一种光电式冲击电压测试装置及方法与流程

一种光电式冲击电压测试装置及方法，属于高压测量技术领域。

背景技术：

随着电力系统电压等级的不断提高，电力设备的试验电压日趋上升，给高电压试验的测量带来了很多问题。通常用冲击电压来检验设备的绝缘性能。目前，常用的冲击电压测量方法是利用分压器和示波器，而电阻式分压器是一种常用分压器类型。目前，利用分压器测量冲击电压的方法有三种：1、冲击电压经分压器分压后，由接地侧的示波器测量，即从接地侧进行测量；2、从分压器的高压侧进行测量；3、光电测量。相比1和2中的测量方案，光电测量方案既具有在高压侧测量的优点，又具有在低压侧进行观测的便利，属于现有技术中通常采用的方式。该方法通过给处于高压端的补偿回路旁并接一个发光二极管，由于发光二极管的发光能量与通过它的电流成正比，即发光二极管的发光能量和冲击电压成正比，利用调幅的方式，将光信号通过导光管传送到大地侧的光电倍增管，将其输出信号接到示波器。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：

问题1：发光二极管、导光管、光电倍增管组成的光学系统的直线性是近似直线性，致使该方法的测量精度不高；

问题2：只能测量单极性的冲击电压信号，另一种极性的冲击电压信号由于无法使LED发光而无法测量；

问题3：需要对整个光路的传输倍数进行校准才能使用，但LED发光会受到温度、老化因素的影响，因此该方法使用时要经常校准才能保证测量精度，这给该方法的使用带来不便。

经分析发现，出现上述问题的主要原因是：

测量系统或装置的线性度不高、测量方法有缺陷。要保证测量精度，需要求发光二极管、导光管、光电倍增管组成的光学系统具有良好的直线性（即输入发光管的电流和光电倍增管的输出电压正比）及很高的频率响应。其中，导光管的输入光强和输出光强之间、光电倍增管的输入光信号和输出电信号之间的线性度是可以保证的，但对LED来说，由于其发光时发光死区的存在，使它在电流较小时发光功率的增加要明显慢于电流较大时发光功率的增加速度，因此，其完整的“发光功率P-驱动电流I”关系不是标准线性的，这是由LED的发光机理决定而不能改变的，而且人工校准必然带来误差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种既能同时测量正、负两种极性冲击电压信号，又能使LED工作在线性区且不受温度、老化因素的影响的、校准方便的光电式冲击电压测试装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一方面，提供一种光电式冲击电压测试装置，包括分压模块、高压侧待测信号生成单元、光纤、低压侧待测信号分析单元、第一供电模块和第二供电模块；所述分压模块与高压侧待测信号生成单元相连，高压侧待测信号生成单元与低压侧待测信号分析单元通过光纤连接，第一供电模块给高压侧待测信号生成单元供电，第二供电模块给低压侧待测信号分析单元供电。

优选的，所述第一供电模块和第二供电模块均为线性直流电源。

优选的，所述高压侧待测信号生成单元包括信号混合模块、直流偏置电压生成模块和LED恒流驱动模块；所述信号混合模块接收来自分压模块的待测信号，并与LED恒流驱动模块相连，直流偏置电压生成模块与信号混合模块相连，LED恒流驱动模块与光纤相连。

优选的，所述直流偏置电压生成模块为采用电压基准芯片作为偏置电压源的偏置电路。

优选的，所述LED恒流驱动模块为采用基于运算放大器和功率开关管的LED恒流驱动电路；第一供电模块给待测冲击电压的正、负两种极性信号的LED恒流驱动电路供电。

优选的，所述低压侧待测信号分析单元包括光电转换模块、采样计算模块和信号分离还原模块；所述光电转换模块与光纤相连，采样计算模块与光电转换模块相连，信号分离还原模块分别与光电转换模块和采样计算模块相连，采样计算模块内装CPU。

优选的，所述光电转换模块采用光电压模式下基于光电二极管的电流-电压变换器电路。

优选的，所述信号分离还原模块包括：减法电路、增益可调放大电路、DA转换器和数字电位器；所述减法电路与增益可调放大电路相连，DA转换器与减法电路相连，数字电位器与增益可调放大电路相连，采样计算模块内的CPU分别与DA转换器和数字电位器相连。

优选的，所述信号分离还原模块的工作原理：

减法电路接收U_输出和来自DA转换器的U’_偏置信号输出U’_待测，增益可调放大电路将U’_待测信号放大K 倍后输出U_待测信号，采样计算模块内的CPU计算输出校准因子K 和U’_偏置，控制DA转换器输出模拟的U’_偏置信号供减法电路使用，经数字电位器控制增益可调放大电路的放大倍数为K 倍。

