专利名称：一种振膜式高电压传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种振膜式高电压传感器，基本原理是基于电场力驱动极化薄膜振
动，由测量振动得到电压信号。由不同的振动测量方式可以得到模拟电压信号或数字电压 信号，适用于电力系统的交直流高电压测量。
背景技术：
目前可用于高电压测量的电压互感器或电压传感器有电磁式，电容式和光电式三 种，其中光电式仍处于研制与试运行阶段。 电磁式电压互感器依赖高低电位之间的电磁联结实现电压测量，随着电力系统电 压等级的提高，其电气绝缘变得十分困难。考虑到安全性、可靠性、准确性、性价比等方面的 要求，电磁式电压互感器不适用于220kV以上电压等级。 电容式电压互感器基于电容分压原理，简单实用、成本低。但其瞬变响应误差太 大，一般为5% _10%。这一缺陷是原理性的，因为电容器的充放电特性必然导致时滞和剩 余电压。减少电容量则容易受到外界分布电容的干扰，增加电容量则难以改善瞬变响应。另 外，长期运行后其分压比发生漂移，严重影响到测量的准确性。目前在500kV及以上电压等 级，除电容式电压互感器外别无其他选择。 以上三种互感器的共同缺点是只能在低压侧得到模拟电压信号，需要利用模数转 换电子电路获得数字电压信号。在电力系统向数字化发展的今天，特别需要数字式电压传 感器。
发明内容
本发明的目的是提出一种原理简单、易于实现、测量准确、安全可靠的高电压传感 器，包括电压极化薄膜振动系统和微振动光电测量系统。电压极化薄膜振动系统有两种实 施方式高电位极化方式和地电位极化方式，其中高电位极化方式适合220kV以下的交流 电压测量，地电位极化方式适合直流电压测量和220kV及以上的交流电压测量。微振动光 电测量系统也有光强模拟式、遮光数字式和光反射数字式三种实施方式，其中光强模拟式 应用了反射光强式微振动测量方法得到模拟电压信号，数字式应用了光束边缘调制线阵电 荷耦合器的方法直接得到数字电压信号。本发明包括五种实施模式地电位极化光强模拟 式、地电位极化遮光数字式、地电位极化光反射数字式、高电位极化光强模拟式和高电位极 化遮光数字式。 地电位极化模式是一个简单的平板电容器，其光强模拟式实施方式如图1所示， 光反射数字式实施方式如图2所示，遮光数字式实施方式如图5所示。平板电容器的一个 极板为固定金属极板[l]，连接交流或直流电压的高电位；另一个极板是高分子镀金属薄 膜[2]直接接地，薄膜由地电位极化而带有静电荷。[1]与[2]间的电压就是要测量的电 压。地电位极化模式可以测量交流电压，也可以测量直流电压。用于测量交流电压时，[2] 在[1]均匀电场力的驱动下产生全膜振动，或称之为活塞运动，振动的幅值是电场力的线
4性函数。驱动[2]振动的电场力与极板间电压的平方成正比，与极板间距离的平方成反比。 因此从一般意义上理解，这两个平方关系使得[2]振动的幅值与极板间电压的关系是非线 性的，不能满足交流电压基波与谐波分量的线性叠加。但是，[2]振动的幅值为微纳米量级， 而[1]与[2]间的距离为数厘米乃至数十厘米，平方后两者相差几十万倍，因此由[2]的微 小振动引起的极板间距离变化的影响可以忽略不计。其次是在超高压、特高压系统中，交流 电压波形为近似理想的正弦波，谐波分量近似为零，可以忽略不计，因此不存在基波与谐波 分量的线性叠加问题。电场力与基波正弦电压的平方唯一对应，基波电压可以用数学方法 还原出来。所以地电位极化方式适用于220kV及以上系统的交流电压测量。地电位极化模 式用于测量直流电压时，[2]在[1]均匀电场力的驱动下产生全膜进动，进动的幅值是电场 力的线性函数。电压值可以用数学方法直接计算出来。地电位极化方式适用于所有电压等 级的直流电压测量。 高电位极化模式由两个平板电容器构成，其光强模拟式实施方式如图3所示，遮 光数字式实施方式如图4所示。其中有两个固定金属极板[l]，一个金属极板经高值电阻 [14]接外加直流电源[15]的正极，带有静止正电荷；另一个金属极板经高值电阻[14]接 外加直流电源[15]的负极，带有静止负电荷。[15]的中性点接交流电压的地电位，正极性 电压与负极性电压数值相同。高分子镀金属薄膜[2]连接交流电压的高电位，置于[l]的正 中间，与正极性的金属极板构成一个电容器，与负极性的金属极板构成另一个电容器。在交 流电压的电场力与[1]静止正负电荷的推挽驱动下，[2]产生全膜振动，振动的幅值是交流 电压的线性函数，满足基波与谐波分量的线性叠加要求。这一模式适用于有谐波分量的中 高压系统的交流电压测量，当然也可以用来测量直流电压，只是不如地电位极化模式简单。
