殷培峰 張婧瑜

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)輸送電壓等級(jí)的不斷升高，傳輸?shù)碾娏θ萘吭絹?lái)越大，傳統(tǒng)的電壓互感器因自身不可克服的問(wèn)題，如隨著電壓等級(jí)的提高，絕緣處理越來(lái)越困難，爆炸的危險(xiǎn)性增加，易受電磁干擾;且體積大，安裝不便。更為突出的是，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是向計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、保護(hù)、控制、測(cè)量和通信一體化的方向發(fā)展，這些都要求互感器輸出數(shù)字化。光學(xué)電壓互感器就是將被測(cè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，光信號(hào)沿光通道傳輸，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換再變換為電信號(hào)，可提供模擬量或數(shù)字量輸出，以適應(yīng)電力系統(tǒng)微機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、保護(hù)和測(cè)量智能化的要求，并且體積小、重量輕、無(wú)爆炸危險(xiǎn)，是一種理想的、新型電壓互感器，因而被廣泛應(yīng)用。但由于受BGO晶體、光路結(jié)構(gòu)、傳感器結(jié)構(gòu)和環(huán)境溫度等的影響，使光學(xué)電壓互感器在使用中穩(wěn)定性下降，必須采取有效措施，提高其工作穩(wěn)定性，保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 影響光學(xué)電壓互感器工作穩(wěn)定性的因素

1.1 BGO晶體的雙折射

光學(xué)電壓互感器是由傳感元件和數(shù)據(jù)處理單元組成的互感器，用以測(cè)量和監(jiān)控電壓。采用(Bi4Ge3O12)晶體作為Pockels敏感元件，將被測(cè)電壓加在晶體上，測(cè)其入射晶體偏振光產(chǎn)生電光相位延遲(相位差)，可得被測(cè)電壓值［1］。由于BGO晶體在生產(chǎn)過(guò)程中，不可避免會(huì)含有一些雜質(zhì)，并且晶體在加工及退火過(guò)程中也會(huì)使其內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，晶體中的這些雜質(zhì)及殘余應(yīng)力會(huì)在晶體內(nèi)引起線(xiàn)性雙折射和圓雙折射(旋光性)，這些雙折射在晶體內(nèi)隨機(jī)分布且隨晶體的溫度而變，使得光學(xué)電壓互感器在使用過(guò)程中受溫度影響較大，穩(wěn)定性較差。

圖1 光的偏振干涉

如圖1所示，在光束進(jìn)入晶體之前，使其通過(guò)偏光板(偏振器)變成線(xiàn)偏振光，用偏振器把經(jīng)過(guò)晶體被調(diào)制的相互垂直偏振的兩束變成偏振相同的光，形成相干光束，產(chǎn)生干涉，相位調(diào)制光變成振幅調(diào)制光。在這一解調(diào)過(guò)程中，如圖2表示雙折射晶體中兩光束的偏振方向與偏光板、檢光板(檢偏器)的偏振軸的相互關(guān)系［2］。圖中x1和x2表示兩光束的互相垂直的偏振方向，P和A分別表示偏光板和檢偏器的偏振軸。設(shè)P與x1的夾角為φ，而P與A的夾角為α，入射到晶體內(nèi)的光是經(jīng)過(guò)起偏器起偏后的線(xiàn)偏振光，其振幅以線(xiàn)段表示，并令這樣入射光在r1和x2方向上的分量振幅分別為光通過(guò)晶體后產(chǎn)生相位差Δφ，因只有偏振方向平行于檢偏器的偏振軸A的光才能通過(guò)，故兩束光通過(guò)檢偏器后的振幅分別為:

圖2 雙折射晶體中光束的偏振方向與偏光板、檢光板的偏振軸的相互關(guān)系

由上所述，此兩光束的頻率相同.但有一定的相位差，且經(jīng)檢偏器后偏振相同。因此，它們是相干光束，并產(chǎn)生干涉，干涉強(qiáng)度為:

式中，I1和I2是這兩相干光束的強(qiáng)度，即:

這表明在起偏器與檢偏器的偏振軸互相垂直的情況下，偏振干涉的強(qiáng)度只與起偏器的偏振軸與光在晶體內(nèi)的偏振方向的夾角φ有關(guān)。因此，如果旋轉(zhuǎn)起偏器，使其偏振軸與晶體內(nèi)光的偏振方向成時(shí)，則sin2φ=1，可獲得最大的偏光干涉輸出

