鄭偉光

(廣東深圳供電局，深圳 518000)

1 引言

隨著世界電網(wǎng)水平的不斷發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)中的電壓互感器要求也日益提高。目前電力系統(tǒng)中廣泛使用的是電磁式電壓互感器和電容分壓式電壓互感器，這兩類電壓互感器在多年的運(yùn)行過程中也暴露出了一系列的缺點(diǎn)。鑒于目前使用的電力互感器的諸多缺點(diǎn)，人們一直在尋求一種安全可靠、理論完善、性能優(yōu)越的新方法來實(shí)現(xiàn)高電壓大電流的測(cè)量。為了簡(jiǎn)單地解決高低壓之間的絕緣問題，簡(jiǎn)化互感器的整體結(jié)構(gòu)和減小體積與成本，光學(xué)互感器是一種具有良好發(fā)展前景的解決方案。近年來，光纖技術(shù)、光電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，為光學(xué)互感器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2 光學(xué)互感器研究現(xiàn)狀

盡管早在發(fā)現(xiàn)法拉第(Faraday)效應(yīng)和泡克爾斯(Pockels)效應(yīng)不久后就有人提出用光學(xué)原理來測(cè)量高壓電壓和電流的想法，但由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，其研究?jī)H限于試驗(yàn)和設(shè)想階段。直到20世紀(jì)70年代，隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)、激光技術(shù)、光纖傳輸和傳感器技術(shù)的出現(xiàn)，光學(xué)互感器才進(jìn)入了實(shí)用化研究的時(shí)期。特別是從80年代后期開始，光學(xué)傳感技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究取得了突破性進(jìn)展。美國(guó)、日本、法國(guó)及前蘇聯(lián)等國(guó)先后研制出多臺(tái)實(shí)用性的光學(xué)電壓互感器(OVT)和光學(xué)電流互感器(OCT)樣機(jī)，并在實(shí)際高壓電站進(jìn)行了掛網(wǎng)試運(yùn)行。1988年11月，IEEE學(xué)會(huì)在美國(guó)新奧爾良召開的“光纖傳感器專題會(huì)議”上，來自世界各國(guó)的眾多專家學(xué)者報(bào)告了各自關(guān)于OVT和OCT的最新研究成果，標(biāo)志著光纖電力互感器將從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，開始進(jìn)入其發(fā)展時(shí)期。

近15年來，世界各國(guó)的大公司及高等院校，如瑞典的ABB公司、法國(guó)的GECALTHOM公司、加拿大的NxtPhase公司、日本的東電、住友公司、我國(guó)的上?；ジ衅鲝S、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、北方交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、燕山大學(xué)等都投入了大量的人力財(cái)力和物力從事OVT和OCT的研究和開發(fā)，并取得了大量階段性的成果，設(shè)計(jì)制作了各種不同原理、不同結(jié)構(gòu)的OVT和OCT推動(dòng)了光學(xué)互感器的實(shí)用化進(jìn)程。

2.1 國(guó)外光學(xué)互感器研究現(xiàn)狀

國(guó)外的OVT研究起步較早，依靠其雄厚的科研能力和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，在新型電力互感器領(lǐng)域的研究取得了諸多可喜成果。

1986年，日立公司研制出利用鍺酸鉍 BGO(Bi2GeO20)晶體Pockels效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器。采用電容分壓式結(jié)構(gòu)，測(cè)量電壓為70kV，在0～500kV的被測(cè)電壓范圍內(nèi)，比差為±0.2%，在－20℃ ～+60℃的溫度范圍內(nèi)，其誤差小于±1%，并在GIS系統(tǒng)中試運(yùn)行。次年，日本東電公司利用鈮酸鋰(LiNbO3)晶體作為敏感元件，研制出用于GIS系統(tǒng)中的300kV電壓互感器，其參數(shù)指標(biāo)同日立公司的成果接近。

1987年，美國(guó)在田納西州電管局所屬的Moccasin電站首次安裝了三相161kV全Faraday磁光型組合式光學(xué)電壓/電流互感器。日本的NGK公司則研制成功地壓組合式光學(xué)零序電壓/電流互感器。