光强模拟式微振动光电测量系统是应用反射光强式测量方法。如图1和图3所示， 普通光信号从模拟光电转换及信号控制处理器[6]经传输光纤[5]传送到光纤探头[4]并 发射到振动薄膜，[4]接收到振动薄膜反射回来的光信号，再经[5]传回[6]转换为电信号。 反射光信号的强度随薄膜的振动或进动发生变化，通过测量光强的变化得到需要测量的电 压。 数字式微振动光电测量有光反射数字式和遮光数字式两种，其区别主要体现在高 电位极化和地电位极化时光学系统的方便使用。地电位极化光反射数字式如图2，是将激光 信号从光源[8]经传输光纤[5]传送到准直器[IO]，准直后经光阑[11]的调整得到边缘整 齐清晰的光束，光束以一定的角度发射到振动薄膜，调整光束的边缘与高分子镀金属薄膜 [2]静止时的中心线重合，经振动薄膜反射后光信号进入光学放大透镜[12]放大后以提高 分辨率，再到线阵电荷耦合器(CCD)与信号控制处理器[9]，薄膜的振动导致反射光边缘的 位置发生变化使反射光进入CCD的不同像素，对像素进行简单的二值判断，即有光信号或 无光信号，便可以确定光信号边缘所处的位置，CCD像素位置的编码就是振动信号幅值的数 字量。对CCD像素的二值判断等同于模数转换，二值判断的时间等同于模数转换的时间。
高电位极化遮光数字式如图4所示，地电位极化遮光数字式如图5所示，是将激光 信号从光源[8]经传输光纤[5]传送到准直器[IO]，准直后经光阑[11]的调整得到边缘整 齐清晰的光束，在[2]上粘接一块极轻的泡沫遮光材料[13]，调整光束使[2]静止时[13] 的端面与光束的中心线重合，[2]振动时带动[13]遮挡全部光束、部分光束或无遮挡光束。 光束经[13]调制后进入光学放大透镜[12]放大后再到线阵电荷耦合器(CCD)与控制处理器[9]， [2]的振动导致光束边缘的位置发生变化使光线进入CCD的不同像素，对像素进行 简单的二值判断，即有光信号或无光信号，便可以确定光信号边缘所处的位置，CCD像素位 置的编码就是振动信号幅值的数字量。对CCD像素的二值判断等同于模数转换，二值判断 的时间等同于模数转换的时间。 以上的陈述中未涉及外部环境的振动干扰对[2]的影响，但这种影响是一定存在 的，应当有效地排除掉。因此，附图中设置了高分子非镀金属薄膜[3]， [3]与[2]的大小、 形状、质量、膜张力完全相同，但[3]不连接高电位或地电位，电场力对[3]没有作用。[2] 的振动信号是电场力驱动与外部环境干扰振动的叠加，[3]的振动信号仅仅是外部环境的 干扰振动。在[6]或[9]的光电转换与数字处理中，将[2]减去[3]可以排除外部环境的 振动干扰。
图1是本发明的地电位极化光强模拟式具体实施方式
。
图2是本发明的地电位极化光反射数字式具体实施方式
。
图3是本发明的高电位极化光强模拟式具体实施方式
。
图4是本发明的高电位极化遮光数字式具体实施方式
。
图5是本发明的地电位极化遮光数字式具体实施方式
。 其中，[1]是固定金属极板，[2]是高分子镀金属薄膜，[3]是高分子非镀金属薄 膜，[4]是光纤探头，[5]是传输光纤，[6]是模拟光电转换及信号控制处理器，[7]是绝缘 体，[8]是激光信号源，[9]是电荷耦合器及信号控制处理器，[10]是准直器，[11]是光阑， [12]是光学放大透镜，[13]是泡沫遮光材料，[14]是高值电阻，[15]是直流极化电压。
具体实施方式
