馮 運(yùn)，陳洪波，白 歡，王 靖，馬劍輝

(1.四川電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072;2.武漢康普常青軟件技術(shù)有限公司，湖北 武漢市 430071)

0 引言

自1970年半導(dǎo)體激光器在室溫連續(xù)工作和低損耗光纖實(shí)現(xiàn)之后，隨著兩者的飛速發(fā)展，光纖通信和光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域顯著擴(kuò)大。近年來，為適應(yīng)大規(guī)模、大容量電力系統(tǒng)的需要，尤其是遙控、遙測(cè)和人工智能等開發(fā)研究中的特殊需要，針對(duì)光纖傳感技術(shù)的研究蓬勃發(fā)展，利用光纖的無感性、絕緣性、細(xì)徑性、柔軟性、耐熱性、耐腐蝕以及低損耗傳輸?shù)入姎馕锢硖匦匝兄瞥傻脑硇路f、種類繁多的光纖傳感器，應(yīng)用領(lǐng)域涉及電磁噪聲下的檢測(cè)、雷電檢測(cè)、安全檢測(cè)、狹小空間的檢測(cè)、移動(dòng)體內(nèi)部檢測(cè)以及在高溫、化學(xué)氣氛、水下和空間的檢測(cè)。檢測(cè)參數(shù)包括電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、壓力、位置、移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等。下面將對(duì)最新研制成功的利用鍺酸秘電光效應(yīng)的光纖電壓傳感器和電場(chǎng)傳感器的原理結(jié)構(gòu)和基本特性進(jìn)行探討。

1 電光效應(yīng)測(cè)量電壓電場(chǎng)原理

光纖電壓電場(chǎng)傳感的結(jié)構(gòu)主要由傳感頭、信號(hào)傳輸光纖及測(cè)量系統(tǒng)組成，以工作波長(zhǎng)為1550 nm的LED作為光源;PIN光電二極管(或光電倍增管)光電接收組件作為光探測(cè)器，用單模光纖傳輸光信號(hào);傳感頭由起偏器、BGO晶片、1/4波長(zhǎng)片、檢偏器和短程透鏡構(gòu)成。LED光源發(fā)出的光經(jīng)透鏡準(zhǔn)直，由起偏器變成線偏振光，1/4波長(zhǎng)片將線偏振光再變成圓偏振光，之后穿過處于電壓或電場(chǎng)中的BGO晶體，由于加在BGO上的電壓或電場(chǎng)的作用，這個(gè)圓偏振光轉(zhuǎn)換成橢圓偏振光。經(jīng)檢偏器檢偏后的光信號(hào)其調(diào)制度相當(dāng)于交流電壓和電場(chǎng)，光電平的相對(duì)大小則對(duì)應(yīng)著直流電壓或電場(chǎng)。因而，加在BGO上的電信號(hào)就可通過檢測(cè)光信號(hào)來測(cè)量。

圖1 電場(chǎng)對(duì)偏振光的調(diào)制示意圖

在沒有外電場(chǎng)及干擾雙折射時(shí)，BGO晶體是光學(xué)各向同性體，其逆介電張量為

在外加電場(chǎng)E的作用下，BGO晶體的折射率橢球方程為

當(dāng)通光方向和外加電場(chǎng)方向平行時(shí)，電場(chǎng)作用下的光軸方向?yàn)?y1y2y3，調(diào)制偏振光振動(dòng)方向?yàn)閥1y2，如圖1所示。

折射率橢球方程為

由于在x1x2x3坐標(biāo)系和y1y2y3中，x3y3重合，因此令x3=0等效于y1y2y3坐標(biāo)系令y3=0。因此令x3=0，可求得偏振光振動(dòng)面上橢圓方程為

上式表明E1、E2并不影響偏振光的振動(dòng)方向和折射率。對(duì)橢球方程主軸化為

新坐標(biāo)系的兩個(gè)坐標(biāo)軸方向是原坐標(biāo)軸繞電場(chǎng)方向y3旋轉(zhuǎn)45°而成，且與電場(chǎng)無關(guān)(坐標(biāo)變換矩陣Q是一個(gè)與E無關(guān)的量)。主軸化后的橢圓方程直觀地表示了振動(dòng)平面上的兩個(gè)主軸方向的雙折射率。

