交流或直流輸電系統(tǒng)及測量電壓的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及交流(AC)或直流(DC)輸電系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括第一電導(dǎo)體、第二電導(dǎo)體和它們之間的絕緣空間。所述系統(tǒng)進一步包括電場測量設(shè)備，所述電場測量設(shè)備包括安裝在光學(xué)延續(xù)中的下述部件：連接到光源的第一光纖、第一光學(xué)透鏡、圓形偏振濾光器、具有電光特性的晶體棒、線性偏振濾光器、第二光學(xué)透鏡、以及連接到光檢測單元的第二光纖。所述電場測量設(shè)備位于所述第一電導(dǎo)體附近，并限定了所述晶體棒和所述第一電導(dǎo)體之間的第一最小距離，以及所述晶體棒和所述第二電導(dǎo)體之間的第二最小距離。所述第二最小距離比所述第一最小距離至少大10倍。
【專利說明】交流或直流輸電系統(tǒng)及測量電壓的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及交流或直流輸電系統(tǒng)、測量電壓的方法以及校準電壓測量系統(tǒng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電力行業(yè)需要監(jiān)控輸電系統(tǒng)的狀況。基于該目的，僅使用光學(xué)技術(shù)來進行電流測量是已知的。在 申請人:自己的國際申請W0/2004/099798中描述了利用法拉第效應(yīng)的該光學(xué)電流傳感器的一個例子。在法拉第效應(yīng)電流傳感器中，在要被測量的電流產(chǎn)生的磁場的作用下，偏振入射光的偏振面進行旋轉(zhuǎn)。該法拉第效應(yīng)電流傳感器優(yōu)于普遍已知的羅氏線圈和類似的金屬電流傳感器，這是由于該法拉第效應(yīng)電流傳感器可完全由介電材料構(gòu)成，從而其可應(yīng)用于存在非常高的電場的地方。
[0003]使用光學(xué)傳感器來進行電壓測量也是已知的。這可通過利用普克爾斯效應(yīng)來實現(xiàn)，普克爾斯效應(yīng)是各向異性晶體中的光學(xué)效應(yīng)。在利用普克爾斯效應(yīng)的電壓傳感器中，如果對其施加電場，穿過晶體的入射光的偏振面就會進行旋轉(zhuǎn)。因此，該普克爾斯效應(yīng)電壓傳感器的主要原理類似于上面提到的法拉第效應(yīng)電流傳感器的原理，也就是說，在傳感器元件上產(chǎn)生的電場導(dǎo)致穿過傳感器的光的偏振發(fā)生小的變化。該變化是能夠被測量的，并且可通過該測量推導(dǎo)出電場強度。通過推導(dǎo)出的傳感器所在位置的電場強度，可確定導(dǎo)線上的電壓。
[0004]使用光學(xué)電壓傳感器具有很多優(yōu)點，第一個是簡單。光學(xué)電壓傳感器由很少的部件組成，因此，易于組裝。此外，測量的信號完全是光信號，從而所述測量不包括電噪聲。更進一步的，像現(xiàn)有的分壓器那樣，在要被測量的導(dǎo)體和地之間沒有電連接。這種電連接可能會導(dǎo)致諸如短路的問題。
[0005]光學(xué)電壓傳感器背后的 物理學(xué)原理是基于19世紀后期發(fā)現(xiàn)的普克爾斯效應(yīng)。由此其被用于多種已知的光學(xué)設(shè)備，例如，Q開關(guān)和啁啾脈沖放大。在下式的線性項中表示該效應(yīng):
I1..[0006]— =--rF — RE''
[0007]其中，E是電場，rurvr和R都是分別描述折射率、尋常折射率、線性和二次電光系數(shù)的張量。如果根據(jù)r張量(晶體)，正確的施加E，并且忽略二次項，η將會變成非對稱，從而引起雙折射。這意味著，基于與r張量有關(guān)的偏振方向，光具有不同的折射系數(shù)。
[0008]在已知的光學(xué)電壓傳感器中，顯示出普克爾斯效應(yīng)的晶體具有附著到它們的電極，并具有用于光通過的預(yù)定軌跡。上面的配置通常被稱為普克爾斯盒，并且該配置起到了電壓控制的波片的作用。該配置用于多種已公開的現(xiàn)有技術(shù)中。其中的一個例子包括P.P.Chavez，F(xiàn).Rahmatian 和 N.A.F.Jaeger 在 IEEE 上發(fā)表的題為“230kV Optical VoltageTransducer Using a Distributed Optical Electric Field Sensor System，，的文章。文中提出的傳感器系統(tǒng)使用位于線電壓和地之間的絕緣部中的普克爾斯效應(yīng)晶體。因此，全部的線電壓被施加到普克爾斯盒上，其至少用于中壓并且上述傳感器系統(tǒng)要求高的絕緣水平。