1995年，法國(guó)的 GECALSTHOM公司在美國(guó)的Bonneville安裝了525kV的組合式光學(xué)電壓/電流互感器。同年，在加拿大魁北克安裝了345kV的分立式電流/電壓互感器。其后，又陸續(xù)在荷蘭、比利時(shí)、法國(guó)等國(guó)的變電站掛網(wǎng)試運(yùn)行。

1997年，瑞典ABB公司推出了額定電流2000A的115～550kV的組合式光學(xué)電壓/電流互感器。其電流的測(cè)量采用基于Faraday磁光效應(yīng)的塊狀玻璃光學(xué)電流傳感器，電壓測(cè)量采用基于Pockels縱向電光效應(yīng)的光學(xué)電壓傳感器(其原理如圖1所示)，該公司還研制出有源型數(shù)字OCT和OVT，已經(jīng)有了很多掛網(wǎng)試運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)。

圖1 基于Pockels效應(yīng)的電壓測(cè)量系統(tǒng)

2000年，美國(guó)Nxtphase公司在哥倫比亞安裝了額定電壓為230kV的新型OVT和OCT，其電壓測(cè)量采用三個(gè)分布式電場(chǎng)傳感器經(jīng)過信號(hào)處理后實(shí)現(xiàn)，電流測(cè)量采用類似光纖陀螺的Sagnac效應(yīng)原理。電壓測(cè)量實(shí)現(xiàn)了在0.5% ～120%額定電壓范圍內(nèi)±0.2的精度，已經(jīng)滿足了IEC60044－7中對(duì)OVT的精度要求。

2003年，ABB公司的研究人員利用模間干涉和白光干涉技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了額定電壓為170kV的氣體絕緣型電壓傳感器，當(dāng)被測(cè)電壓為1kV以上時(shí)具有±0.2%的測(cè)量精度。

綜合以上的研究現(xiàn)狀可以看到國(guó)外在OVT的研究方面起步早、投入大，無論在傳感原理和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)上都處于領(lǐng)先地位，ABB和NxtPhase等大公司已經(jīng)推出了具備實(shí)用化水平的樣機(jī)，這對(duì)我國(guó)OVT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

2.2 國(guó)內(nèi)光學(xué)互感器的研究現(xiàn)狀

我國(guó)的OVT的研究始于上世紀(jì)80年代，先后有清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、大連理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華北電力大學(xué)、燕山大學(xué)等高校做了大量的理論和實(shí)際研究工作。國(guó)內(nèi)一些大型的電力生產(chǎn)部門，如南瑞集團(tuán)、北京電科院、上海互感器廠、沈變互感器廠、保定天威保變集團(tuán)等，憑借多年生產(chǎn)互感器的經(jīng)驗(yàn)，利用他們的設(shè)備和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，紛紛開展了獨(dú)立研究或同高校合作方式的新型電力互感器的研究。

1989年，沈陽(yáng)互感器廠研制的電子式電流互感器在四平掛網(wǎng)試運(yùn)行，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)光學(xué)互感器首次掛網(wǎng)運(yùn)行的記錄。

1991年，由清華大學(xué)和北京電科院聯(lián)合研制的110kVOCT通過國(guó)家鑒定并掛網(wǎng)試運(yùn)行。不僅如此，清華大學(xué)在廖延彪、羅承沐等教授的主持下，對(duì)Pockels晶體材料的熱應(yīng)力效應(yīng)、傳感頭的組裝工藝、補(bǔ)償技術(shù)和接口技術(shù)等也進(jìn)行了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究，推動(dòng)了基于Pockels效應(yīng)原理的光學(xué)電壓互感器研究。

1993年，華中科技大學(xué)電力系在葉妙元、李開成等教授主持下，與廣東省新會(huì)電力局合作研制出單項(xiàng)110kVOVT和OCT樣機(jī)，并于同年在新會(huì)電力局掛網(wǎng)試運(yùn)行。隨后，在1998年，華中科技大學(xué)基于電容分壓式的110kVOVT在廣東三江變電站掛網(wǎng)試運(yùn)行，并在國(guó)內(nèi)率先開展了組合式OVT/OCT的研究工作。近年來，西安交通大學(xué)和上海大學(xué)都對(duì)基于塊狀玻璃的Pockels效應(yīng)原理的光學(xué)電壓傳感器探頭的電場(chǎng)進(jìn)行了分析計(jì)算，研究了互感器內(nèi)部電場(chǎng)分布對(duì)測(cè)量精度的影響。

