CN201051119Y - 分布式光学电压互感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种新型的分布式光学电压互感器。用于以光学方法测量高压输电线路的电压。本实用新型的分布式光学电压互感器的电气绝缘段由介电材料构成，被测电压加在位于其两端的电极上。此绝缘段在其内部区域提供对外界杂散电场等干扰的介电屏蔽，若干个利用电光晶体Bi₄Ge₃O₁₂及光学元件构成的光学微型电场传感器取纵向方位置于此绝缘段内部去感应其所在处的电场，并将所测得的电场值作为输出信号通过光纤传输到数据处理单元后，通过特定数值积分方法使外界各种干扰的影响被限制，从而精确地求出待测电压值。

Description

分布式光学电压互感器

技术领域

本实用新型涉及一种新型的光学电压互感器，用于以光学方法测量电压，特别是测量高压输电线的电压。

背景技术

近年来以光学方法精确测量高电压环境中电压的技术在电力工业中越来越引起注意。与现存的常规技术，即电感或电容电压变压器，或电容电压分压器等相比较，光学测量技术具有的优点为：

-固有的抗电磁干扰的能力；

-无铁芯饱和问题；

-优异的电气绝缘性能；

-更大的带宽；

-更大的动态范围；

-轻得多的重量；

-很小的体积；

-遍及整个大动态范围内更高的精度；

-安全的运行条件

-低的维修费用；等

然而，现有的光学电压互感器，普遍地利用了分立光学元件，以及特殊的电极结构和绝缘装置，并且需要使用绝缘气体，如六氟化硫。这导致了结构显著复杂；成本明显增加；维护昂贵困难；并且六氟化硫对环境保护不利；而且导致应用的安全性降低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提出一种分布式光学电压互感器，用于以光学方法测量电压：其包括一组分布放置在其介电屏蔽电气绝缘段中的光学微型电场传感器，通过所述光学微型电场传感器测出电场值再由特定数值积分方法去求出待测的电压，特别是高压输电线路的电压。其具有高测量精度，并可以克服各种环境因素造成的干扰。

被测电压可以是交流电压，也可以是直流电压。

为了实现本实用新型的目的，提出了一种分布式光学电压互感器，包括光学电场传感单元，所述光学电场传感单元包括光源，光纤，多个光学微型电场传感器和光电探测器，所述光学微型电场传感器包括电光晶体；介电屏蔽绝缘单元；所述介电屏蔽绝缘单元包括由介电材料构成的电气绝缘段和分别位于电气绝缘段两端间隔距离为L的两个导体电极，待测电压加在所述两个导体电极上；数据处理单元，用于接收光学电场传感单元输出的信号，并计算得出待测电压；其中多个光学微型电场传感器将待测电压生成的电场转变成光学信号，经所述光电探测器转换输入数据处理单元，数据处理单元利用特定积分方法计算得出待测电压；其中所述光学微型电场传感器中的电光晶体光轴与检测光束及待测电场方向平行，即电光晶体处于纵向方位；

本实用新型的分布式光学电压互感器的组成为：一组用于测量其所在处电场，并将所测得值以光信号通过光纤传输到数据处理单元的光学微型电场传感器，如图1，10所示，形成的光学电场传感单元；一个由介电材料构成的电气绝缘段单元，如图1，12所示，待测电压V加在间隔距离为L而分别位于其两端的导体电极上，如图1，13；图1，14所示，此绝缘段在其内部区域形成对外界杂散电场等干扰的介电屏蔽，光学微型电场传感器置于此绝缘段内部去检测其所在处电场；一个利用光学电场传感单元输出的光信号通过特定数值积分方法去组合算出待测电压精确值V的数据处理单元，如图1，11所示。这三个单元互相结合组成了：分布式光学电压互感器。

光学电场传感器

本实用新型为一种基于线性电光效应(Pockels electro-optic effect)的光学微型电场传感器。

光学微型电场传感器(Pockels cell)是分布式光学电压互感器系统的核心器件，它可以很好的抵抗因外界温度和光源强度变化产生的影响而以满足IEC标准的精度去测量电场，并且具有大的动态范围，高的带宽，良好的运行性能，同时还满足长期稳定性及可靠性要求。

