专利名称：光纤式电压测量方法及其测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电力测量技术领域，涉及一种用于电力电网系统中测 量各种暂态电压的光纤式电压测量方法及其测量装置。
背景技术：
电力系统中的多项系统调试试验几乎都离不开对电网电压的测 量。随着各级电网建设尤其是超高压和特高压电网建设的发展，高电 压测量工作量和难度也在增加，特别是电力系统中对各种暂态电压的 测量更为困难。以往电力系统中常规的电压测量方法主要有两种，即 采用电压互感器测量的方法和采用高压套管末屏测量的方法。电压互 感器按其原理又有电磁式和电容式两种，采用电压互感器测量电压的
方式一般只能用于稳态工频电压和电压变化较慢的暂态电压测量;而 当测量电压暂态过程有较高频率时，则只能采用高压套管末屏的方法 测量。此外在不具备以上两种电压测量方式的条件下，就需要安装独 立的电压分压器进行电压测量。安装独立的分压器需根据测量电压的 频率、幅值、持续时间等暂态特性选用合适的分压器。当测量较高电 压时，现场临时安装独立分压器会受到场地空间、安全距离等条件的 限制，此外安装难度和工作量都比较大。
现有技术中对于采用电容套管末屏和安装独立电容式(电容分压 器使用较多)分压器的测量电压方式，需要根据一次电容量和测量设 备的测量电压范围配置二次分压电容器，同时需用屏蔽电缆连接二次 分压电容器和测量记录仪器，其中二次分压电容器特性、屏蔽电缆特
性(对较高频率信号需加装匹配电阻)及屏蔽连接状况对测量影响较 大，此外连接电缆的长度也不宜太长，否则会增加被测信号的衰减并 致使其抗干扰性能的降低。
随着超高压和特高压输电线路建设进程的发展，对测量各种暂态
电压的要求也越来越高。电力系统GIS(气体全封闭组合电器)设备隔 离开关分合过程产生的快速暂态过电压(VFTO)上升沿可达3ns，暂态 频率达到100MHz,显然，测量这种电压采用常规方式已不能满足测 量要求。为此，近年来本领域已有人提出采用光纤传输测量方式即光 电测量系统来测量电压。
光电测量系统是一种利用各种光电效应或光电通信方式进行的 测量系统，在此系统中利用光纤传输线良好的绝缘性能，把被测量的 高压设备与低压测量仪器进行电信号隔离，用以实现安全可靠的测量 高压电特性参数。目前采用光纤传输测量电压的方式有两大类 一类 是采用电光效应传感器构成的测量系统，应用较多的是采用泡克尔 (Pockels)电光效应的测量系统，另一类是电容式场强探头(球形探头) 构成的测量系统。采用泡克尔电光效应的测量系统的统特性主要取决 于电光转换晶体的特性，这种晶体的转换特性受温度的影响较大，准 确测量需较为精确的温度补偿，整个测量系统分光电部分和记录测量 部分，其中光电部分较为复杂。电容式场强探头构成的电压测量系统 的测量原理是在被测量电场中放置一对金属极板(一般为球形极板)， 极板平面与电场方向垂直，此对极板构成一个电容场强探头，由极板 间距离及测量极板间的电压得出电场强度。用场强方法测量电压，需 用带电体的电压与被测点电场强度的关系进行计算得出被测带电体 的电压，但目前这种电压测量系统在最大测量场强和测量距离的参数
都不高，不能用于更高电场强度的测量，同时系统结构也较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题加以解决，提供一种 设计方案合理、测量精确度和稳定性好且易于实施应用的光纤式电压 测量方法，同时提供一种用于实现上述方法光纤式电压测量装置。
本发明所述的光纤式电压测量方法包括下述实施步骤在被测高 压导体表面放置一个金属感应极板,利用该感应极板分别与被测高压 导体(高压导线)和地面构成的电容C2和Cl组成一个电容分压器(参 见附图l)，由于电容C2上的电压正比于高压导体对地的电压，在测 得电容分压器的分压比和电容C2上的电压值后，根据电容分压比值 和C2的电压值换算获得被测高压导体对地电压值。实际工作中，可 由标准分压器校准测得电容分压器的分压比K,并由与金属感应极板 联接的放置在高电位的数据采集器采集到电容C2上的电压信号，继 而再依次通过与数据采集器联通的电光变换器(光发射机)、光纤和光 电变换器(光接收机)将电容C2上的电压信号送入计算机系统处理记 录并显示电压数据，最后根据电容分压器的分压比值和C2的电压值 换算获得被测高压导体对地电压值。