2005年，華中科技大學(xué)在劉延冰等教授的主持下，采用縱向Pockels效應(yīng)制作光學(xué)電壓互感器，并對(duì)雙光路輸出的縱向Pockels器件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該縱向Pockels器件在200～600V范圍內(nèi)的測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.2%與精密分壓器配合使用，可用做高壓下的電壓互感器。

3 光學(xué)互感器的優(yōu)點(diǎn)

光學(xué)互感器乃是利用光電子技術(shù)和光纖傳感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓測(cè)量的新型互感器，是信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、新材料技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種有別于傳統(tǒng)互感器的新型電力設(shè)備，是一種光、機(jī)、電相結(jié)合的高科技產(chǎn)品。與常規(guī)的電磁式和電容分壓式電壓互感器相比，光學(xué)互感器具有諸多優(yōu)點(diǎn)［1，2］。

3.1 高低壓完全隔離，安全性高

光學(xué)互感器是將高壓側(cè)信號(hào)通過光纖傳輸?shù)降蛪簜?cè)的二次設(shè)備，這使得其絕緣結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，尤其是隨著電壓等級(jí)的提高，其性價(jià)比優(yōu)勢(shì)更加明顯。光學(xué)互感器徹底實(shí)現(xiàn)了高低壓間的電氣隔離，不存在電壓互感器二次回路短路給設(shè)備和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。氣體絕緣傳輸線(GIL)中光學(xué)傳感器的布置如圖2所示。

圖2 氣體絕緣傳輸線(GIL)中光學(xué)傳感器的布置

3.2 無鐵芯，不存在磁飽和和鐵磁諧振

由于光電互感器在原理上與傳統(tǒng)互感器有著本質(zhì)區(qū)別，一般不需要鐵芯做磁耦合，因此消除了磁飽和及鐵磁諧振現(xiàn)象，而使互感器運(yùn)行暫態(tài)響應(yīng)好，穩(wěn)定性好，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性。

3.3 功能齊全、測(cè)量精度高

光學(xué)互感器能同時(shí)用于電壓的測(cè)量和保護(hù)兩種功能，不必使用多個(gè)不同用途的測(cè)量結(jié)構(gòu)就可以同時(shí)滿足計(jì)量和繼電保護(hù)的需要，并且可以將電流和電壓的測(cè)量組合到一起構(gòu)成組合式光學(xué)互感器，這對(duì)于傳統(tǒng)互感器而言是不可能的。

3.4 頻率響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)范圍大

光學(xué)互感器的傳感頭部分的頻率響應(yīng)取決于光纖在傳感頭上的渡越時(shí)間，實(shí)際能測(cè)量的頻率范圍主要決定于電子線路部分，這使得光學(xué)互感器能夠滿足測(cè)量高壓電力線路上的諧波和脈沖暫態(tài)電壓。

3.5 無易燃、易爆等危險(xiǎn)

光學(xué)互感器的絕緣結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般無需采用油作為絕緣介質(zhì)，沒有潛在的引起火災(zāi)、爆炸的危險(xiǎn)。

3.6 體積小、重量輕

因?yàn)闊o需鐵芯及絕緣油，光學(xué)互感器的重量一般只有常規(guī)電磁式PT重量的十分之一，且體積小、運(yùn)輸安裝方便。

3.7 無污染、無噪聲

具有優(yōu)越的環(huán)保性能由于光學(xué)互感器中信號(hào)是通過光來傳輸?shù)?，因此不?huì)產(chǎn)生噪聲、電磁波等污染源。同時(shí)，可以采用硅橡膠絕緣子和SF6氣體等作為絕緣介質(zhì)，替代傳統(tǒng)的瓷套絕緣子和絕緣油，甚至可以做成無氣無油的光學(xué)互感器，這樣可以大大降低這些配套設(shè)備生產(chǎn)過程中帶來的環(huán)境污染，具有優(yōu)越的環(huán)保性能。

3.8 適應(yīng)了電力系統(tǒng)智能化的需要

光學(xué)互感器可以根據(jù)需要輸出低壓模擬量和數(shù)字量，可以直接用于微機(jī)保護(hù)和電子式計(jì)量設(shè)備，在變電站綜合自動(dòng)化中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