一个光学电压互感器系统中所有光学电场传感器沿电场方向的长度总和与两电极间距L的比值一般小于2％，因此所测值近似为点电场值，以便光学电压互感器系统获得足够的精度。故所用的这些光学元件尺寸都很小，称为光学微型电场传感器。简称为：微型电场传感器。

Bi₄Ge₃O₁₂晶体，简称BGO晶体，具有立方对称点群43m，也记作：T_d。其三个非零矩阵元相等：r₄₁＝r₅₂＝r₆₃.在光学微型电场传感器中BGO晶体所取的方位，外加电场方向，与光束传播方向三者之间的关系为：

微型电场传感器里的BGO晶体在光学电压互感器中取纵向方位，如图6a，b所示，即：BGO晶体的光轴方向，晶体中检测光束的方向，外加电场，也就是待测电场的方向，这三者互相都平行，即都是在同一方向，如图6，41所示。通常取BGO晶体尺寸最长方向的光轴作为光束传播的方向和待测电场的方向，并取此方向为直角坐标系中的z轴方向，如图1，10；图6a，b所示。

由外加电场，也就是待测电场所感生的沿z轴传播光束的两个正交光学偏振模之间的光折射率之差，即线性双折射为：

$\mathrm{\Δn}=n_0^3{r}_{41}{E}_z---\left(1\right)$

与之对应的这两个正交光学偏振模之间相位差为：

$\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\π}{n}_0^3{r}_{41}{V}_z}{{\mathrm{\λ}}_0}---\left(2\right)$

其中：

n₀   未受外电场扰动的BGO晶体折射率；

r₄₁  BGO晶体电光系数；

V_z   BGO电光晶体在z轴方向两个端面所受到的外加电压；

     V_z＝E_z·L_z

λ₀  所用光源在真空中的波长；

L_z  BGO电光晶体在z轴方向，检测光束方向，也就是待测电场方向的长度；

E_z  沿纵向外加于BGO晶体上的电场，即待测电场

当光学电场传感器安放在纵向方位，则在沿z轴传播的两个正交光学偏振模之间所感生的线性双折射是唯一的依赖于外加在BGO晶体上的电场。

当光学电场传感器处于纵向方位时电光晶体的灵敏度仅由三个因素决定：λ₀；n₀；r_ij，此处为r₄₁，而与所用BGO晶体的长度与几何尺寸无关。这可由半波电压，即产生π相位差所对应的电压表示：

$V_{\mathrm{\π}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2n_0^3{r}_{41}}---\left(3\right)$

偏置纵向光学电场传感器，如图3所示，的透射率T为：

$T=\frac{1}{2}[1+\sin \left(\mathrm{\π}\frac{V}{V_{\mathrm{\π}}}\right)]---\left(4\right)$

当关系：

V＜＜V_π                        (5)

表示的限制条件满足时，则有下列近似关系成立：

$T\≈\frac{1}{2}(1+\mathrm{\π}\frac{V}{V_{\mathrm{\π}}})---\left(6\right)$

所以，只要条件(5)满足上式就是纵向偏置微型电场传感器的透射率和外加电压关系的很好近似，体现出加偏置后对外加电压的响应有足够好的线性度。

而且从(4)式可见，只要条件(5)满足在这个电场传感器上外加一个小电场将引起透射率最大的变化。这就表明加偏置后电场传感器灵敏度最大。

在光学电压互感器系统构造中，因为微型电场传感器的BGO晶体沿z轴长度，即在电场方向的线度，远小于两高压电极之间的距离L，BGO晶体上所受到的电压远小于其半波电压V_π，所以条件(5)总可以满足。因此，BGO晶体光学微型电场传感器可以具有适当的灵敏度，很高的线性度，以及足够高的精度，并且对应着相当大的动态测量范围。

本实用新型的光学微型电场传感单元可以利用图4(a，b，c，d，e)中示意的各个形式光学电场传感单元之中的任何一种，都能够在其信号输出端获得两个互相补充的光强信号S₁和S₂。通过光探测器和模数转换器可将其转化为数字电子信号的输出值：a，b，然后再由数据处理单元按照下述方法算出此光学微型电场传感器所测电场精确值。

