壓V。
本發(fā)明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)、光纖和作為終端機的光電變換 單元和地面計算機部分。前置機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(前置機工作電源)和全屏蔽機箱組成， 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)有用于接收終端機命令控 制前置機電源的光電開關(guān)。屏蔽機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、計算機及測量系統(tǒng)軟件，其中計算機的測量控制軟件，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。
本發(fā)明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，達不到設(shè) 計要求；②.感應(yīng)極板高出屏蔽機箱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。 其改進后的電容式電壓傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示，它由屏蔽機箱、嵌置
在屏蔽機箱上面的金屬感應(yīng)極板以及填充在金屬感應(yīng)極板和屏蔽機 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箱上表面相平 齊，在金屬感應(yīng)極板和屏蔽機箱之間的聚酯絕緣薄膜的厚度小于 O.l皿。與圖3所示傳感器相比，改進后的新型傳感器降低了感應(yīng)極 板與屏蔽機箱的相對高度,在極板與屏蔽機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)極板與屏蔽機箱的電容 值，降低輸出阻抗；感應(yīng)極板與屏蔽機箱處于一個平面，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)過對這種改進型電容式電壓傳感器的性能測試，其性 能達到了設(shè)計要求。
本發(fā)明數(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和終端機以光信號連接的模 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。
權(quán)利要求
1、一種光纖式電壓測量方法，其特征是在被測高壓導(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C1組成一個電容分壓器，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。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖式電壓測量方法，其特征是由標(biāo) 準分壓器校準測得電容分壓器的分壓比，并由與金屬感應(yīng)極板聯(lián)接的 數(shù)據(jù)采集器采集到電容C2上的電壓信號，繼而再依次通過電光變換 器、光纖和光電變換器將電容C2上的電壓信號送入計算機系統(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。
3、 一種用于實現(xiàn)權(quán)利要求1或2所述測量方法的光纖式電壓測 量裝置，其特征在于它由外置有金屬感應(yīng)極板的前置機(I)、光纖、 光電變換模塊和計算機部分組成,金屬感應(yīng)極板與前置機(I )屏蔽機 箱組成電容式電壓傳感器，在前置機(I )屏蔽機箱內(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的信號輸入端。
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)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3或4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(I )屏蔽機箱、嵌置在屏蔽機箱上 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箱上表面相平齊。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖式電壓測量裝置，其特征是填充 在金屬感應(yīng)極板和屏蔽機箱之間的聚酯絕緣薄膜的厚度小于0. lmm。
全文摘要
本發(fā)明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方法及其裝置，在被測高壓導(dǎo)體表面放置金屬感應(yīng)極板，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。所述的測量裝置由外置有金屬感應(yīng)極板的前置機、光纖、光電變換模塊和計算機部分組成，其中感應(yīng)極板與前置機屏蔽機箱組成電容式電壓傳感器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過采用電容式電壓傳感器直接測量帶電體表面場強的方法測量電壓，測量特性好，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。
文檔編號G01R15/16GK101382568SQ20081023187
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者盧江平 申請人:陜西電力科學(xué)研究院