另一方面，提供一种光电式冲击电压测试装置的测试方法，包括以下步骤：

S501，待测冲击电压信号经分压模块分压，变为位于高压侧与待测冲击信号波形一致的低压信号U_待测；

S502，直流偏置电压生成模块生成直流偏置电压U_偏置；

S503，U_待测和U_偏置通过信号混合模块混合后，作为LED恒流驱动模块的输入信号；

S504，U_待测和U_偏置通过LED发光强度的变化，经光纤传至光电转换模块；

S505，光电转换模块将该光信号变为电压信号U_输出，U_输出同时被采样计算模块采集；

S506，采样计算模块内的CPU根据逻辑计算方法计算校准因子K 、数字信号U_待测 ；

S507，一方面，U_待测信号至计算机分析；

S508，另一方面，U_偏置经光电转换模块后的信号U’_偏置与校准因子K 通过信号分离还原模块变为模拟的U_待测信号至示波器观察。

优选的，步骤S506中所述的逻辑计算方法为：

当待测冲击电压信号未出现时，U_输出被赋值为U’_偏置，依据公式K = U_偏置/U’_偏置计算校准因子K ；

当待测冲击电压信号出现时，U_输出被赋值为U’_偏置与U’_待测混合相加后的信号，通过信号还原后得到U_待测 = U’_待测·K ；U’_待测为减法电路的输出信号，且为增益可调放大电路的输入信号之一。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有的优点或有益效果是：

1、所述光电式冲击电压测试装置将冲击电压信号经分压模块分压变为低压信号U_待测，通过直流偏置电压生成模块生成直流偏置电压U_偏置，U_偏置和U_待测通过信号混合模块完成相加后的信号作为LED恒流驱动模块的输入信号，以此保证U_偏置和U_待测信号表征在LED的线性发光区，从而解决了现有技术中LED在其发光死区附近工作导致的波形失真问题；此后，采用内径1mm的塑料光纤或200/230µm孔径的石英光纤将该线性区光信号传至低压侧待测信号分析单元，低压侧待测信号分析单元的光电转换模块则将该光信号变为电压信号U_输出（U_输出=U’_偏置+U’_待测，U’_待测为U_待测经光电转换模块后的对应信号，U’_偏置为U_偏置经光电转换模块后的对应信号），确保了传输精度；

2、所述光电式冲击电压测试装置的第一供电模块的供电电压决定了装置能够测量的高压侧冲击电压信号的动态范围，其供电电压范围内的中间值电压以上的电压范围供待测冲击电压的正极性信号的LED恒流驱动电路使用，中间值电压以下的电压范围供待测冲击电压的负极性信号的LED恒流驱动电路使用，克服了现有技术中只能测量单极性冲击电压信号的不足。

上述技术方案中的另一个技术方案具有的优点或有益效果是：

所述光电式冲击电压测试方法利用采样计算模块内CPU采集低压侧电压信号U_输出，并将待测冲击电压信号出现前最后采集到的U’_偏置作为伴随U_待测传输的U’_偏置，并计算光电式冲击电压测试装置的校准因子K （K =U_偏置/U’_偏置），这样无论LED受温度变化、老化因素怎么影响，该校正因子K 都会将这些因素包含在内（LED受温度变化、老化因素的影响集中反映在U’_偏置上），从而可以进行输出信号的实时校正（即U_待测 = U’_待测·K ， U’_待测 = U_输出―U ’_偏置），确保了测量精度，也克服了现有技术中每次测量前均需进行人工校准的不足，校准方便、测试方法简单。

附图说明

图1 光电式冲击电压测试装置结构框图。

图2 高压侧待测信号生成单元结构框图。

图3 低压侧待测信号分析单元结构框图。

图4 信号分离还原模块工作原理框图。

图5 测试方法步骤流程图。

图6 采样计算模块的逻辑计算方法示意框图。

图7 直流偏置电压信号与测量精度关系示意图。

具体实施方式

图1~7是本发明技术方案的最佳实施例，下面结合附图1~7对本发明光电式冲击电压测试装置及方法的具体实施方式做进一步详细说明。

参照图1：

图1是光电式冲击电压测试装置结构框图，包括分压模块、高压侧待测信号生成单元、光纤、低压侧待测信号分析单元、第一供电模块和第二供电模块；所述分压模块与高压侧待测信号生成单元相连，高压侧待测信号生成单元与低压侧待测信号分析单元通过光纤连接，第一供电模块给高压侧待测信号生成单元供电，第二供电模块给低压侧待测信号分析单元供电。