当被测电压为直流电压时，则应该利用图5中示意的光学微型交直流电场传感单元，然后再由数据处理单元按照下述的求直流电场方法去算出此光学微型电场传感器所测直流电场精确值，参见公式17。

本实用新型分布式光学电压互感器，如图1，图2所示，包括一个由介电材料构成的电气绝缘段单元，如图1，12所示，被测电压加在通过间隔距离为L而分别处在其两端的导体电极上，其中一个电极接高压输电线电位，如图1，13所示，另一个接地电位，如图1，14所示；此绝缘段具有选定的介电常数和特殊的组成，构造及形状，常为管形柱，同电极衔接的电阻型介电屏蔽管，置放于上述的中空绝缘管内部，由此在其内部空腔区域形成对外界杂散电场等干扰的介电屏蔽，如图2所示。n个光学微型电场传感器置于此绝缘段内部区域中轴线上去检测其所在处的电场；这样就降低了外界杂散电场等干扰造成的误差。

在本实用新型的分布式光学电压互感器中：利用易于获取的绝缘材料和结构，即通用的支柱式绝缘柱，配合以几个安放在其内部特定位置的光学微型电场传感器，再加上光信号的传输和探测处理系统等，就可以构造出分布式光学电压互感器。

本实用新型的分布式光学电压互感器的介电屏蔽绝缘单元包括：

如图1，图2所示，由金属支架支撑的绝缘段，可以是中空圆管形复合材料绝缘柱。主要用于对光学微型电场传感器的机械支撑，和防止各种杂散外界条件对光学微型电场传感器的干扰与破坏。

以相当大距离分隔开的高压电极和接地电极，内置于中空圆管形复合材料绝缘段两端。

提供介电屏蔽的中空圆管形电阻器安装在绝缘段内部，位于绝缘段两端的两个电极之间，顶部电极与传输线高压端作电气联结，而底部电极则取地电位。对两个电极之间的区域，利用较高介电常数的材料形成介电屏蔽，对来自外部的各种杂乱电场干扰源进行介电屏蔽。

-中空圆管形复合材料绝缘段内部取消了以六氟化硫气体，或油，纸，等材料作特殊绝缘的需求。

若干个由介电材料做成的光学微型电场传感器放在圆管形复合绝缘段里的电阻屏蔽管内部中轴线上。按照数值积分算法确定各微型电场传感器在中轴线上的位置坐标，而安装取向方位则如图1，图2及图6a，b所示。以此方式置放的微型电场传感器用于精确测量其所在点电场。