[0009]US6, 285, 182公開了一種不需要接地參考的電光電壓傳感器。然而,該電壓傳感器仍然需要在普克爾斯晶體的鄰近區(qū)域中設(shè)置金屬電極。EP0338542公開了一種類似的電光電壓傳感器，其使用了位于同一個殼體內(nèi)的普克爾斯傳感器和電容分壓器。因此，只能測量交流電壓。
[0010]更多的現(xiàn)有技術(shù)描述了用于測量高壓電線上的電壓的、位于絕緣部內(nèi)的普克爾斯盒電壓傳感器的使用，或者類似的技術(shù)，其中包括:US6，380，725，US5, 029, 273，US5,635，831，US6,388，434，US6,946，827，US6,411，077，JP10132864, W02009/138120,US4, 269，483，US6, 492，800，US7, 769，250，US7, 057，792，US6, 353，494，JP2005315815,JP03044563,W000/13033,EP0011110,US4253061,W098/13698,CA2, 289，736 和 GB1353543。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]使用上述傳統(tǒng)的普克爾斯盒配置的缺點是:金屬電極需要緊鄰附著到電壓傳感器的晶體。為了高壓或者中壓的目的，這需要大量的絕緣體，從而導(dǎo)致電壓傳感器非常大。此夕卜，由于金屬物體位于高電場內(nèi)，所以會有電壓傳感器內(nèi)的絕緣失敗及電介質(zhì)擊穿的危險。這種電介質(zhì)失效將導(dǎo)致電壓傳感器的立即失效，并可能導(dǎo)致電力傳輸系統(tǒng)的中斷。因此，具有沒有附著到晶體上的電極的電壓傳感器將會是有利的。因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于在除了導(dǎo)體本身外不包括任何金屬材料的情況下，測量導(dǎo)體的電壓的方法和系統(tǒng)。
[0012]通過下面的詳細描述，上述需要和上述目的以及許多其他的需要和目的都將會顯而易見，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提出了 一種通過AC (交流)或DC (直流)輸電系統(tǒng)，包括:第一電導(dǎo)體、第二電導(dǎo)體以及位于所述第一電導(dǎo)體和所述第二電導(dǎo)體之間的絕緣空間，所述輸電系統(tǒng)進一步包括電場測量設(shè)備，所述電場測量設(shè)備包括:
[0013]殼體，其由介電材料制造，并且所述殼體限定了第一開口端以及與所述第一開口端相對的第二開口端；
[0014]第一光纖，其連接到光源；
[0015]第一光學(xué)透鏡，其在所述第一光纖的光學(xué)延續(xù)中，在第一開口端安裝在所述殼體中；
[0016]圓形偏振濾光器，其在所述第一光學(xué)透鏡的光學(xué)延續(xù)中，安裝在所述殼體中；
[0017]晶體棒，其在所述圓形偏振濾光器的光學(xué)延續(xù)中，容納在所述殼體中并封裝于所述殼體內(nèi)，所述晶體棒由具有電光特性的材料制造；
[0018]線性偏振濾光器，其在所述晶體棒的光學(xué)延續(xù)中，安裝在所述殼體中；優(yōu)選地，其相對于晶體棒引入的光軸成45°的方向。
[0019]第二光學(xué)透鏡，其在所述線性偏振濾光器的光學(xué)延續(xù)中，在第二開口端安裝在所述殼體中；以及
[0020]第二光纖，其在所述第二光學(xué)透鏡的光學(xué)延續(xù)中，所述第二光纖連接到光檢測單元，所述電場測量設(shè)備位于所述絕緣空間內(nèi)的所述第一電導(dǎo)體附近，并且所述電場測量設(shè)備限定了所述晶體棒和所述第一電導(dǎo)體之間的第一最小距離、以及限定了所述晶體棒和所述第二電導(dǎo)體之間的第二最小距離，所述第二最小距離比所述第一最小距離至少大10倍，例如，100倍，優(yōu)選的為1000倍，更優(yōu)選的為10000倍，最優(yōu)選的為100000倍。