分压模块采用电阻式分压器、电容分压器、阻尼型电容分压器中的任一种。

第一供电模块和第二供电模块均为线性直流电源；第一供电模块的供电电压供待测冲击电压的正、负两种极性信号使用，第一供电模块供电电压范围内的中间值电压以上的电压范围供待测冲击电压的正极性信号的LED恒流驱动电路使用，第一供电模块供电电压范围内的中间值电压以下的电压范围供待测冲击电压的负极性信号的LED恒流驱动电路使用，第一供电模块的电压选取范围与高压侧待测冲击电压信号特性有关，第二供电模块的电压选取一般为±5V或±12V。

参照图2：

图2是高压侧待测信号生成单元结构框图，包括信号混合模块、直流偏置电压生成模块和LED恒流驱动模块；所述信号混合模块接收来自分压模块的待测信号，并与LED恒流驱动模块相连，直流偏置电压生成模块与信号混合模块相连，LED恒流驱动模块与光纤相连。

直流偏置电压生成模块为采用电压基准芯片作为偏置电压源的偏置电路，电压基准芯片可采用REF5025、REF5050、REF5010、ADR01、ADR02、ADR03。

LED恒流驱动模块为采用基于运算放大器和功率开关管的LED恒流驱动电路；实施例为连续调整型的LED恒流源电路，运算放大器可采用AD795、AD8601或其它低输入偏置电流、低输入失调电压的运算放大器芯片，功率开关管可采用S9013、S8050中的任一种。

参照图3：

图3是低压侧待测信号分析单元结构框图，包括光电转换模块、采样计算模块和信号分离还原模块；所述光电转换模块与光纤相连，采样计算模块与光电转换模块相连，信号分离还原模块分别与光电转换模块和采样计算模块相连，采样计算模块内装CPU。

光电转换模块采用光电压模式下基于光电二极管的电流-电压变换器电路；光电二极管可以选用PD型号，实施例选用英飞凌的SFH250；或是选用感光波长包括400nm~1000nm波段、且光电转换线性度好的光电二极管。

参照图4：

图4是信号分离还原模块工作原理框图，包括减法电路、增益可调放大电路、DA转换器和数字电位器。其中，减法电路与增益可调放大电路相连，DA转换器与减法电路相连，数字电位器与增益可调放大电路相连，采样计算模块内的CPU分别与DA转换器和数字电位器相连；减法电路接收U_输出和来自DA转换器的U’_偏置信号输出U’_待测，增益可调放大电路则将U’_待测信号放大K 倍后输出U_待测信号，采样计算模块内的CPU计算输出校准因子K 、U’_偏置，并控制DA转换器以输出模拟的U’_偏置信号供减法电路使用，同时经数字电位器控制增益可调放大电路的放大倍数为K 倍，该信号可用示波器直接观察或计算。

信号混合模块采用单电源或双电源的加法器电路。

采样计算模块内的CPU可采用MSP430系列、STM32系列中的任一种。

参照图5：

图5是测试方法步骤流程图，具体步骤为：

步骤S501，待测冲击电压信号经分压模块分压，变为位于高压侧与待测冲击信号波形一致的低压信号U_待测；

步骤S502，直流偏置电压生成模块生成直流偏置电压U_偏置；

步骤S503，U_待测和U_偏置通过信号混合模块叠加，作为LED恒流驱动模块的输入信号；

步骤S504，U_待测和U_偏置通过LED发光强度的变化，经光纤传至光电转换模块；

步骤S505，光电转换模块将该光信号变为电压信号U_输出，U_输出同时被采样计算模块采集；

步骤S506，采样计算模块内的CPU根据逻辑计算方法计算校准因子K 、数字信号U_待测；

步骤S507，一方面，U_待测信号至计算机分析；

步骤S508，另一方面，U_偏置经光电转换模块后的信号U’_偏置与校准因子K 通过信号分离还原模块变为模拟的U_待测信号至示波器观察。

参照图6：

图6是采样计算模块的逻辑计算方法示意框图，其计算逻辑为：

当待测冲击电压信号未出现时，采样计算模块只能采到传过来的偏置电压信号U’_偏置，根据U’_偏置和U_偏置可以算出校准因子K ，即K = U_偏置/U’_偏置，在U_待测出现前，采样得到的一直是U’_偏置，因此对校准因子的计算是实时的，这样做的好处是可以把外界温度及老化对LED发光的影响排除掉，因为这些影响均反映在U’_偏置上；当U_待测出现时，由于U_待测表示的是冲击电压信号，冲击信号的持续时间非常短，通常是μs级别，在这期间，虽然LED中的电流可能会变得很大，但由于信号的持续时间很短，短暂的大电流对LED造成的温度影响也是可以忽略的，因此可将U_待测出现前最后采集到的信号U’_偏置作为与待测信号一起传输的信号U’_偏置。因此当待测信号出现时，采样计算模块采到的总信号为U_输出 = U’_偏置+U’_待测，从而可以计算得到U’_待测 = U_输出―U’_偏置，信号经过还原后得到U_待测 = U’_待测·K 。