光源的光由光纤送入与之相连接的微型电场传感器，再将输出的光信号传送到控制室中的光探测装置转换为电信号，然后由数据处理单元最终给出所要测的电压值。

本实用新型的分布式光学电压互感器的基本构成：从上到下，参见图1，图2

^*与高压输电线相连的顶部导体电极；带有均压环；

^*以玻璃纤维等复合介电材料作为管壁的中空绝缘圆管，外部装有绝缘材料伞裙，构成绝缘支柱；

^*同绝缘段两端电极衔接的电阻型介电屏蔽管，置放于上述的中空绝缘圆管内部；

^*导体构成的接地电极底板；和用导体构成的接地支架。

^*光学微型电场传感器被分别安置于绝缘管的中轴线上，其位置由数值积分算法给出。

^*光学微型电场传感器被分别安置于绝缘管的中轴线上，其取向方位由图6.a，图6.b给出。

^*光纤连接于光源，将光输入进微型电场传感器，并将其所输出的光信号传回到位于控制室内的光探测器及数据处理单元，用于计算求出高压传输线上的电压。

本实用新型光学电压互感器的优点是：

-不需要任何依赖客户条件而定做的电极结构以及/或特殊绝缘装置；

-不需要加压六氟化硫气体绝缘，也不需要油-纸，等材料作为绝缘，由此降低了制造成本和维修费用，减少了对环境污染的风险；

-因为高电压部分与地电位部分被较宽的分隔开，所以干燥的氮气或者空气充填在中空的绝缘柱当中就可满足绝缘需求，使这种分布式光学电压互感器的电气绝缘安全性增加。

-由于调节光学微型电场传感器的数目就可以增加待测电压的测量精确度，使这种光学电压互感器的精度易于提高。

附图说明

图.1为分布式光学电压互感器基本结构示意图；

图.2为分布式光学电压互感器系统总体结构示意图；

图3为偏置纵向光学电场传感器原理示意图；

图4.a为本实用新型的光学电压互感器的第一实施例的光学电场传感单元；

图4.b为本实用新型的光学电压互感器的第二实施例的光学电场传感单元；

图4.c为本实用新型的光学电压互感器的第三实施例的光学电场传感单元；

图4.d为本实用新型的光学电压互感器的第四实施例的光学电场传感单元；

图4.e为本实用新型的光学电压互感器的第五实施例的光学电场传感单元；

图5为本实用新型的光学电压互感器的第六实施例的光学电场传感单元；

图6.a为本实用新型的光学微型电场传感器的结构及其放置方位示意图；

图6.b为本实用新型的光学微型电场传感器另一种结构及其放置方位示意图。

图中标号说明：

10.光学微型电场传感器

11.数据处理单元

12.介电材料构成的电气绝缘段

13.与高压输电线相连的顶部导体电极

14.接地电极

15.中空绝缘圆管

16.电阻型介电屏蔽管

17.均压环

18.绝缘伞群

19.导体支架

20.与高压输电线相连的顶部导体

21.地面

24.入射检测光束

25.光学起偏器

26.光学1/4波片

27.光学检偏器

28.光源

29.光纤

30.偏振分光器

31.32.33.光学准直耦合器组

34.光探测器

35.光纤在线起偏器

36.光纤在线1/4波片

37.保偏光纤

38.光学棱镜

39.非偏振分光器

40.双折射相位调制器

41.BGO电光晶体

具体实施方式

以下结合附图，详细介绍本实用新型的光学电压互感器的实施例

第一实施例

a).待测的是交变电场

所述的光学电场传感单元至少由处于高电压环境中的光纤，光学起偏器，光学准直耦合器，光学四分之一波片，电光晶体Bi₄Ge₃O₁₂(简记为：BGO)，偏振分光器所形成的光学微型电场传感器，以及处在高电压环境外的光源，光纤和光电探测器组合构成；如图4a所示。

光源发出的光由光纤传输，经光学准直耦合器组送进光学起偏器，两者次序可交换，再通过光学四分之一波片后进入电光晶体BGO中，波片和晶体两者次序也可交换，因线性电光效应而在两个正交偏振光分量之间产生正比于外加在BGO上待测电场的相位差，偏振分光器与光学准直耦合器分离并经光纤将这两个正交偏振光分量各自传到对应的光电探测器转换为电信号后由数据处理单元算出待测电压精确值V

利用图4a中示意的光学微型电场传感器的整体结构，能够在其信号输出端获得两个互相补充的光强信号S₁和S₂，通过光探测器和模数转换器可将其转化为数字电子信号的输出值：a，b。然后再由数据处理单元按照下述方法去算出此光学微型电场传感器所测电场精确值。

光学微型电场传感器需要利用两个互相补充的，通过光探测器和模数转换器将光强信号S₁和S₂转化为数字电子信号的输出值：a，b。计入传输及转化过程中的损失，以及比例因子变化的影响后，数值a代表对应的光强S₁，即：

      a＝K_a*S₁；                (7-a)

同样：b＝K_b*S₂；                (7-b)

在数据处理单元中，利用a和b的值可以计算出由微型电场传感器测出的电场。

从下列方程中可以得到微型电场传感器的传递函数：

和

其中：

P₀进入微型电场传感器的总光强；

E沿着光传播方向电光晶体上所加的电场强度，或在微型电场传感器整体长度上的平均电场强度；

E_π电光晶体中两个正交的偏振传播模之间建立π位相差所需要的电场强度；

电光晶体上在两个正交的偏振传播模之间的偏置或初始相位差，主要由波片控制，典型情况取π/2；

α表明微型电场传感器制作中不完善程度的系数；

K_a，K_b：对信号a和b而言，各自的功率损失因子；

以上两式可改写为：

和

其中

是微型电场传感器中残留的相位偏置，主要源自于所用波片的不完善性，也可以来自此波片因外界温度变化而产生的相对于

的偏离。

当被测电场或电压的主要部分是50Hz交变电流信号的情况下

E＝E₀sinωt                     (11)