[0021]在本文中， 申請人:已驚奇的發(fā)現(xiàn)，即使接地參考遠離帶電導(dǎo)體，非?？拷鼘?dǎo)體處的電場強度仍然足夠在顯示出普克爾斯效應(yīng)的晶體中產(chǎn)生可測量的延遲。本系統(tǒng)相對于一些現(xiàn)有技術(shù)中的系統(tǒng)來說，具有可測量AC和DC 二者的額外的優(yōu)點。輸電系統(tǒng)的目標電流值的幅度一般為至少從幾安培到幾百或者幾千安培。
[0022]電場測量設(shè)備可構(gòu)成用于測量和第二電導(dǎo)體相關(guān)的第一電導(dǎo)體的電壓的電壓傳感器?？捎蓺怏w(例如，空氣)或者固體絕緣體(例如，由玻璃、陶瓷或者聚合物材料制造的絕緣體)來構(gòu)成所述第一電導(dǎo)體和第二電導(dǎo)體之間的絕緣空間。
[0023]電場測量設(shè)備的殼體一般由聚合材料(例如，塑料)制造。殼體優(yōu)選的是不透明的，以防止外部的任何環(huán)境光影響測量。光源一般由發(fā)光二極管或者激光器構(gòu)成，所述激光器通過第一光纖光學(xué)地連接到第一光學(xué)透鏡。光纖保證確保在光源和第一光學(xué)透鏡之間不會損失大量的光。以這種方式，光源可位于較遠的位置，即，將光源放置在維修人員容易接觸到的電壓測量模塊中。第一光學(xué)透鏡用于校準從朝向圓形偏振濾光器的第一光纖發(fā)出的全部入射光。圓形偏振濾光器在入射光進入到晶體棒之前，使入射光被圓形偏振。晶體棒具有顯示出普克爾斯效應(yīng)的電光屬性，以使得當晶體棒受到電場的作用時，入射光會經(jīng)歷延遲?；谌绾螌w進行切割以及入射光的方向，晶體可相對于由第一導(dǎo)體輻射的以及由電流生成的電場，朝向任何方向。然而，晶體的方向一般會平行于或者垂直于來自第一電導(dǎo)體的電場。晶體棒的長度一般在5mm和20mm之間。使用的材料可以是例如KD*P(DKDP，磷酸二氘鉀)。當光離開晶體棒，并且在施加電場的情況下，出射光已經(jīng)被延遲，這樣圓形偏振就變成橢圓偏振。最后的線性偏振濾光器一般與在晶體棒中引入的光軸呈45°，這意味著與橢圓的主軸平行或者垂直。離開線性偏振濾光器的光的幅度從而對應(yīng)于晶體棒所在位置處的電場強度。晶體棒所在位置處的電場強度的值可轉(zhuǎn)換成第一導(dǎo)體的電壓。因為當?shù)谝粚?dǎo)體接地時，線性偏振濾光器將允許50%的光通過，即，留在晶體棒中的光將仍然被圓形偏振，所以可將正電壓和負電壓辨別為光的增加或者減少。通過第二光學(xué)透鏡將留在線性偏振濾光器中的光由第二光學(xué)透鏡收集起來，并通過第二光纖將收集起來的光引導(dǎo)到光檢測單元，光檢測單元對留在光學(xué)電壓傳感器中的光的強度進行檢測。光源發(fā)射的光和光源檢測單元檢測的光之間的相對值對應(yīng)于第一導(dǎo)體的電壓。
[0024]應(yīng)當將電場測量設(shè)備的晶體棒放置在靠近第一導(dǎo)體的固定位置。應(yīng)當將電場測量設(shè)備放置在顯示出電場的位置，例如，電力線和地之間，并且不應(yīng)將電場測量設(shè)備封裝到第一導(dǎo)體內(nèi)、顯示出同樣的電勢的兩個導(dǎo)體之間或者金屬物體內(nèi)。為了電壓測量的高精度，晶體棒和第一導(dǎo)體之間的距離應(yīng)當盡可能的小。晶體棒和第二電導(dǎo)體之間的最小距離應(yīng)當超過晶體棒和第一電導(dǎo)體之間的距離至少10倍，優(yōu)選的為100倍或者更多。
[0025]根據(jù)第一方面的進一步的實施方式，所述第一電導(dǎo)體包括架空線或者電連接到架空線的金屬物體。既可以將傳感器放置在與相關(guān)的導(dǎo)體的電勢相同的金屬板附近，也可將傳感器放置在導(dǎo)體本身的上方。導(dǎo)體一般為架空線。
[0026]根據(jù)第一方面的進一步的實施方式，所述第二電導(dǎo)體包括與所述第一電導(dǎo)體絕緣的金屬物體。所述第二導(dǎo)體可例如為具有不同于所述第一導(dǎo)體的電壓、頻率或相位角的電力線。
[0027]根據(jù)第一方面的進一步的實施方式，所述第二電導(dǎo)體構(gòu)成地。進一步的，所述第二導(dǎo)體可構(gòu)成接地參考，例如，支撐一個或者多個電力線的金屬塔，或者架空線下方的地面。
[0028]根據(jù)第一方面的進一步的實施方式，所述輸電系統(tǒng)的所述第一電導(dǎo)體具有處于
0.1kV和IOOOkV之間的額定電壓，優(yōu)選的為IkV和500kV之間，更優(yōu)選的為5kV和IOOkV之間，最優(yōu)選的為IOkv和50kV之間。輸電系統(tǒng)旨在傳輸電壓至少為0.1kV及以上的電力。一般的AC和DC的輸電電壓范圍都在IkV和500kV之間。