兩個(gè)偏振方向光程差△n* l=n03γ41E，相位差δ =(2π/λ)n03γ41El。

由上式看出，相位差僅δ和電場(chǎng)強(qiáng)度一個(gè)變量相關(guān)，且關(guān)系為線性，其他均為BGO晶體的材料常數(shù)，該相位差通過偏光干涉的方法轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)度信號(hào)P。

包含相位信息的光強(qiáng)度信號(hào)耦合入單模光纖的光線經(jīng)過BGO傳感頭，在被測(cè)電壓或電場(chǎng)的調(diào)制下到達(dá)PIN二極管，經(jīng)過光電接收組件(由前置跨阻放大器，AGC放大電路組成)。濾波電路將其分離成直流和交流兩部分，探測(cè)到的光功率交流分量PAC和直流分量PDC的比值PAC/PDC和被測(cè)交流電場(chǎng)線性相關(guān)。

當(dāng)施加到BGO上的電場(chǎng)信號(hào)較弱時(shí)，輸出光信號(hào)的強(qiáng)度調(diào)制為

其中，P0為入射到1/4波長(zhǎng)片表面的光強(qiáng);K為和BGO尺寸和封裝外殼材料形狀相關(guān)的常數(shù);E0為電場(chǎng)強(qiáng)度，于是 PAC/PDC=K*E0*sinωt。

因此，來自光源、光探測(cè)器的能量漲落以及系統(tǒng)中光纖連接，耦合的變化均可以得到消除。

在這個(gè)BGO光學(xué)電場(chǎng)傳感器測(cè)量系統(tǒng)中，LED耦合到單模光纖中的能量非常微弱，約為1～2 μW，由于起偏器、檢偏器和1/4玻片的存在，傳感器的插入損耗在8～10 dB之間，因此光電探測(cè)器實(shí)際上能接收到的光能量?jī)H為100 nW級(jí)。因此對(duì)光電探測(cè)組件的要求需要能夠測(cè)量nW量級(jí)光功率。

對(duì)于電場(chǎng)分布的測(cè)量，BGO電場(chǎng)傳感器體積需要做得盡可能小，所有的光學(xué)元件需要用環(huán)氧樹脂粘接和包封以滿足電氣性能和機(jī)械強(qiáng)度的要求。因?yàn)閭鞲蓄^本身對(duì)空間電場(chǎng)在一定距離內(nèi)會(huì)略微使得電場(chǎng)強(qiáng)度畸變，減小封裝材料的介電常數(shù)可以減少這種影響。此外，BGO傳感頭與光纖耦合應(yīng)采用有機(jī)和無機(jī)絕緣材料做成的連接器，以保證高絕緣性和無感性。

2 基本特性試驗(yàn)

以大型平板電極作為高電位，試驗(yàn)臺(tái)面為地，分別以不同高度的絕緣柱做支撐，使平板電極和桌面平行。平板電極1 m x 1 m，厚度2 mm，不銹鋼材料。桌面不銹鋼材料，長(zhǎng)方形，尺寸略大于上極板。晶體通光方向長(zhǎng)度d=5 cm，折射率n0=2，介電常數(shù)ε=16，有效電光系數(shù)記為γ約1 pm/V。

試驗(yàn)的2種方式調(diào)制為:(1)直接放在地極板表面，極板間隔23 cm;(2)橫向放置于塑料杯頂部，高度約為23 cm，極板間隔43 cm，如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖2 試驗(yàn)布置圖

表1 傳感器調(diào)制試驗(yàn)結(jié)果

由電光效應(yīng)導(dǎo)致的偏振態(tài)附加相位差的測(cè)量值Δδ測(cè) =U/U0，ΔI1=0.050，Δδ2=0.022。

由于相位差 δ=(2π/λ)n03γ41El，即電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量值 Δδ1=(2π/λ)n03γE1d=(2π/1.55 μm) ×23γ E1×5 cm，計(jì)算可得 E1=30.8 kV/m;Δδ2=(2π/λ)n03γE2d=(2π/1.55 μm) ×23γE2×5 cm，計(jì)算可得E2=13.6 kV/m。