其中

E₀  交变电场振幅；

交变电场角频率：ω＝2πf，f：频率(50Hz)；t：时间；

为了能够精确地测量电场，必须取消、最小化或者补偿因光源光强，温度变化或振动等干扰造成的a，b以及传递函数中各参数的变化。这可以利用(9-a，9-b)式来计算规范化传递函数：

其中 $K=\frac{K_a}{K_b}---\left(13\right)$

从(12，13)式中可以解出所求的微型电场传感器上的外加电场：

如果α，

E_π和K都已知，则待测电场E的值可以由数据处理单元利用上式从所测得信号a和b的值求出。对于每个微型电场传感器，α和E_π能够通过测试确定，即可由标定而得出。K则依赖于信号通路中光路和电子线路的损耗，会随时间有所变化，因此系统应对它不断进行动态的跟踪，监测。微型电场传感器残留的相位偏置

也应该被经常地监测。

当被测的量主要是由(11)式所表示的正弦交变信号，则K值可以用(9)，(11)两式求出：分别测出信号a，和b的交变部分的绝对值，就可从下式求出K值：

$K=\frac{\left|a_{\mathrm{AC}}\right|}{\left|b_{\mathrm{AC}}\right|}=\frac{K_a}{K_b}$

随后残留的相位偏置

可以用(10)和(14)式求得：

上式对时间的平均值为零，所以有：

由于K以及

值的任何变化都能够由光学电压互感器系统动态地跟踪、监测和调节而被精确的测定，这就使在用(14)，(15)式计算电场时，由于各种干扰所致K以及

值的任何变化不会对所测电压值造成有影响的误差。

利用光学微型电场传感器输出并通过此信号处理方法得到的电场值，可以在高压环境中遍及相当宽的温度范围而且存在光源强度变化及振动等各种干扰时，对光学微型电场传感器所在处电场进行可靠而且精确的测量。

由以上得到的电场值，经下述高斯数值积分方法计算可得到待测电压值。

a，b，两点间的电压可以从两点间电场计算出：

$V_{\mathrm{ba}}=-{\∫}_{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ab}}}\stackrel{\→}{E}\·\stackrel{\→}{d}l---\left(1\right)$

这里Γ_ab是空间中从a到b的任意路径。

利用笛卡尔坐标系，取路径Γ_ab沿着最短路径即直线，则上式可以写为：

$V_{\mathrm{ba}}=-{\∫}_a^b{E}_z\left(z\right)\mathrm{dz}---\left(2\right)$

其中a，b在沿着z轴上取，E_z(z)是在z点处电场沿z轴的分量，是坐标z的函数。

电压可以利用有限个电场取样值来对线积分(2)作有限个加权求和来近似：

$V=-{\∫}_a^b{E}_z\left(z\right)\mathrm{dz}=-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{E}_z\left(z_i\right)---\left(3\right)$

这里：

E_z(z_i)在绝缘段两端电极间中轴线上，即z轴上z_i点处的电场沿z轴的分量，

α_i  z_i点处微型电场传感器测出的电场值E_z(z_i)所对应的权重，

z_i   微型电场传感器在绝缘段两端电极间中轴线上，即z轴上的位置坐标，

n对绝缘段两个电极间中轴线，即z轴上电场值的取样数目，也就是微型电场传感器数目；

对于n个光学微型电场传感器，存在2n个未知变量：n个位置变量，以及n个权重变量。理想情况下，这些变量的选定应该使得外界各类干扰造成的变化之和为最小。

这里原点是取在a点处，如图1所示。

被扰动系统定义为一个未经扰动的任意系统受到扰动而变化后的系统。

这些变化的例子包括：附近空间其他电压源的出现；以及介电质变得不均匀等。这样就产生被扰动后的电场E^p(x，y，z)，其沿z轴分量为

$E_z^p(\mathrm{0,0},z)=E_z^p\left(z\right)$

E_z ^p(z)可以用E_z ^up(z)的项表示出：

$E_z^p\left(z\right)=E_z^{\mathrm{up}}\left(z\right)\mathrm{\ρ}\left(z\right)---\left(4\right)$