[0029]根據(jù)第一方面的進一步的實施方式，當所述輸電系統(tǒng)工作在它的額定電壓時，所述晶體棒受到的有效電場強度為l*104V/m和1.2*108V/m之間，優(yōu)選的為l*105V/m和
1.2*107V/m之間。上述范圍限定了一般的電場強度，在所述電場強度內(nèi)，本電壓傳感器能夠提供精確的測量。
[0030]根據(jù)第一方面的進一步的實施方式，所述第一最小距離為0.1毫米到100毫米之間，優(yōu)選的為I毫米到10毫米之間。為了電壓測量的高精度，應(yīng)當將電壓傳感器放置的盡可能的靠近第一導(dǎo)體。其中，與更遠的位置相比，電場強度較高。
[0031]根據(jù)第一方面的進一步的實施方式，所述第二最小距離為0.1米到100米之間，優(yōu)選的為I米到10米之間。應(yīng)當將電壓傳感器放置的盡可能的遠離第二導(dǎo)體，以不影響電壓測量。如以上所解釋的，可通過另一個電力線、地或者接地的物體來構(gòu)成所述第二導(dǎo)體。
[0032]根據(jù)第一方面的進一步的實施方式，其中，通過所述晶體棒的光路的方向基本上平行于所述第一導(dǎo)體處的電場，或者可選的，其中，通過所述晶體棒的所述光路的方向基本上垂直于所述第一導(dǎo)體處的電場。通過使晶體棒的方向基本上垂直于電場，可將晶體棒放置地更加靠近導(dǎo)體。然而，通過使晶體棒的方向基本上平行于電場，可使用較小的、從而復(fù)雜度降低并且成本降低的晶體。
[0033]根據(jù)第一方面的進一步的實施方式，所述圓形偏振濾光器由四分之一波片和線性偏振器組成。在優(yōu)選的實施方式中，線性偏振器和四分之一波片均由單個薄板制造，以使光損失最小化?？蛇x的，所述線性偏振器和四分之一波片構(gòu)成兩個不同的部分。所述線性偏振器和四分之一波片的朝向應(yīng)該以下述方式設(shè)置:光首先進入所述線性偏振器，并隨后進入到所述四分之一波片。
[0034]根據(jù)第一方面的進一步的實施方式，優(yōu)選地由磷酸鉀制造的所述晶體棒顯示出普克爾斯效應(yīng)。因為當施加電場時，磷酸鉀顯示出高雙折射率，這是普克爾斯效應(yīng)的特征，因此，磷酸鉀是優(yōu)選的材料。
[0035]根據(jù)第一方面的進一步的實施方式，所述電場測量設(shè)備進一步包括:
[0036]第一密封裝置，用于對所述殼體的所述第一端進行密封，所述第一密封裝置具有用于容納所述第一光纖的孔；
[0037]第一固定裝置，用于將所述第一光纖固定到所述殼體；
[0038]第一容納部，其附著到所述第一光學(xué)透鏡，并適于容納所述第一固定裝置；
[0039]第二固定裝置，用于將所述第二光纖固定到所述殼體；
[0040]第二容納部，其附著到所述第二光學(xué)透鏡，并適于容納所述第二固定裝置；
[0041]第二密封裝置，用于對所述殼體的所述第二端進行密封，所述第二密封裝置具有容納所述第二光纖的孔，以及
[0042]第一和第二蓋子，其分別固定到所述殼體的所述第一和第二端，所述第一和第二蓋子包括用于分別容納所述第一和第二光纖的孔。通過使用用于固定所述光纖的固定裝置和附著到用于容納所述固定裝置的光學(xué)透鏡的容納部，當在電場中裝配光學(xué)電壓傳感器時，可將光纖放置到相對于光學(xué)透鏡的最佳位置，而無需使用高精度設(shè)備。以這種方式，基本上可避免光強度的損失。此外，所述密封裝置和蓋子防止?jié)駳膺M入到殼體，從而使得光學(xué)電壓傳感器不受天氣影響。
[0043]根據(jù)第一方面的進一步的實施方式，所述殼體由聚合材料制造，例如，塑料。優(yōu)選塑料，因為它耐用并可構(gòu)成不影響電場的介電材料。此外，可將塑料制成本質(zhì)上不透明的，以防止任何環(huán)境光進入到所述晶體棒，從而干擾測量結(jié)果。
[0044]通過下面的詳細描述，上述需要和上述目的以及許多其他的需要和目的都將會顯而易見，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提出了一種用于測量第一電導(dǎo)體的電壓的方法，所述第一電導(dǎo)體與第二電導(dǎo)體相關(guān)，通過絕緣空間將所述第一電導(dǎo)體和所述第二電導(dǎo)體隔開，所述方法包括提供一種電場測量設(shè)備，所述電場測量設(shè)備包括:
[0045]殼體，其由介電材料制造，并且所述殼體限定了第一開口端以及與所述第一開口端相對的第二開口端；
[0046]第一光纖，其連接到光源；
[0047]第一光學(xué)透鏡，其在所述第一光纖的光學(xué)延續(xù)中，在第一開口端安裝在所述殼體中；
