肖智宏 于文斌 張國(guó)慶 張祥龍 郭志忠 申 巖

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 哈爾濱 150001 2. 國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 北京 100052）

1 引言

在高電壓領(lǐng)域，光學(xué)互感器有傳統(tǒng)互感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今互感器研究的熱點(diǎn)，并有望在不久的將來(lái)成為主流產(chǎn)品[1-5]。目前，具有實(shí)用化前景的光學(xué)電壓互感器主要是電容分壓型光學(xué)電壓互感器?；?Pockels電光效應(yīng)的體調(diào)制型光學(xué)電壓傳感器（Optical Voltage Sensor，OVS）是光學(xué)電壓互感器的核心部件，其測(cè)量精確度的溫度漂移問(wèn)題一直是光學(xué)電壓互感器難于實(shí)用化的主要原因之一[6,7]。根據(jù)光學(xué)電壓傳感原理，光學(xué)電壓傳感器屬于開(kāi)環(huán)測(cè)量系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)測(cè)量系統(tǒng)的高測(cè)量精確度依賴于傳感系統(tǒng)各部分參數(shù)的高穩(wěn)定性，傳感系統(tǒng)任何一部分受溫度影響而產(chǎn)生的變化，必然帶來(lái)電壓傳感器輸出信號(hào)的漂移，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。

提高光學(xué)電壓傳感器測(cè)量精確度最直接的方法是采用參數(shù)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和材料，但是由于技術(shù)和造價(jià)等方面的原因，這種方法目前還難以實(shí)現(xiàn)。目前，提高光學(xué)電壓傳感器測(cè)量精確度的方法主要是補(bǔ)償方法[8-13]。這些補(bǔ)償方法一般都是對(duì)傳感系統(tǒng)的某個(gè)環(huán)節(jié)采取溫度補(bǔ)償措施。盡管在某種程度上這些補(bǔ)償方法提高了光學(xué)電壓傳感器的測(cè)量精確度，但是溫度對(duì)傳感系統(tǒng)的影響存在很大的分散性和不確定性，所以補(bǔ)償效果并不理想。

文獻(xiàn)[14]提出了一種自愈光學(xué)電壓傳感器的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)中被測(cè)電壓源和參考電壓源分別作用于兩套獨(dú)立的光學(xué)電壓傳感單元上，利用參考電壓源實(shí)現(xiàn)光學(xué)電壓傳感器的補(bǔ)償功能。但是，現(xiàn)有工藝很難保證光學(xué)電壓傳感單元的一致性，溫度等環(huán)境因素對(duì)兩個(gè)獨(dú)立光學(xué)電壓傳感單元的影響同樣存在很大的不確定性和分散性，從而影響了該方法的溫度補(bǔ)償效果。該設(shè)計(jì)僅在+25℃～+50℃的溫度范圍內(nèi)提高了光學(xué)電壓傳感器的測(cè)量精確度。

綜上所述，現(xiàn)有光學(xué)電壓傳感器測(cè)量精確度的一致性和長(zhǎng)期溫度穩(wěn)定性很難滿足電力系統(tǒng)對(duì)電壓測(cè)量精確度的要求。

為此，本文提出了一種提高光學(xué)電壓傳感器溫度穩(wěn)定性的方法，設(shè)計(jì)了一種自校準(zhǔn)光學(xué)電壓傳感器（Self-calibration Optical Voltage Sensor，SOVS），通過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電壓源，使基準(zhǔn)電壓源與被測(cè)電壓源串聯(lián)共同作用于同一個(gè)光學(xué)電壓傳感單元，并通過(guò)遠(yuǎn)端采集模塊對(duì)基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，采用自校準(zhǔn)算法獲得自校準(zhǔn)系數(shù)，利用此系數(shù)對(duì)光學(xué)電壓傳感單元測(cè)量的被測(cè)電壓源的信號(hào)進(jìn)行修正，使得光學(xué)電壓傳感器的電壓測(cè)量結(jié)果的溫度穩(wěn)定性提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

將SOVS應(yīng)用于電容分壓型光學(xué)電壓互感器的設(shè)計(jì)中，能有效提高光學(xué)電壓互感器測(cè)量精確度的溫度穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)電容分壓型光學(xué)電壓互感器的實(shí)用化提供思路。圖1為基于本文設(shè)計(jì)的SOVS研制的電容分壓型光學(xué)電壓互感器，于2012年7月在河北承德 220kV智能變電站投運(yùn)，至今已運(yùn)行 20余月，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。它的主體包括電容分壓器和SOVS兩部分。

圖1 電容分壓型光學(xué)電壓互感器Fig.1 Capacitor divider optical voltage transformers

2 光學(xué)電壓傳感器的測(cè)量原理

光學(xué)電壓傳感器采用基于 Pockels電光效應(yīng)原理的傳感器，其測(cè)量原理如圖2所示。光學(xué)電壓傳感器以 BGO電光晶體為傳感材料，整個(gè)傳感器包括起偏器、檢偏器、λ/4波片和電光晶體四個(gè)主要部件。

圖2 光學(xué)電壓傳感器的測(cè)量原理Fig. 2 Measuring principle of OVS

在外加電壓U的作用下，各向同性的電光晶體變成了各向異性的雙折射晶體。當(dāng)波長(zhǎng)為λ的光通過(guò)長(zhǎng)度為l的電光晶體時(shí)，出射的兩光束產(chǎn)生位相延遲

式中，n0為BGO晶體的折射率；γ41為BGO晶體的線性電光系數(shù)；d為外加電壓方向的晶體厚度；Uπ為晶體的半波電壓，且。

由式（1）可知，只要測(cè)出相位差δ，即可精確測(cè)出外加電壓U的大小。

3 自校準(zhǔn)光學(xué)電壓傳感器的設(shè)計(jì)