这里的ρ(z)是当光学电压互感器系统从未扰动状态进入被扰动状态时所对应的变化量。这个算法要求E_z ^up(z)是已知量，最好就是未扰动系统中的E_z(z)。在实际情况中，借助于数值方法通过建立电场模型很容易得出E_z ^up(z)。

代(4)入(3)并对右边改动后得：

$V=-{\∫}_a^b{E}_z^{\mathrm{up}}\left(z\right)\mathrm{\ρ}\left(z\right)\mathrm{dz}=-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\mathrm{\ρ}\left(z_i\right)---\left(5\right)$

这里的积分以z轴上n个点处的变化量ρ(z)表示出，其中：

$w_i={\mathrm{\α}}_i{E}_z^{\mathrm{up}}\left(z_i\right)---\left(6\right)$

存在着一个简单的方法去求出(5)式中w_i和z_i，这就是高斯数值积分算法。

取ρ(z)为升幂多项式，且让(5)式准确成立。

这里取样点位置坐标z_i和相应点的权重w_i是需要被确定的两个未知量。

这里m_k为k阶矩，它是上式所给出的积分，具有关系：

ρ(z)＝z^k，即为1，z，z²，z³...z^2n-1：

$m_k=-{\∫}_a^b{E}_z^{\mathrm{up}}\left(z\right)z^k\mathrm{dz}---\left(7\right)$

假设ρ(z)可以通过一个n阶多项式很好的近似，取ρ(z)为不高于2n-1阶的升幂多项式，则给出2n个方程：

m₀＝w₁+w₂+w₃...+w_n

m₁＝w₁z₁+w₂z₂+w₃z₃...+w_nz_n

$m_2=w_1{z}_1^2+w_2{z}_2^2+w_3{z}_3^2...+w_n{z}_n^2$

$m_{2n-1}=w_1{z}_1^{2n-1}+w_2{z}_2^{2n-1}+w_3{z}_3^{2n-1}...+w_n{z}_n^{2n-1}---\left(8\right)$

解这个非线性方程组的方法：

定义特征多项式：

$\mathrm{\π}\left(z\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(z-z_i)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k{z}^k---\left(9\right)$

注：π(z_i)＝0  若i＝1，2，...n

这里z_i就是特征多项式π(z)的零点，而C_k是这个多项式的系数。

对上边的方程组(8)中从上往下每个方程的两边，将第一个方程乘以C₀，第二个方程乘以C₁，...第n个方程乘以C_n。

取C_n＝1；然后将(8)式中所有方程相加求和而得：

$\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k{m}_k=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\mathrm{\π}\left(z_i\right)=0---\left(10\right)$

随后将(8)中各式每个系数下移，让下个方程两边同乘各个系数。

然后再重复这个求和过程：

$\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k{m}_{k+1}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{z}_i\mathrm{\π}\left(z_i\right)=0$

这个过程应重复n次，直到获得n个方程构成的线性方程组：

$\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k{m}_{k+l}=0$ l＝0，1，2，...n-1；    (11)

若：    |m_k+l|≠0

则利用C_n＝1，可以解出诸C_k值。

其中各m_k都可以从(7)式得到。所以上式中的各个C_k值能够全部解出。

既然全部系数C_k值都知道，则此特征多项式(9)就被唯一确定，并可以得到它的各个零点，因此它的根就可以解出。这就是微型电场传感器在绝缘管柱中轴线上的坐标值z_i，也就是待测电场取样处的位置。

当z_i的值都被求出后，既然在这n个独立的方程中仅含有n个未知数w_i，i＝1，2，...n，利用(8)式前n个方程就能够求得各个电场取样值对应的权重w_i。

从(6)式可以算出z_i点处微型电场传感器测出的电场值E_z(z_i)所直接对应的权重：

${\mathrm{\α}}_i=\frac{w_i}{E_z^{\mathrm{up}}\left(z_i\right)}$

求得z_i和α_i后，因为(4)中定义的表示实际外界各类干扰的因子ρ(z)总可以由一个阶数不高于2n-1阶的任意多项式足够精确地近似，所以(3)式中积分算法的精确度就可以足够高，就可以利用多个光学微型电场传感器测出的电场值作加权求和而得到待测电压V的精确值。