实施例1 : 本实施例为地电位极化光强模拟式高电压传感器，其结构如图1所示固定金属 极板[1]，高分子镀金属薄膜[2]，高分子非镀金属薄膜[3]，光纤探头[4]，传输光纤[5]，模 拟光电转换及信号控制处理器[6]均置于绝缘体[7]中，[7]用于高电位与地电位的隔离。 [1]连接高电位，[2]接地并经地电位极化而带有静电荷，[2]在[1]电场力的驱动下振动， 同时叠加了外部环境的干扰振动；[3]只反应外部环境的干扰振动；普通光信号经[5]传输 到[4]并向[2]和[3]发射出去，经[2]和[3]的反射后光的强度随薄膜的振动或进动发 生变化，反射光经[4]接收再经[5]传输到[6]并经光电转换后得到电信号。驱动[2]振 动的电场力与极板间电压的平方成正比，如果极板间为交流电压，那么转换后的电信号是 极板间电压的倍频信号，电信号需要经过模数转换和数字处理才能得到与极板间电压成比 例的同频率交流电压信号；如果极板间为直流电压，转换后的电信号也需要经过模拟电子 电路或数字电子电路处理后才能得到与极板间电压成比例的直流电压信号；同时在[2]中 减掉[3]的信号数值，即排除了外部环境的干扰振动。
实施例2: 本实施例为地电位极化光反射数字式高电压传感器，其结构如图2所示固定金 属极板[l]，高分子镀金属薄膜[2]，高分子非镀金属薄膜[3]，传输光纤[5]，激光信号源
6[8]，电荷耦合器及信号控制处理器[9]，准直器[IO]，光阑[ll]，光学放大透镜[12]均置 于绝缘体[7]中，[7]用于高电位与地电位的隔离。[1]连接高电位，[2]接地并经地电位 极化而带有静电荷，[2]在[1]电场力的驱动下振动，同时叠加了外部环境的干扰振动；[3] 只反应外部环境的干扰振动；[8]产生的激光信号经[5]传输到[IO]，准直后经光阑[11] 的调整得到边缘整齐清晰的光束，光束以一定的角度发射到[2]和[3]，调整光束的边缘与 [2]和[3]静止时的中心线重合，经[2]和[3]反射后光信号进入光学放大透镜[12]，放大 后再到线阵电荷耦合器(CCD)与信号控制处理器[9]， [2]和[3]的振动导致反射光边缘 的位置发生变化使反射光进入CCD的不同像素，对像素进行简单的二值判断，即有光信号 或无光信号，便可以确定光信号边缘所处的位置，CCD像素位置的编码就是振动信号幅值的 数字量。对CCD像素的二值判断等同于模数转换，二值判断的时间等同于模数转换的时间。 如实施例l所述，驱动[2]振动的电场力与极板间电压的平方成正比，需要经过数字处理才 能得到与极板间电压成比例的交流电压信号或直流电压信号，同时在[2]中减掉[3]的信 号数值，即排除了外部环境的干扰振动。
实施例3 : 本实施例为高电位极化光强模拟式高电压传感器，其结构如图3所示固定金属 极板[1]，高分子镀金属薄膜[2]，高分子非镀金属薄膜[3]，光纤探头[4]，传输光纤[5]，模 拟光电转换及信号控制处理器[6]，高值电阻[14]，直流极化电压[15]均置于绝缘体[7] 中，[7]用于高电位与地电位的隔离。[1]经[14]分别连接[15]的正极和负极，[15]的中 性点连接交流电压的地电位，其正极性电压与负极性电压数值相同；[2]连接交流电压的 高电位，在电压正负交变的过程中，[2]的交变电场力与[1]的正负静电荷之间的相互作用 对[2]产生推挽驱动使之振动，同时叠加了外部环境的干扰振动；[3]只反应外部环境的干 扰振动；普通光信号经[5]传输到[4]并向[2]和[3]发射出去，经[2]和[3]的反射后光 的强度随[2]和[3]的振动发生变化，反射光经[4]接收再经[5]传输到[6]并经光电转 换后得到电信号。[2]振动的幅值是极板间电压的线性函数并叠加了外部环境的干扰振动， 经[6]的光电转换后在[2]中减掉[3]的信号数值，即排除了外部环境的干扰振动，得到与 极板间电压成比例的模拟量电压信号；。