可見(jiàn)，檢偏器的輸出光強(qiáng)與雙折射晶體產(chǎn)生的相位差成正弦平方關(guān)系，若雙折射晶體產(chǎn)生的相位差以被測(cè)電壓來(lái)表示:Δφ=，式中，Vπ半波電壓，V是被測(cè)電壓(又稱(chēng)外加電壓)若V=Vmsin(ωt)，則:

由上述分析可知，要測(cè)定外加電壓，先要檢測(cè)雙折射晶體產(chǎn)生的相位差，但要對(duì)光的相位變化進(jìn)行精確的直接測(cè)量，以目前的技術(shù)條件是很困難的［3］。只能將光的相位變化轉(zhuǎn)化為光的強(qiáng)度調(diào)制，利用偏光干涉裝置把由雙折射引起的相位調(diào)制光變?yōu)閺?qiáng)度調(diào)制光。因此，BGO晶體的雙折射對(duì)光學(xué)電壓互感器穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。

1.2 光路結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器穩(wěn)定性的影響

光學(xué)電壓互感器的光路部分包括晶體、起偏器、1/4波片、檢偏器及自聚焦透鏡等光學(xué)器件，這些光學(xué)器件按確定的方位關(guān)系通過(guò)光學(xué)環(huán)氧膠黏結(jié)在一起。由于目前黏結(jié)工藝的不完善，光學(xué)器件間的相對(duì)方位會(huì)偏離理論值且隨環(huán)境溫度而變，從而使傳感器的靈敏度及穩(wěn)定性降低。

1.3 傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)穩(wěn)定性的影響

用橫向調(diào)制光學(xué)電壓互感器時(shí)，實(shí)際測(cè)量的是晶體中光路處的電場(chǎng)。光學(xué)電壓互感器中，被測(cè)高電壓通過(guò)固體介質(zhì)加到晶體上，固體介質(zhì)的熱脹冷縮必然會(huì)使晶體中光路處的電場(chǎng)發(fā)生波動(dòng)，從而使傳感器的穩(wěn)定性受到影響。

2 提高光學(xué)電壓互感器工作穩(wěn)定性的措施

2.1 選用優(yōu)質(zhì)的光學(xué)器件并改進(jìn)黏結(jié)工藝

由于BGO晶體內(nèi)的雙折射受環(huán)境溫度的影響較大，其影響與溫度的變化速率及變化過(guò)程有關(guān)，因此，對(duì)選用的光電晶體材料要求溫度效應(yīng)小、導(dǎo)熱性能好、光電系數(shù)大、半波電壓高、介質(zhì)損耗小、晶體的折射率大、容易獲得高光學(xué)質(zhì)量、大尺寸單晶、無(wú)自然雙折射和旋光性、并經(jīng)過(guò)三次提拉和退火處理的優(yōu)質(zhì)BGO晶體材料［4］，可有效地提高傳感器的穩(wěn)定性。

傳感器中光學(xué)器件間的方位角偏差會(huì)使其靈敏度降低，黏結(jié)傳感器時(shí)應(yīng)盡可能減小方位角偏差，并使膠層盡可能薄［5］。光學(xué)器件間的膠層越厚，方位角受環(huán)境溫度的影響越大，從而直接影響傳感器的穩(wěn)定性。

2.2 對(duì)LED及信號(hào)處理電路進(jìn)行溫度控制

信號(hào)處理電路是將傳感頭中被電場(chǎng)(電壓)調(diào)制過(guò)的光信號(hào)變換為被測(cè)電場(chǎng)(電壓)的大小，具有光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、顯示、量程切換等基本功能，有單光路交直流相除法和雙探測(cè)器補(bǔ)償法兩種方法。但單光路交直流相除法僅可用于交變電場(chǎng)的測(cè)量，且信號(hào)處理系統(tǒng)無(wú)法對(duì)溫度的影響進(jìn)行補(bǔ)償，因此，實(shí)際采用雙探測(cè)器補(bǔ)償法作信號(hào)處理。

如圖3所示，采用偏振分光鏡作檢測(cè)器，兩個(gè)光電探測(cè)器PIN探測(cè)的輸出光強(qiáng)分別為:

式中，ω為電網(wǎng)的頻率;I0為輸入光強(qiáng);m⊥為垂直偏振器出來(lái)的垂直調(diào)制度;m∏為平行偏振器出來(lái)的平行調(diào)制度。

其中，Δφk是由第k種線(xiàn)性雙折射引起的相位差;δk是由第k種線(xiàn)性雙折射的慢軸方位角。為 Pockels線(xiàn)性電光效應(yīng)引起的調(diào)制度，Em為外加電場(chǎng)的最大值，即E=Emsin(ωt)。

圖3 雙探測(cè)器補(bǔ)償法

由于m⊥和m∏隨溫度變化的趨勢(shì)是相反的，所以，通過(guò)m⊥和m∏之和的平均值計(jì)算法可消除部分溫度、壓力等環(huán)境因素對(duì)傳感頭靈敏度的影響。其平均值的算法有以下兩種。

(1)算法一

由上述兩式可得:

可以看出被測(cè)電壓信號(hào)，不僅與輸入光強(qiáng)的大小無(wú)關(guān)，而且受光強(qiáng)波動(dòng)的影響小，這樣就減小了環(huán)境溫度對(duì)傳感器的影響。

這種算法可以將輸入光強(qiáng)的緩慢變化除掉，但是，對(duì)光強(qiáng)快速變化的影響難以除掉。光強(qiáng)的瞬間變化通常由加在光纖上的機(jī)械壓力、光源LED的紋波等引起。并且，此算法要求I1、I2完全對(duì)稱(chēng)。因此，實(shí)際中采用下面的算法二。

(2)算法二

從而可得:

由于LED驅(qū)動(dòng)電流的紋波可達(dá)0.02mA［6］，如果LED的驅(qū)動(dòng)電流為l50mA，則其紋波的比例約為-80dB，將會(huì)影響測(cè)量的精度，算法二可解決這-問(wèn)題。

假設(shè)LED光強(qiáng)變化的速度高于0.5s，由于被測(cè)電壓為工頻50Hz，求I1和I2的平均值的時(shí)間可短于0.5s。I1和I2表達(dá)式可改寫(xiě)為:

式中，Δ1和Δ2分別為光強(qiáng)I1和I2的變化比例。通常，可認(rèn)為Δ1=Δ2，則仍保持:

值得注意的是，雙光路補(bǔ)償法是有條件的，只有當(dāng)Pockels效應(yīng)產(chǎn)生的相位差及各干擾雙折射產(chǎn)生的相位差之和遠(yuǎn)小于1時(shí)，才有明顯的效果。

由此可見(jiàn)，信號(hào)處理電路的不對(duì)稱(chēng)會(huì)使光路補(bǔ)償效果受到影響，電路工作性能的波動(dòng)直接影響傳感器的穩(wěn)定性。因此，采取雙探測(cè)器補(bǔ)償法，可在一定程度上保證電路工作的穩(wěn)定性。

2.3 選擇熱膨脹系數(shù)小的絕緣材料

傳感器高低壓電極間的固體介質(zhì)選用熱膨脹系數(shù)較小的電工絕緣材料，以使晶體光路處的電場(chǎng)受環(huán)境的影響較小。

2.4 安裝溫度傳感器

在電壓互感器附近安裝溫度傳感器，通過(guò)實(shí)踐找出溫度對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響規(guī)律，并利用二次部分的軟件根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行修正［7］，可在一定程度上提高傳感器的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語(yǔ)

影響光學(xué)電壓互感器穩(wěn)定性的因素是多方面的，有些因素隨環(huán)境溫度的變化有確定的規(guī)律，如BGO晶體的折射率、線(xiàn)性電光系數(shù)及高低壓電極間固體介質(zhì)的長(zhǎng)度等。有些影響因素不僅與溫度的大小有關(guān)，而且與溫度的變化速率及變化過(guò)程有關(guān)，如BGO晶體內(nèi)的干擾雙折射及光學(xué)器件間的方位角波動(dòng)等。認(rèn)真分析各方面的影響因素，對(duì)有規(guī)律的因素摸索其規(guī)律，根據(jù)環(huán)境溫度的變化，采取有效措施進(jìn)行補(bǔ)償;對(duì)無(wú)規(guī)律的因素，采取盡可能控制其影響，使光學(xué)電壓互感器的穩(wěn)定性得以提高。

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