第二实施例，如图4b所示，和图4a所示第一实施例相比，第二实施例中的光学起偏器和光学四分之一波片由光纤在线器件构成，第二实施例其余部分的构造，以及具体实施过程与第一实施例相同。

第三实施例.如图4c所示，和图4a所示第一实施例相比，第三实施例中的光学起偏器和光学四分之一波片由光纤在线器件构成，且起偏器在高电压环境外，第三实施例其余部分的构造，以及具体实施过程与第一实施例相同。

第四实施例.如图4d所示，和图4a所示第一实施例相比，第四实施例中由光学起偏器给出的线偏振光先通过电光晶体，再由波片转换为圆偏光，第四实施例其余部分的构造，以及具体实施过程与第一实施例相同。

第五实施例.如图4e所示，和图4a所示第一实施例相比，第五实施例的特点是电光晶体中的光路为反射式：第五实施例中光学起偏器给出的线偏振入射光束通过电光晶体后，经处在电光晶体一端的光学棱镜，或用电光晶体的另一端构成的棱镜反射后再通过电光晶体，进入光学四分之一波片，第五实施例其余部分的构造，以及具体实施过程与第一实施例相同。

前五个实施例中，所述光学四分之一波片位于电光晶体入射端，然而，此光学四分之一波片也可以位于电光晶体出射端，可以取得相同的效果。

第六实施例.光学微型交直流电压传感器

b).待测的是直流电场

所述的光学电场传感单元至少由处于高电压环境中的保偏光纤或普通单模光纤，光学准直耦合器，光学起偏器，电光晶体Bi₄Ge₃O₁₂(简记为：BGO)，非偏振分光器，光学四分之一波片组，光学检偏器组所形成的光学微型电场传感器，以及处在控制室中的光源，保偏光纤或普通单模光纤，双折射相位调制器，光电探测器组，信号发生器结合构成；

光源发出的光通过用信号发生器提供的交变电压由双折射相位调制器周期性地改变光纤中所传播光的偏振态实现相位调制后，经光纤传输到光学准直耦合器组送进光学起偏器，后两者次序可交换，成为偏振光进入电光晶体BGO与光学四分之一波片，因线性电光效应而在两个正交偏振光分量之间产生正比于外加在BGO上待测电场的相位差，非偏振分光器与光学检偏器组和光学准直耦合器组分离并经光纤将这两个正交偏振光分量各自传到对应的光电探测器转换为电信号后，由数据处理单元算出待测电压精确值V；按照此方式构成的光学电场传感器可用于直流电场的测量，也可用于交流电场的测量。如图5所示。

对于一个待测的直流电场E，可以从光学微型交直流电压传感器组的输出信号计算出：

$E=\frac{E_{\mathrm{\π}}}{2\mathrm{\π}}\left\{{\mathrm{ctg}}^{-1}\right[\frac{\left|a_{m1H}\right|}{\left|a_{m2H}\right|}\frac{J_2\left({\mathrm{\φ}}_m\right)}{J_1\left({\mathrm{\φ}}_m\right)}]+{\mathrm{ctg}}^{-1}[\frac{\left|a_{m1H}\right|}{\left|a_{m2H}\right|}\frac{J_2\left({\mathrm{\φ}}_m\right)}{J_1\left({\mathrm{\φ}}_m\right)}\left]\right\}---\left(17\right)$

其中

E_π是BGO晶体的半波电压对应的半波电场.

φ_msinω_mt是由信号发生器给出并加在双折射相位调制器上的调制正弦信号生成的相位调制

φ_m是相位调制振幅；J₁(φ_m)，J₂(φ_m)分别是变量为φ_m的一阶，二阶贝塞尔函数

a是从光强信号S₁转化成的数字电子信号，a_m1H，a_m2H，分别是a的一次谐波和二次谐波。

b是从光强信号S₂转化成的数字电子信号，b_m1H，b_m2H，分别是b的一次谐波和二次谐波。

此方法中所求出的待测电场E的值与光源强度的波动无关。

通过动态监测控制残余光学相位偏置Δφ₀的值随外界影响的变化，光学微型交直流电场传感器系统可以通过下式监测残余光学相位偏置Δφ₀的值：

并数值补偿因Δφ₀受外界各类因素干扰而变化所导致的所测出直流电场的误差，以此方式精确的求出待测的直流电场值。

这个方法也可以用于从光学微型交直流电场传感器输出信号测量交流电场。

由以上得到的电场值，经与上述诸实施例相同的数值积分算法计算就可得到待测电压值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型，而并非限制本实用新型所描述的技术方案；因此尽管本说明书参照上述的各个实例，对本实用新型已进行了详细地说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或者等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (18)