实施例4 : 本实施例为高电位极化遮光数字式高电压传感器，其结构如图4所示固定金属 极板[l]，高分子镀金属薄膜[2]，高分子非镀金属薄膜[3]，传输光纤[5]，激光信号源[8]， 电荷耦合器及信号控制处理器[9]，准直器[IO]，光阑[ll]，光学放大透镜[12]，泡沫遮光 材料[13]，高值电阻[14]，直流极化电压[15]均置于绝缘体[7]中，[7]用于高电位与地 电位的隔离。[1]经[14]分别连接[15]的正极和负极，[15]的中性点连接交流电压的地 电位，其正极性电压与负极性电压数值相同；[2]连接交流电压的高电位，在电压正负交变 的过程中，[2]的交变电场力与[1]的正负静电荷之间的相互作用对[2]产生推挽驱动使 之振动，振动的幅值是极板间电压的线性函数，同时叠加了外部环境的干扰振动；[3]只反 应外部环境的干扰振动；[8]产生的激光信号经[5]传输到[IO]，准直后经光阑[11]的调 整得到边缘整齐清晰的光束，在[2]和[3]上粘接一块极轻的泡沫遮光材料[13]，调整光 束使[2]和[3]静止时[13]的端面与光束的中心线重合，[2]和[3]振动时带动[13]遮 挡全部光束、部分光束或无遮挡光束。光束经[13]调制后进入光学放大透镜[12]放大后再到线阵电荷耦合器(CCD)与控制处理器[9]， [2]和[3]的振动导致光束边缘的位置发生 变化使光线进入CCD的不同像素，对像素进行简单的二值判断，即有光信号或无光信号，便 可以确定光信号边缘所处的位置，CCD像素位置的编码就是振动信号幅值的数字量。对CCD 像素的二值判断等同于模数转换，二值判断的时间等同于模数转换的时间。在[2]中减掉 [3]的信号数值，即排除了外部环境的干扰振动。
实施例5 : 本实施例为地电位极化遮光数字式高电压传感器，其结构如图5所示固定金属 极板[l]，高分子镀金属薄膜[2]，高分子非镀金属薄膜[3]，传输光纤[5]，激光信号源[8]， 电荷耦合器及信号控制处理器[9]，准直器[IO]，光阑[ll]，光学放大透镜[12]，泡沫遮光 材料[13]均置于绝缘体[7]中，[7]用于高电位与地电位的隔离。[1]连接高电位，[2]接 地并经地电位极化而带有静电荷，[2]在[1]电场力的驱动下振动，同时叠加了外部环境的 干扰振动；[3]只反应外部环境的干扰振动；[8]产生的激光信号经[5]传输到[IO]，准直 后经光阑[11]的调整得到边缘整齐清晰的光束，在[2]和[3]上粘接一块极轻的泡沫遮光 材料[13]，调整光束使[2]和[3]静止时[13]的端面与光束的中心线重合，[2]和[3]振 动时带动[13]遮挡全部光束、部分光束或无遮挡光束。光束经[13]调制后进入光学放大 透镜[12]再到线阵电荷耦合器(CCD)与控制处理器[9]， [2]和[3]的振动导致光束边缘 的位置发生变化使光线进入CCD的不同像素，对像素进行简单的二值判断，即有光信号或 无光信号，便可以确定光信号边缘所处的位置，CCD像素位置的编码就是振动信号幅值的数 字量。对CCD像素的二值判断等同于模数转换，二值判断的时间等同于模数转换的时间。如 实施例l所述，驱动[2]振动的电场力与极板间电压的平方成正比，需要经过数字处理才能 得到与极板间电压成比例的交流电压信号或直流电压信号，同时在[2]中减掉[3]的信号 数值，即排除了外部环境的干扰振动。
权利要求
一种振膜式高电压传感器，其特征是基于电场力驱动极化薄膜振动的原理，由两种薄膜极化方式和三种振动测量方法构成五种具体实施模式地电位极化光强模拟式、地电位极化遮光数字式、地电位极化光反射数字式、高电位极化光强模拟式和高电位极化遮光数字式。
2. 根据权利要求1所述的振膜式高电压传感器，其特征是地电位极化模式是一个平 板电容器，一个极板为固定金属极板连接交流或直流电压的高电位，另一个极板是高分子 镀金属薄膜直接接地，薄膜由地电位极化而带有静电荷并在固定金属极板电场力的驱动下 产生全膜振动，振动的幅值是电场力的线性函数；薄膜的微小振动引起的极板间距离的变 化和超高压、特高压系统中谐波分量可以忽略不计，电场力与基波电压的平方唯一对应，基 波电压可以用数学方法还原出来；所以地电位极化方式适用于220kV及以上系统的交流电 压测量，也适用于所有电压等级的直流电压测量。
3. 根据权利要求1所述的振膜式高电压传感器，其特征是高电位极化模式由两个平 板电容器构成，其中两个固定金属极板分别经高值电阻接外加直流电源的正极和负极并分 别带有静止正电荷和负电荷，直流电源的中性点接交流电压的地电位，正极性电压与负极 性电压数值相同；高分子镀金属薄膜连接交流电压的高电位并置于两个固定金属极板的正 中间，并在交流电压的电场力与两个固定金属极板上静止正负电荷的推挽驱动下产生全膜 振动，振动的幅值是交流电压的线性函数，适用于有谐波分量的中高压系统的交流电压测 量，也可以用于直流电压测量。