4 光學(xué)互感器存在的問題

光學(xué)互感器廣闊的發(fā)展前景吸引了國(guó)內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)和高等院校投入精力進(jìn)行研究，經(jīng)過多年的發(fā)展，在光學(xué)互感器的研究方面已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。但是，目前仍然沒有實(shí)現(xiàn)廣泛的工業(yè)應(yīng)用，究其原因主要是光學(xué)互感器還存在以下問題［3，4］:

(1)溫度穩(wěn)定性和長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性是當(dāng)前光學(xué)互感器在實(shí)際運(yùn)行中遇到的最大困難，也是最難以解決的問題。

(2)光學(xué)互感器中采用的激光二極管LD(Laser-Diode)發(fā)光功率和中心波長(zhǎng)都會(huì)受到環(huán)境的影響而變化，導(dǎo)致總的雙折射相位延遲發(fā)生變化，帶來測(cè)量信號(hào)的不準(zhǔn)確。

(3)傳輸光纖在受到如震動(dòng)、連接器及光纖和光纖、光纖和光源的耦合變化等造成光纖內(nèi)傳輸能量的轉(zhuǎn)換等，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(4)為了實(shí)現(xiàn)可靠的絕緣，光學(xué)互感器往往是置于一定氣壓的絕緣氣體(如SF6)中，氣體氣壓變化會(huì)對(duì)光學(xué)晶體產(chǎn)生氣壓雙折射，為測(cè)量結(jié)果帶來影響。

(5)光學(xué)系統(tǒng)中的光電探測(cè)器的響應(yīng)線性度以及長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性也為光學(xué)互感器引進(jìn)了額外的測(cè)量誤差。

(6)采用光學(xué)晶體的互感器，在系統(tǒng)組裝過程中偏振角度的對(duì)準(zhǔn)、連接粘膠的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和粘接的一致性等都會(huì)為光學(xué)互感器帶來測(cè)量誤差。

(7)光學(xué)互感器一般輸出都是驅(qū)動(dòng)能力較小的小功率模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，同現(xiàn)有的電力二次設(shè)備接口不統(tǒng)一，也是制約光學(xué)互感器廣泛使用的一個(gè)重要因素。

5 結(jié)論

(1)綜觀國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，國(guó)外在OVT的研究方面成果顯著，嘗試的原理和方案比較多，尤其是歐美國(guó)家憑借其多年的經(jīng)驗(yàn)積累和相關(guān)學(xué)科的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過多年的研究，OVT已經(jīng)趨于實(shí)用化。而我國(guó)近年來在高壓互感器(包括電壓互感器和電流互感器)的研究領(lǐng)域同國(guó)外相比一直處于落后狀態(tài)，目前對(duì)OVT還主要集中在Pockels效應(yīng)原理的方案上，缺乏其他方法的研究工作經(jīng)驗(yàn)，特別是在實(shí)用化發(fā)面的研究進(jìn)展緩慢。

(2)光學(xué)互感器相比傳統(tǒng)互感器具有很多明顯的優(yōu)點(diǎn)，但也不可避免的存在一些問題，在研究中應(yīng)設(shè)法解決。

(3)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力輸配電系統(tǒng)對(duì)光學(xué)互感器的要求也將日益迫切，這必將導(dǎo)致我國(guó)在光學(xué)電力互感器方面主要依靠進(jìn)口，對(duì)我們的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展是很不利的。所以進(jìn)一步研究光電互感器的新方法、新理論，并盡快實(shí)現(xiàn)實(shí)用化和產(chǎn)品化是一項(xiàng)非常有意義的研究課題。

［1］葉妙元.光電互感器(一)——21世紀(jì)電力系統(tǒng)電壓電流測(cè)量的基本設(shè)備［J］.廣東輸電與變電技術(shù)，2003(4):11－16.

［2］葉妙元.光電互感器(二)——21世紀(jì)電力系統(tǒng)電壓電流測(cè)量的基本設(shè)備［J］.廣東輸電與變電技術(shù)，2004(1):4－8.

［3］羅蘇南，葉妙元，徐雁.光纖電壓互感器穩(wěn)定性的分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，20(12):15 －19.

［4］李開成，葉妙元，詹瓊?cè)A，等.光纖電壓互感器中電光晶體對(duì)測(cè)量精度的影響［J］.光電工程，2000，27(4):67 －71.