[0048]圓形偏振濾光器，其在所述第一光學(xué)透鏡的光學(xué)延續(xù)中，安裝在所述殼體中；
[0049]晶體棒，其在所述圓形偏振濾光器的光學(xué)延續(xù)中，容納在所述殼體中并封裝于所述殼體內(nèi)，所述晶體棒由具有電光特性的材料制造以產(chǎn)生延遲；
[0050]線性偏振濾光器，其在所述晶體棒的光學(xué)延續(xù)中，安裝在所述殼體中；
[0051]第二光學(xué)透鏡，其在所述線性偏振濾光器的光學(xué)延續(xù)中，在第二開口端安裝在所述殼體中；
[0052]第二光纖，其在所述第二光學(xué)透鏡的光學(xué)延續(xù)中，所述第二光纖連接到光檢測單元，所述方法還包括以下步驟:
[0053]將所述電場測量設(shè)備放置在所述絕緣空間內(nèi)的所述第一電導(dǎo)體附近，以使得第一最小距離比第二最小距離至少大10倍，例如，100倍，優(yōu)選的為1000倍，更優(yōu)選的為10000倍，最優(yōu)選的為100000倍，所述第一最小距離限定為所述晶體棒和所述第一電導(dǎo)體之間的距離、所述第二最小距離限定為所述晶體棒和所述第二電導(dǎo)體之間的距離，以及
[0054]檢測光源發(fā)射的光和所述光檢測單元檢測的光之間的相對延遲。
[0055]通過下面的詳細描述，上述需要和上述目的以及許多其他的需要和目的都將會顯而易見，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提出了一種用于校準包括在輸電系統(tǒng)中的電場測量設(shè)備的方法，所述輸電系統(tǒng)包括具有已知電壓的第一電導(dǎo)體、具有另一個已知電壓的第二電導(dǎo)體以及所述第一電導(dǎo)體和所述第二電導(dǎo)體之間的絕緣空間，所述電場測量設(shè)備包括:
[0056]殼體，其由介電材料制造，并且所述殼體限定了第一開口端以及與所述第一開口端相對的第二開口端；
[0057]第一光纖，其連接到光源；
[0058]第一光學(xué)透鏡，其在所述第一光纖的光學(xué)延續(xù)中，在第一開口端安裝在所述殼體中；
[0059]圓形偏振濾光器，其在所述第一光學(xué)透鏡的光學(xué)延續(xù)中，安裝在所述殼體中；[0060]晶體棒，其在所述圓形偏振濾光器的光學(xué)延續(xù)中，容納在所述殼體中并封裝于所述殼體內(nèi)，所述晶體棒由具有電光特性的材料制造，用于產(chǎn)生延遲；
[0061]線性偏振濾光器，其在所述晶體棒的光學(xué)延續(xù)中，安裝在所述殼體中；
[0062]第二光學(xué)透鏡，其在所述線性偏振濾光器的光學(xué)延續(xù)中，在第二開口端安裝在所述殼體中；以及
[0063]第二光纖，其在所述第二光學(xué)透鏡的光學(xué)延續(xù)中，所述第二光纖連接到光檢測單元，所述電場測量設(shè)備位于所述絕緣空間內(nèi)的所述第一電導(dǎo)體附近，并且所述電場測量設(shè)備限定了所述晶體棒和所述第一電導(dǎo)體之間的第一最小距離、以及限定了所述晶體棒和所述第二電導(dǎo)體之間的第二最小距離，所述第二最小距離比所述第一最小距離至少大10倍，例如，100倍，優(yōu)選的為1000倍，更優(yōu)選的為10000倍，最優(yōu)選的為100000倍；
[0064]所述方法包括以下步驟:
[0065]檢測光源發(fā)射的光和所述光檢測單元檢測的光之間的相對延遲，以及
[0066]基于所述相對延遲和所述已知電壓，計算校準常數(shù)。
[0067]通過以上顯而易見的是，根據(jù)第二和/或第三方面的方法可與根據(jù)第一方面的系統(tǒng)組合使用。
[0068]在優(yōu)選的實施方式中,所述絕緣空間構(gòu)成氣體絕緣空間,例如,充滿N2、SF6或者優(yōu)選的大氣氣體的空間。通常，所述第一電導(dǎo)體構(gòu)成架空線，并且所述絕緣空間將會因此構(gòu)成大氣氣體。所述電場測量設(shè)備從而可位于靠近所述第一電導(dǎo)體的地方，而無需損害所述絕緣空間的所述電絕緣特性?？梢栽O(shè)想，其他氣態(tài)物質(zhì)也可用于絕緣空間，例如，N2、或者絕緣氣體SF6。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0069]圖1不出了電場測量設(shè)備的工作原理；
[0070]圖2示出了電壓傳感器相對于電力線的可能位置；
[0071]圖3示出了電力線和電壓傳感器的支架；