结合图1~图6，实施例装置的工作过程为：

当待测冲击电压信号出现时（实施例为雷电波信号），该冲击电压的范围为0~800kV，该冲击电压信号经过分压模块分压后，将待测的冲击电压信号变为一个低压信号（该信号位于高压侧）；实施例通过电阻式分压器的设计将原来0~800kV的冲击信号变为0~8V信号，该信号的波形与待冲击信号一样，只是幅度缩小了10⁵倍，将该信号记为U_待测；只要获得U_待测的大小和波形，就知道了实际冲击电压信号的大小和波形。

实施例的第一供电模块使用20V的线性直流电源为高压侧待测信号生成单元供电，将U_偏置设置为该电源范围的中点，即10V。直流偏置电压生成模块用来生成一个直流偏置电压U_偏置，U_偏置的大小也决定了LED的直流偏置电流的大小。U_偏置和U_待测通过信号混合模块完成相加，由于U_偏置为10V，则经信号混合模块后，原来0~8V的U_待测被抬高了10V，变为10V~18V的信号，该信号作为LED恒流驱动模块的输入信号。

LED的最大工作电流为50mA，且2mA以上为该LED的线性度较好范围，设计LED恒流驱动模块中的电阻大小（恒流驱动电路电流的大小=电压/电阻），使其偏置电流为2mA~50mA线性区间的中点，即26mA，即10V的U_偏置对应的LED驱动电流为26mA，因而装置最多能够测到50mA/（2.6mA/V）=19.2V的电压，去掉偏置电压即最大可以测量9.2V的单极性电压，其对应的是920kV的高压侧实际冲击电压信号。相应的，18V信号（对应的800KV实际冲击电压信号）对应驱动电流46.8mA，即10V~18V的U_待测对应LED的驱动电流为26mA~46.8mA；于是，U_待测通过LED中26mA~46.8mA对应的发光强度变化经过光纤传至低压侧待测信号分析单元。为了使耦合进入光纤的光强尽可能大，使用内径1mm的塑料光纤或200/230µm大孔径的HCS（PCF）光纤完成高压侧待测信号生成单元和低压侧待测信号分析单元的信号连接。第一供电模块的供电电压决定了装置能够测量的冲击电压信号的动态范围。本实施例使用20V的线性直流电源，U_偏置为电源供电电压范围的中间值电压，即10V，那么0~10V供0~920kV的负极性信号的LED恒流驱动电路使用，10V~20V供0~920kV的正极性信号的LED恒流驱动电路使用。

在低压侧，光电转换模块将光信号变为电压信号，记为U_输出，U_输出随后被采样计算模块采集。当待测冲击电压信号未出现时，U_输出即为U’_偏置（U’_偏置为U_偏置经光电转换模块后的对应信号）；当待测冲击电压信号出现时，U_输出=U’_偏置+ U’_待测（U’_待测为U_待测经光电转换模块后的对应信号）。采样计算模块将待测冲击电压信号出现前最后采集到的U’_偏置大小作为伴随U_待测传输的U’_偏置大小。此时U_输出和U’_偏置变为已知量，因此采样计算模块就可以计算出U’_待测以及整个传输装置的校准因子K （K = U_偏置/U’_偏置），最终计算出U_待测，采样计算模块输出的U_待测为数字信号，该信号可送至计算机进行分析。采样计算模块同时将算出的校准因子K和U’_偏置送入信号分离还原模块以输出模拟的U_待测信号，便于用示波器直接观察波形。

参照图7：

图7是直流偏置电压信号与测量精度关系示意图，线1形状与LED的“发光功率P-驱动电流I”关系曲线形状一致。由于U_偏置把系统的静态工作点抬高到了线性区间的A点，因此系统实际的传输关系表达式为U_输出 =U_输入·tgα +b （即图中B点和A点确定的直线），表达式中的截距b 是不知道的；对U_待测来说，直流信号U_偏置将静态工作点抬高到A点后即弥补了线1下方的非线性部分（o 点到B点的曲线，其实质是LED的发光死区），U_待测其实质是以A点为起点，在A点上方的直线（针对正极性信号）或A点下方的直线（针对负极性信号）以调幅的形式使LED发光，发光强度通过U_输出反映出来，因此U_待测的实际传输关系为U ’_待测 = U_待测·tgα ；线2为实施例装置使用的传输关系，即U’_待测 = U_待测·tgβ ，显然，β <α ，即tgβ <tgα ，即用U_待测·tgβ 代替U_待测·tgα 是有误差的。β 越接近α ，则tgβ 越接近tgα ，β 的大小与U_偏置有关，在LED允许的工作电流范围内，U_偏置选的越大，即LED工作的偏置电流越大，β 越接近α，测量精度也越高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。