4. 根据权利要求1或2或3所述的振膜式高电压传感器，其特征是光强模拟式微振 动光电测量系统是应用反射光强式测量方法，使普通光信号从模拟光电转换及信号控制处 理器经传输光纤传送到光纤探头并发射到振动薄膜，反射回来的光信号经光纤探头接收再 经传输光纤传回模拟光电转换及信号控制处理器并转换为电信号，反射光信号的强度随薄 膜的振动或进动发生变化；在地电位极化方式中光电转换后的电信号经过模拟和数字电子 电路处理后得到与待测电压成比例的数字量电压信号，在高电位极化方式中光电转换后得 到与待测电压成比例的模拟量电压信号。
5. 根据权利要求1或2或3所述的振膜式高电压传感器，其特征是光反射数字式微 振动光电测量是应用光束边缘调制线阵电荷耦合器的方法，使激光信号经传输光纤传输到 准直器准直后，经光阑的调整得到边缘整齐清晰的光束并以一定的角度发射到振动薄膜， 调整光束的边缘与振动薄膜静止时的中心线重合，经振动薄膜反射后光信号进入光学放大 透镜放大后再到线阵电荷耦合器(CCD)与信号控制处理器，薄膜的振动导致反射光边缘的 位置发生变化使反射光进入CCD的不同像素，对像素进行简单的二值判断，即有光信号或 无光信号，便可以确定光信号边缘所处的位置，CCD像素位置的编码就是振动信号幅值的数 字量。对CCD像素的二值判断等同于模数转换，二值判断的时间等同于模数转换的时间。
6. 根据权利要求1或2或3所述的振膜式高电压传感器，其特征是遮光数字式微振 动光电测量是应用光束边缘调制线阵电荷耦合器的方法，使激光信号经传输光纤传输到准 直器准直后经光阑的调整得到边缘整齐清晰的光束；在振动薄膜上粘接一块极轻的泡沫遮 光材料，调整光束使振动薄膜静止时泡沫遮光材料的端面与光束的中心线重合，薄膜振动 时带动泡沫遮光材料遮挡全部光束、部分光束或无遮挡光束，调制后的光束进入光学放大 透镜放大后再到线阵电荷耦合器(CCD)与控制处理器，薄膜的振动导致光束边缘的位置发生变化使光线进入CCD的不同像素，对像素进行简单的二值判断，即有光信号或无光信号， 便可以确定光信号边缘所处的位置，CCD像素位置的编码就是振动信号幅值的数字量。对 CCD像素的二值判断等同于模数转换，二值判断的时间等同于模数转换的时间。
7. 实现如权利要求1或2或3或4或5或6所述的振膜式高电压传感器，其特征是为 了有效地排除掉外部环境的振动干扰，设置了一个高分子非镀金属薄膜，与高分子镀金属 薄膜比较其大小、形状、质量、膜张力完全相同但不连接高电位或地电位，电场力对其没有 作用，因此高分子镀金属薄膜的振动信号是电场力驱动与外部环境干扰振动的叠加，高分 子非镀金属薄膜的振动信号仅仅是外部环境的干扰振动，所以在光电转换与数字处理中， 将高分子镀金属薄膜的振动电信号减去高分子非镀金属薄膜的振动电信号可以排除外部 环境的振动干扰。
8. 实现如权利要求1或2或3或4或5或6所述的振膜式高电压传感器，其特征是 使用了准直器将激光束准直、使用了光阑使激光束的边缘整齐清晰，使用了光学放大透镜 将激光束放大以提高分辨率。
全文摘要
本发明涉及一种振膜式高电压传感器，基本原理是基于电场力驱动极化薄膜振动，由测量振动得到电压信号。本发明有五种具体实施模式地电位极化光强模拟式、地电位极化遮光数字式、地电位极化光反射数字式、高电位极化光强模拟式和高电位极化遮光数字式。高电位极化方式适合220kV以下的交流电压测量，地电位极化方式适合直流电压测量和220kV及以上的交流电压测量。光强模拟式应用了反射光强式微振动测量方法得到模拟电压信号，遮光数字式和光反射数字式应用了光束边缘调制线阵电荷耦合器的方法直接得到数字电压信号，二者的区别主要体现在高电位极化和地电位极化时光学系统的方便使用。本发明之振膜式高电压传感器适用于电力系统所有电压等级的交直流电压测量。
文档编号G01R19/25GK101750533SQ200810072318
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月10日 优先权日2008年12月10日
发明者徐启峰 申请人:徐启峰