[0072]圖4示出了高壓塔和電壓傳感器；
[0073]圖5示出了可選的支架和絕緣子；
[0074]圖6示出了可選的電壓傳感器；
[0075]圖7示出了概念試驗的第一證明的結(jié)果；
[0076]圖8示出了概念試驗的第二證明的結(jié)果；以及
[0077]圖9示出了概念試驗的第三(實線)和第四(虛線)證明的結(jié)果。
【具體實施方式】
[0078]圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)成電壓傳感器10的電場測量設(shè)備的第一個實施方式的橫斷面視圖。電壓傳感器10的主要原理是普克爾斯技術(shù)。電壓傳感器10基本上是與施加的電場成比例的延遲的相位延遲器。電壓傳感器10的工作原理如下:光源12(例如，激光器或者發(fā)光二極管)產(chǎn)生的光被引導(dǎo)通過第一光纖14,進入到傳感器殼體16。傳感器殼體16包括塑料外殼，其中，第一光纖14進入到殼體16的一端，并且第二光纖18從殼體16的對端離開。第二光纖18連接到光電檢測器20,該光電檢測器20包括如光電二極管。光纖14、18 二者均耦合到各自的透鏡22、24，所述透鏡22、24對通過殼體16的中心的光進行校準。在殼體16中,第一透鏡22對輸入的光進行聚焦，以使輸入的光通過電壓傳感器10內(nèi)部的元件。光路被定義為沿著ζ軸。傳感器的所有光學(xué)部件被放置為與光路垂直(因此，在XY平面中)。殼體16的內(nèi)部由三個部件組成:構(gòu)成圓偏振器26的薄板、電光晶體28和線偏振器30。圓偏振器26依次由線偏振器和四分之一波片組成。光通過所有的部件，也就是說，所有部件被放置在光學(xué)延續(xù)中。圓偏振器26從薄板中切出，并且其必須被放置在傳感器中，從而使得光首先進入到線性偏振器，隨后進入到四分之一波片。圓偏振器26使得輸入的光被圓偏振。通過圓偏振器26后,光通過電光晶體28,所述電光晶體28例如由KD*P(DKDP，磷酸二氘鉀)制成，其中，電場引入的光軸被配置在XY平面。當受到電場的作用時，電光晶體28引起偏振的改變,使得輸入的圓形偏振光改變?yōu)闄E圓形偏振光。最終，光通過線性與電光晶體28引入的光軸呈45°角的偏振濾光器30。線性偏振濾光器30將基于入射光的偏振的橢圓率，允許或多或少的光通過，該橢圓率又反過來依賴于施加到電光晶體28的電場強度。
[0079]圖1B示出了描述通過圖1A的電壓傳感器10的圓偏振器26的線偏振器之后的光的偏振曲線圖。來自光源的未偏振的光進入到電壓傳感器10的圓偏振器26的線偏振器，其中，線偏振器使光以與X軸呈45°角的角度線性偏振。
[0080]圖1C示出了描述通過圖1A的電壓傳感器10的圓偏振器26的四分之一波片之后的光的偏振曲線圖。四分之一波片引入了沿著X軸的光的電場元件和沿著y軸的光的電場元件之間的90°的相移，從而使光進行圓形偏振。
[0081]圖1D示出了 2個曲線圖，其分別描述了通過電光晶體28后的光的偏振，已對該2個曲線圖進行了剪裁，以使得當對晶體28施加電場時，引入的光軸在xy平面中。當圓形偏振的光進入到晶體28并且對該晶體28施加電場時，平行或者垂直于引入的光軸的光的電場元件之間的相移將會基于施加的電場的方向，如圖1D所示的那樣稍微增加，或者如圖1E所示的那樣稍微減少。因此，輸入光的圓形偏振會從以實線表示的圓形壓縮到以虛線表示的橢圓形，基于施加的電場的方向，該橢圓朝向光軸的45°或者-45°方向。施加的電場越強，產(chǎn)生的橢圓就會更大。
[0082]晶體相對于圓形偏振器26的方位角旋轉(zhuǎn)是無關(guān)緊要的，這是因為所產(chǎn)生的光的偏振是方位角對稱的圓形。實際上，圓形偏振器是90°的相位延遲器。電光晶體，優(yōu)選的KD*P晶體，是有朝向的，以使得平行地施加到光路的電場引入垂直于光路的光軸。這種現(xiàn)象稱為普克爾斯效應(yīng)。這將引起垂直和平行于該軸的線性偏振光之間的相位延遲:
[0083]
【權(quán)利要求】