用于实现上述电压测量方法的光纤式电压测量装置为一种可用 于电力系统各种暂态电压(包括频率极高的外部VFTO)测量的装置， 它由外置有金属感应极板的前置机、光纤、光电变换模块和计算机部 分组成，金属感应极板与前置机屏蔽机箱组成电容式电压传感器，在 前置机屏蔽机箱内设有数据采集器和电光变换模块，电容式电压传感 器的信号输出端经数据采集器通至电光变换模块的输入端，电光变换 模块输出端通过光纤与光电变换模块输入端联接，光电变换模块输出端通至计算机的信号输入端。
与现有技术相比，本发明具有的优点是
a) 采用电容式场强传感器，直接测量带电体表面场强，可提高测 量电压的准确性和稳定性；
b) 将电压传感、测量及光电变换集中为一体，可有效的提高抗干 扰性能；
c) 将数据采集单元块置于高电位并由计算机控制，具有测量范围 宽、频率响应好、信号记录容量大、测量灵活的特点；
d) 采用数字光纤通信，可实现10km远距离测量；
e) 采用小尺寸平板感应极板，频率响应宽；
f) 结构简单、安装使用方便、成本低、性价比高。
图1为本发明的电压测量原理图。
图2为本发明所述测量装置的一个具体实施例的原理结构框图。 图3为本发明测量装置中一种电容式电压传感器的结构示意图。 图4为该测量装置中另一种电容式电压传感器的结构示意图。
具体实施例方式
参见附图，本发明所述光纤式电压测量方法及其测量装置的测量 原理是在高压导体(高压导线)表面放置一个金属感应极板，金属感 应极板与高压导导体形成电容C2，与地面形成电容C1。
当高压导体对地的电压为v(交流电压，以下相同)时，
C2上的电压 <formula>formula see original document page 7</formula> (1) <formula>formula see original document page 7</formula>(2)
则 <formula>formula see original document page 8</formula> (3)
当已知高压导体对地电压V和电容C2上电压V2时，根据(3)式可求 得分压比K，或当已知分压比K和电容C2上电压V2后，根据(3)式 可求得高压导体对地的电压。在实际应用中，可通过标准分压器校准 测得电容分压器的分压比K，并由光纤式电压测量装置测得V2，进而 通过(3)式计算出高压导体对地电压V。
本发明所述光纤式电压测量装置的一个实施例结构如图2所示， 整个装置分为高压带电部分(前置机)、光纤和作为终端机的光电变换 单元和地面计算机部分。前置机主要由用于将电场信号转变成电压信 号的电容式电压传感器、用于将传感器的模拟电压信号变换为数字信 号并存储的模数数据采集器、用于完成电一光转换的电光变换模块 (光纤通讯模块)以及电池组(前置机工作电源)和全屏蔽机箱组成， 在电容式电压传感器和数据采集器之间接设有一个量程及测量控制 模块，在数据采集器和电光变换模块之间接设有数据通信模块，数据 通信单元的输入/输出端同时与量程及测量控制模块的输出/输入端 联接，在电光变换模块和数据采集器之间设有用于接收终端机命令控 制前置机电源的光电开关。屏蔽机箱的性能对整个测量系统的稳定性 和可靠性极为重要，在屏蔽机箱不能成为一个完整的金属屏蔽体时 (无缝隙)，其屏蔽效果除与屏蔽层厚度有关外，最重要的是处理金属 连接处的缝隙；屏蔽机箱除完成屏蔽功能外，还与感应极板组成电容 式电压传感器，所以这部分也是整个屏蔽效果的关键。终端机由三个 部分组成光电变换模块(光纤通讯模块)、光纤遥控电源开关发射控 制模块、计算机及测量系统软件，其中计算机的测量控制软件，采用 购置的数字采集模块自带软件，这个软件功能简单，使用操作与常规
的数据采集器软件相比有较大差异，基本上可满足使用。测量装置中
采用的光纤选取长度200m的四芯光缆，满足通讯和遥控开关使用。
本发明中电容式电压传感器是整个测量装置的基础，电压传感器 的性能决定整个系统的测量性能。电容式电压传感器的主要参数有 电压输出范围；阻抗特性；频率特性；结构性能等。设计者起初试制 的电容传感器如图3所示。图中的感应极板是一个圆形金属薄板，放 置在距屏蔽机箱表面30mm处,感应极板与外接分压电容器(二次电容) 相连接，从分压电容器输出电压。极板与屏蔽机箱有30mm的距离是 为了使传感器能输出较高的电压信号，接入一个分压电容是为了降低 传感器的输出阻抗。但经过多次试验,发现此传感器还存在以下问题 ①.由于存在一个二次分压电容，传感器的频率响应不高，达不到设 计要求；②.感应极板高出屏蔽机箱30mm，系统电场均匀度不好；③.