1.一种分布式光学电压互感器，包括：

光学电场传感单元，所述光学电场传感单元包括光源，光纤，多个光学微型电场传感器和光电探测器，所述光学微型电场传感器包括电光晶体；

介电屏蔽绝缘单元；所述介电屏蔽绝缘单元包括由介电材料构成的电气绝缘段和分别位于电气绝缘段两端间隔距离为L的两个导体电极，待测电压加在所述两个导体电极上；

数据处理单元，用于接收光学电场传感单元输出的信号，并计算得出待测电压；

其中多个光学微型电场传感器将待测电压生成的电场转变成光学信号，经所述光电探测器转换输入数据处理单元，数据处理单元利用数值积分方法计算得出待测电压；

其特征在于：所述光学微型电场传感器中的电光晶体光轴与检测光束及待测电场方向平行，即电光晶体处于纵向方位。

2.根据权利要求1的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述电光晶体是Bi₄Ge₃O₁₂晶体。

3.根据权利要求1的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述多个光学微型电场传感器分布在所述电气绝缘段内部区域中轴线上，即z轴线上用高斯数值积分法给出的坐标处。

4.根据权利要求1的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述数据处理单元为依据下式

$V=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{E}_i$

计算得出待测电压的数据处理单元，其中：

n是≥1的整数，表示光学微型电场传感器的数目；

E_i是在距下端电极z_i距离处的第i个光学微型电场传感器所测出的电场值，

α_i是与第i个光学微型电场传感器所测出电场值相对应的权重因子，其中α_i，z_i的选择应该使得

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{i}d{E}_i$

成为极小值，其中dE_i是由于外界杂散电场等干扰而使在z_i处电场E_i产生的变化。

5.根据权利要求4的分布式光学电压互感器，其特征在于：其中数据处理单元是利用高斯数值积分法选择α_i，z_i以使得

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{dE}}_i$

成为极小值的数据处理单元。

6.根据权利要求1的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述多个光学微型电场传感器沿电场方向的长度总和与两电极间距L的比值小于2％。

7.根据权利要求1的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述电气绝缘段还包括中空绝缘管和置放于上述中空绝缘管内部的电阻型介电屏蔽管。

8.根据权利要求7的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述电阻型介电屏蔽管两端分别同两个电极邻接。

9.根据权利要求1的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述光学微型电场传感器还包括光学起偏器，光学准直耦合器，光学四分之一波片，偏振分光器。

10.根据权利要求1的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述光学微型电场传感器还包括光学在线起偏器，光学准直耦合器，光学在线四分之一波片，偏振分光器。

11.根据权利要求1的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述光学电场传感单元还包括光学起偏器，所述光学微型电场传感器还包括光学准直耦合器，光学四分之一波片，偏振分光器。

12.根据权利要求1的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述光学微型电场传感器还包括光学起偏器，光学准直耦合器，光学四分之一波片，偏振分光器，光学棱镜。

13.根据权利要求1的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述光学电场传感单元还包括光学起偏器，所述微型电场传感器还包括光学准直耦合器，光学四分之一波片，偏振分光器，光学棱镜。

14.根据权利要求12或13的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述光学棱镜由电光晶体的一端形成。

15.根据权利要求1的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述光学电场传感单元还包括光学起偏器，双折射相位调制器，信号发生器，所述光学微型电场传感器还包括光学四分之一波片，非偏振分光器，光学准直耦合器，检偏器。

16.根据权利要求1的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述光学电场传感单元还包括双折射相位调制器，信号发生器，所述光学微型电场传感器还包括光学起偏器，光学四分之一波片，非偏振分光器，光学准直耦合器，检偏器。

17.根据权利要求9的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述光学四分之一波片位于电光晶体入射端。

18.根据权利要求9的分布式光学电压互感器，其特征在于：所述光学四分之一波片位于电光晶体出射端。

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