1.一種交流(AC)或直流(DC)輸電系統(tǒng),包括:第一電導(dǎo)體、第二電導(dǎo)體以及位于所述第一電導(dǎo)體和所述第二電導(dǎo)體之間的絕緣空間，所述輸電系統(tǒng)進一步包括電場測量設(shè)備，所述電場測量設(shè)備包括: 殼體，其由介電材料制造，并且所述殼體定義了第一開口端以及與所述第一開口端相對的第二開口端； 第一光纖，其連接到光源； 第一光學(xué)透鏡，其在所述第一光纖的光學(xué)延續(xù)中并且在所述第一開口端安裝在所述殼體中； 圓形偏振濾光器，其在所述第一光學(xué)透鏡的光學(xué)延續(xù)中，安裝在所述殼體中； 晶體棒，其在所述圓形偏振濾光器的光學(xué)延續(xù)中，容納在所述殼體中并封裝于所述殼體內(nèi)，所述晶體棒由具有電光特性的材料制造； 線性偏振濾光器，其在所述晶體棒的光學(xué)延續(xù)中，安裝在所述殼體中； 第二光學(xué)透鏡，其在所述線性偏振濾光器的光學(xué)延續(xù)中，在所述第二開口端安裝在所述殼體中；以及 第二光纖，其在所述第二光學(xué)透鏡的光學(xué)延續(xù)中，所述第二光纖連接到光檢測單元，所述電場測量設(shè)備位于所述絕緣 空間內(nèi)的所述第一電導(dǎo)體附近，并且所述電場測量設(shè)備限定了所述晶體棒和所述第一電導(dǎo)體之間的第一最小距離、以及限定了所述晶體棒和所述第二電導(dǎo)體之間的第二最小距離，所述第二最小距離比所述第一最小距離至少大10倍，例如100倍，優(yōu)選的為1000倍，更 優(yōu)選的為10000倍，最優(yōu)選的為100000倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸電系統(tǒng)，其中，所述第一電導(dǎo)體包括架空線或者電連接到架空線的金屬物體。
3.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的輸電系統(tǒng)，其中，所述第二電導(dǎo)體包括與所述第一電導(dǎo)體絕緣的金屬物體。
4.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的輸電系統(tǒng)，其中，所述第二電導(dǎo)體構(gòu)成地。
5.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的輸電系統(tǒng)，其中，所述輸電系統(tǒng)的所述第一電導(dǎo)體具有處于0.1kV和IOOOkV之間的額定電壓，優(yōu)選的為IkV和500kV之間，更優(yōu)選的為5kV和IOOkV之間，最優(yōu)選的為IOkV和50kV之間。
6.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的輸電系統(tǒng)，其中，當所述輸電系統(tǒng)工作在它的額定電壓時，所述晶體棒受到的有效電場強度為l*104V/m和1.2*108V/m之間，優(yōu)選的為1*105V/m 和 1.2*107V/m 之間。
7.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的輸電系統(tǒng)，其中，所述第一最小距離為0.1毫米到100毫米之間，優(yōu)選的為I毫米到10毫米之間。
8.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的輸電系統(tǒng)，其中，所述第二最小距離為0.1米到100米之間，優(yōu)選的為I米到10米之間。
9.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的輸電系統(tǒng)，其中，通過所述晶體棒的光路的方向基本上平行于所述第一導(dǎo)體處的電場，或者可選的，其中，通過所述晶體棒的所述光路的方向基本上垂直于所述第一導(dǎo)體處的電場。
10.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的輸電系統(tǒng)，其中，所述圓形偏振濾光器由四分之一波片和線性偏振器組成。
11.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的輸電系統(tǒng)，其中，所述晶體棒顯示出普克爾斯效應(yīng)，所述晶體棒優(yōu)選的由磷酸鉀制造。
12.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的輸電系統(tǒng)，其中，所述電場測量設(shè)備進一步包括: 第一密封裝置，用于對所述殼體的所述第一端進行密封，所述第一密封裝置具有用于容納所述第一光纖的孔； 第一固定裝置，用于將所述第一光纖固定到所述殼體； 第一容納部，其附著到所述第一光學(xué)透鏡，并適于容納所述第一固定裝置； 第二固定裝置，用于將所述第二光纖固定到所述殼體； 第二容納部，其附著到所述第二光學(xué)透鏡，并適于容納所述第二固定裝置； 第二密封裝置，用于對所述殼體的所述第二端進行密封，所述第二密封裝置具有容納所述第二光纖的孔，以及 第一和第二蓋子，其分別固定到所述殼體的所述第一和第二端，所述第一和第二蓋子包括用于分別容納所述第一和第二光纖的孔。