结构不易成为一个整体。为此，设计者又对上述传感器作出新的改进。 其改进后的电容式电压传感器结构如图4所示，它由屏蔽机箱、嵌置
在屏蔽机箱上面的金属感应极板以及填充在金属感应极板和屏蔽机 箱之间的聚酯绝缘薄膜构成，感应极板上表面与屏蔽机箱上表面相平 齐，在金属感应极板和屏蔽机箱之间的聚酯绝缘薄膜的厚度小于 O.l皿。与图3所示传感器相比，改进后的新型传感器降低了感应极 板与屏蔽机箱的相对高度,在极板与屏蔽机箱之间填充高频特性较好 的聚酯薄膜，其厚度小于0. lmm，以增大感应极板与屏蔽机箱的电容 值，降低输出阻抗；感应极板与屏蔽机箱处于一个平面，有利于提高 整体的电场均匀度和结构的整体刚性；去掉二次分压电容，输出直接 到后级设备。经过对这种改进型电容式电压传感器的性能测试，其性 能达到了设计要求。
本发明数据采集器可采用模块型号为PicoScope 5204的器件， 该器件内包含量程及测量控制模块、数据通信模块以及相应的固化软 件。由于数据采集器的输入阻抗一般只有1MQ，电容式电压传感器 在工频50Hz时的输出阻抗约为1MQ ，数据采集器直接连接电容电压 传感器会造成较大的频幅误差，为此，在数据采集器与电容电压传感 器之间要接入一个高阻衰减器。接入了高阻衰减器后，在输入信号频 率从50Hz到250Mhz变化时，采集信号幅度误差《1%。选取深存储 数据在100M以上，则可以以1G/s的采样率记录信号长度大于100ms。 这样在测量VFTO、敞开式隔离开关分合空母线的过电压时，就可较 完整地记录到高速暂态波形。
该装置的数据通讯模块是将前置机和终端机以光信号连接的模 块，通讯模块的选取是以采集器的接口形式选取。对国内50MHz的采 集器，其接口形式是RJ45，这时选用的通讯模块是RJ45转光纤及 光纤转RJ45;进口采集器是USB接口，选取的模块是USB转光纤及 光纤转USB。 RJ45的光纤接口在国内较为普及，USB的光纤接口在国 内生产很少，经对国内生产的USB光纤接口试验，其数据传输率低性 能不稳定，最后选取了进口的USB光纤转换器，经过试验和性能测试， 该USB光纤转换器可满足使用要求。
图2装置中的光电开关选定光纤遥控电源开关，其静态功耗为电压 12V，电流15mA;电源接通电流45mA。电光变换模块和光电变换模块 均采用型号为USB2. 0 Ranger444的USB光通讯模块。
权利要求
1、一种光纤式电压测量方法，其特征是在被测高压导体表面放置一个金属感应极板，利用该感应极板分别与被测高压导体和地面构成的电容C2和C1组成一个电容分压器，在测得电容分压器的分压比和电容C2上的电压值后，根据电容分压器的分压比值和C2的电压值换算获得被测高压导体对地电压值。
2、 根据权利要求1所述的光纤式电压测量方法，其特征是由标 准分压器校准测得电容分压器的分压比，并由与金属感应极板联接的 数据采集器采集到电容C2上的电压信号，继而再依次通过电光变换 器、光纤和光电变换器将电容C2上的电压信号送入计算机系统处理 记录并显示电压数据，最后根据电容分压器的分压比值和C2的电压 值换算获得被测高压导体对地电压值。
3、 一种用于实现权利要求1或2所述测量方法的光纤式电压测 量装置，其特征在于它由外置有金属感应极板的前置机(I)、光纤、 光电变换模块和计算机部分组成,金属感应极板与前置机(I )屏蔽机 箱组成电容式电压传感器，在前置机(I )屏蔽机箱内设有数据采集器 和电光变换模块，电容式电压传感器的信号输出端经数据采集器通至 电光变换模块的输入端，电光变换模块输出端通过光纤与光电变换模 块输入端联接，光电变换模块输出端通至计算机的信号输入端。
4、 根据权利要求3所述的光纤式电压测量装置，其特征是在电容式电压传感器和数据采集器之间接设有一个量程及测量控制模块， 在数据采集器和电光变换模块之间接设有数据通信模块，数据通信单 元的输入/输出端同时与量程及测量控制模块的输出/输入端联接，在 电光变换模块和数据采集器之间设有光电开关。
5、 根据权利要求3或4所述的光纤式电压测量装置，其特征是 所说的电容式电压传感器由前置机(I )屏蔽机箱、嵌置在屏蔽机箱上 面的金属感应极板以及填充在金属感应极板和屏蔽机箱之间的聚酯 绝缘薄膜构成，感应极板上表面与屏蔽机箱上表面相平齐。
6、 根据权利要求5所述的光纤式电压测量装置，其特征是填充 在金属感应极板和屏蔽机箱之间的聚酯绝缘薄膜的厚度小于0. lmm。
全文摘要
本发明涉及一种用于电力电网系统中测量各种暂态电压的光纤式电压测量方法及其装置，在被测高压导体表面放置金属感应极板，利用感应极板分别与被测高压导体和地面构成的电容组成一个电容分压器，在测得电容分压器的分压比及感应极板和被测高压导体间电容上的电压值后，通过换算获得被测高压导体对地电压值。所述的测量装置由外置有金属感应极板的前置机、光纤、光电变换模块和计算机部分组成，其中感应极板与前置机屏蔽机箱组成电容式电压传感器。与现有技术相比，本发明通过采用电容式电压传感器直接测量带电体表面场强的方法测量电压，测量特性好，结构简单，使用方便。
文档编号G01R15/16GK101382568SQ20081023187
公开日2009年3月11日 申请日期2008年10月24日 优先权日2008年10月24日
发明者卢江平 申请人:陕西电力科学研究院