由于晶體本身介電常數(shù)為16，理想情況下，如果晶體和空氣之間界面為無限大，則其感應(yīng)電場(chǎng)應(yīng)為臨近空氣中電場(chǎng)的1/16=0.0625，但實(shí)際上，晶體本身的尺寸是有限的，而且其形狀也會(huì)影響附近的空間電場(chǎng)分布，研究表明，晶體尺寸越小，其內(nèi)電場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度越接近于空氣中的實(shí)際電場(chǎng)。

同時(shí)從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:(1)晶體懸空和晶體貼近地電極的感應(yīng)電場(chǎng)靈敏度有較大區(qū)別，原因是由于平板電極形成的空間電場(chǎng)在靠近上下極板的位置有較大的畸變，因此需要以懸空測(cè)量的數(shù)據(jù)作為標(biāo)定量;(2)由于條件限制，傳感頭雖然有很小的介電常數(shù)，但在高電壓環(huán)境下，表面的感應(yīng)電荷也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。

3 應(yīng)用

在各類輸、變電電氣產(chǎn)品的研究、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和制作過程中，最為突出的是電氣絕緣設(shè)施和電場(chǎng)防護(hù)等問題，需要檢測(cè)不同部位的電壓和電場(chǎng)分布。現(xiàn)有的典型檢測(cè)手段(靜電電壓表)除體積大、精度低和操作頻繁外，其抗干擾能力差，同時(shí)本身會(huì)嚴(yán)重影響壞境本身電場(chǎng)分布，因此往往不能反映真實(shí)情況。光學(xué)電場(chǎng)互感器除占用空間小、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)以外，最突出的優(yōu)點(diǎn)就是傳感頭和信號(hào)傳輸通道都不含有任何金屬，且由介電常數(shù)低的材料組成，對(duì)電場(chǎng)分布影響基本可以忽略，特別是在高電壓場(chǎng)合，極佳的絕緣性能保障了操作人員的安全，是目前的理想電場(chǎng)檢測(cè)手段。

由于BGO晶體不僅是優(yōu)良的電光晶體，而且還有優(yōu)良的電氣物理性能。因此，其靈敏度高，測(cè)量范圍廣，輸入阻抗高，抗干擾能力強(qiáng)，幾乎不受溫度影響，目前正在許多領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

(1)電壓測(cè)量

由于BGO傳感器是無感和高輸入阻抗的，所以可以對(duì)高壓輸電配電系統(tǒng)電氣設(shè)備進(jìn)行無感、安全快速和遙控測(cè)量。例如對(duì)多級(jí)串聯(lián)超高壓絕緣子分壓的測(cè)量，可以得知每一個(gè)絕緣子承擔(dān)的電壓值。

(2)電場(chǎng)測(cè)量

不適合狹小空間和表面電場(chǎng)分布的測(cè)量。例如，高壓架空線絕緣子周圍電場(chǎng)分布測(cè)量，通過電場(chǎng)分布判斷絕緣子運(yùn)行狀況。

(3)高頻沖擊波的監(jiān)測(cè)

BGO傳感器的輸入阻抗高、測(cè)量頻帶寬、響應(yīng)速度快，適合于輸電網(wǎng)高頻電壓波動(dòng)的分析及沖擊試驗(yàn)和雷電沖擊波形的觀測(cè)與監(jiān)視。

4 結(jié)語(yǔ)

從電光效應(yīng)基本原理出發(fā)，探討了BGO晶體光學(xué)電壓電場(chǎng)傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、基本特性及其應(yīng)用。提出并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了傳感頭本身對(duì)電場(chǎng)分布造成的影響，同時(shí)與傳感頭內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度和傳感頭放置位置以及方向相關(guān)，說明了傳感頭尺寸以及封裝材料對(duì)電場(chǎng)測(cè)量是至關(guān)重要的，應(yīng)選用小介電常數(shù)的非金屬材料制成小尺寸表面光滑的封裝外殼。

光學(xué)電場(chǎng)電壓傳感器是以其絕緣強(qiáng)度高，抗干擾能力態(tài)范圍大、體積小、頻帶寬、絕緣性能好和無爆炸危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)使其在電力系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用，勢(shì)必成為新一代電力監(jiān)測(cè)技術(shù)的主流。

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