13.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的輸電系統(tǒng)，其中，所述殼體由聚合材料制造，例如，塑料。
14.一種用于測量第一電導(dǎo)體的電壓的方法,所述第一電導(dǎo)體與第二電導(dǎo)體相關(guān)，通過絕緣空間將所述第一電導(dǎo)體和所述第二電導(dǎo)體隔開，所述方法包括提供一種電場測量設(shè)備，所述電場測量設(shè)備包括: 殼體，其由介電材料制造，并且所述殼體限定了第一開口端以及與所述第一開口端相對的第二開口端； 第一光纖，其連接到光源； 第一光學(xué)透鏡，其在所述第一光纖的光學(xué)延續(xù)中并且在第一開口端安裝在所述殼體中； 圓形偏振濾光器，其在所述第一光學(xué)透鏡的光學(xué)延續(xù)中，安裝在所述殼體中； 晶體棒，其在所述圓形偏振濾光器的光學(xué)延續(xù)中，容納在所述殼體中并封裝于所述殼體內(nèi)，所述晶體棒由具有電光特性的材料制造； 線性偏振濾光器，其在所述晶體棒的光學(xué)延續(xù)中，安裝在所述殼體中； 第二光學(xué)透鏡，其在所述線性偏振濾光器的光學(xué)延續(xù)中，在第二開口端安裝在所述殼體中； 第二光纖，其在所述第二光學(xué)透鏡的光學(xué)延續(xù)中，所述第二光纖連接到光檢測單元， 所述方法還包括以下步驟: 將所述電場測量設(shè)備放置在所述絕緣空間內(nèi)的所述第一電導(dǎo)體附近，以使得第一最小距離比第二最小距離至少大10倍，例如，100倍，優(yōu)選的為1000倍，更優(yōu)選的為10000倍，最優(yōu)選的為100000倍，所述第一最小距離定義為所述晶體棒和所述第一電導(dǎo)體之間的距離、所述第二最小距離定義為所述晶體棒和所述第二電導(dǎo)體之間的距離，以及檢測所述光源發(fā)射的光和所述光檢測單元檢測的光之間的相對延遲。
15.—種用于校準包括在輸電系統(tǒng)中的電場測量設(shè)備的方法,所述輸電系統(tǒng)包括具有已知電壓的第一電導(dǎo)體、具有另一個已知電壓的第二電導(dǎo)體以及所述第一電導(dǎo)體和所述第二電導(dǎo)體之間的絕緣空間，所述電場測量設(shè)備包括:殼體，其由介電材料制造，并且所述殼體限定了第一開口端以及與所述第一開口端相對的第二開口端； 第一光纖，其連接到光源； 第一光學(xué)透鏡，其在所述第一光纖的光學(xué)延續(xù)中，在所述第一開口端安裝在所述殼體中； 圓形偏振濾光器，其在所述第一光學(xué)透鏡的光學(xué)延續(xù)中，安裝在所述殼體中； 晶體棒，其在所述圓形偏振濾光器的光學(xué)延續(xù)中，容納在所述殼體中并封裝于所述殼體內(nèi)，所述晶體棒由具有電光特性的材料制造； 線性偏振濾光器，其在所述晶體棒的光學(xué)延續(xù)中，安裝在所述殼體中； 第二光學(xué)透鏡，其在所述線性偏振濾光器的光學(xué)延續(xù)中，在所述第二開口端安裝在所述殼體中； 第二光纖，其在所述第二光學(xué)透鏡的光學(xué)延續(xù)中，所述第二光纖連接到光檢測單元，所述電場測量設(shè)備位于所述絕緣空間內(nèi)的所述第一電導(dǎo)體附近，并且所述電場測量設(shè)備限定了所述晶體棒和所述第一電導(dǎo)體之間的第一最小距離、以及限定了所述晶體棒和所述第二電導(dǎo)體之間的第二最小距離，所述第二最小距離比所述第一最小距離至少大10倍，例如，100倍，優(yōu)選的為1000倍，更優(yōu)選的為10000倍，最優(yōu)選的為100000倍； 所述方法包括以下步驟: 檢測光源發(fā)射的光和所述光檢測單元檢測的光之間的相對延遲，以及 基于所述相對轉(zhuǎn)動和所述已知電壓，計算校準常數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任意一項所述的輸電系統(tǒng)，其中，所述絕緣空間構(gòu)成氣體絕緣空間，例如，充滿n2、SF6或者優(yōu)選的大氣氣體的空間。
【文檔編號】G01R15/24GK103477232SQ201280014019
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月21日
【發(fā)明者】P·葉斯帕森 申請人:保維森斯公司