圖3為圖1所示的電容分壓型光學(xué)電壓互感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其電容分壓器采用新型疊壓串并聯(lián)結(jié)構(gòu)[15]，由上下兩節(jié)電容器構(gòu)成，由完全相同的電容器元件構(gòu)成。上節(jié)電容器C1和下節(jié)電容器的高壓電容器C2的電容器元件采用疊壓串聯(lián)結(jié)構(gòu)全部串聯(lián)，下節(jié)電容器的低壓電容器C3的電容器元件采用疊壓并聯(lián)結(jié)構(gòu)全部并聯(lián)。電容器C1、C2和C3采用串聯(lián)方式耦合。

圖3 電容分壓型光學(xué)電壓互感器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of capacitor divider optical voltage transformer

電容分壓器在下節(jié)電容器的低壓電容器C3兩端獲得與一次高電壓成正比例的低電壓，作為SOVS的輸入電壓。本文設(shè)計(jì)的220kV的光學(xué)電壓互感器的電容分壓器的分壓比約為0.003 2，在額定電壓時(shí)，對(duì)應(yīng)SOVS的輸入電壓在400V左右。在下節(jié)電容器的低壓電容器C3兩端并聯(lián)設(shè)置一級(jí)瞬態(tài)過(guò)電壓保護(hù)器件氣體放電管，以吸收瞬態(tài)信號(hào)的大部分能量。SOVS安裝在該電容分壓器的底座內(nèi)，并設(shè)置有屏蔽罩，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界電磁干擾的屏蔽；通過(guò)光纜連接二次轉(zhuǎn)換器、合并單元和激光電源等裝置，實(shí)現(xiàn)與二次設(shè)備的電氣隔離。

3.1 自校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3中SOVS的結(jié)構(gòu)主要包括光學(xué)電壓傳感單元、基準(zhǔn)電壓源、遠(yuǎn)端采集模塊、過(guò)電壓保護(hù)模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊。

各組成模塊間的連接關(guān)系描述如下：光學(xué)電壓傳感單元的上端電極為SOVS的一個(gè)電壓信號(hào)輸入端，過(guò)電壓保護(hù)模塊的接地端為SOVS的另一個(gè)電壓輸入端，該輸入端為接地端；過(guò)電壓保護(hù)模塊的非接地輸出端連接光學(xué)電壓傳感單元的下端電極；過(guò)電壓保護(hù)模塊的輸入與基準(zhǔn)電壓源輸出相連接；遠(yuǎn)端采集模塊的輸入端與基準(zhǔn)電壓源的輸出端相連接，采集基準(zhǔn)電壓源輸出的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，并將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成光脈沖信號(hào)輸出至SOVS的校準(zhǔn)信號(hào)輸出端；光學(xué)電壓傳感單元的光源輸入端是SOVS的光源輸入端；光學(xué)電壓傳感單元的光學(xué)傳感信號(hào)輸出端是SOVS的感應(yīng)信號(hào)輸出端。

3.1.1基準(zhǔn)電壓源與過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)電壓源由信號(hào)發(fā)生電路和隔直放大電路構(gòu)成，如圖4所示。采用單片集成函數(shù)發(fā)生器芯片XR2206設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生電路，它能產(chǎn)生高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的正弦波、方波和三角波等，這些輸出信號(hào)受外加電壓控制，從而可以實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制和頻率調(diào)制。為避免被測(cè)電壓信號(hào)的影響，信號(hào)發(fā)生電路輸出與被測(cè)電壓信號(hào)u1頻率f1不同的正弦波信號(hào)。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的光學(xué)電壓傳感器的應(yīng)用，信號(hào)發(fā)生電路的輸出通過(guò)隔直放大之后，產(chǎn)生有效值U2為7V、頻率f2為800Hz的基準(zhǔn)電壓信號(hào)u2?；鶞?zhǔn)電壓源的輸出通過(guò)過(guò)電壓保護(hù)電路與光學(xué)電壓傳感單元串聯(lián)。

圖4 基準(zhǔn)電壓源及過(guò)電壓保護(hù)電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of reference voltage source and over voltage protection circuit

為防止包括雷擊等瞬態(tài)過(guò)電壓的破環(huán)，在設(shè)計(jì)上使用不同類型的瞬態(tài)抑制器構(gòu)成兩級(jí)保護(hù)：一級(jí)保護(hù)由氣體放電管提供；二級(jí)保護(hù)由 TVS管構(gòu)成的瞬態(tài)抑制電路提供，具體連接設(shè)置如圖4所示。

3.1.2遠(yuǎn)端采集模塊設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)端采集模塊采用成功運(yùn)用在混合式光學(xué)電流互感器設(shè)計(jì)中的方案，測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)已表明該模塊具有很好的溫度穩(wěn)定性[16,17]。

圖5為其結(jié)構(gòu)示意圖，它包括前置調(diào)整電路、壓頻轉(zhuǎn)換電路和電光轉(zhuǎn)換電路三部分。前置調(diào)整電路接受基準(zhǔn)電壓源的隔直放大電路輸出的基準(zhǔn)電壓信號(hào)u2，并將其調(diào)整至合適的范圍輸入壓頻轉(zhuǎn)換電路，壓頻轉(zhuǎn)換電路將接受的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，通過(guò)由HFBR—1414T構(gòu)成的電光轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成光脈沖信號(hào)送出。

圖5 遠(yuǎn)端采集模塊的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of remote acquisition module

3.2 自校準(zhǔn)方法實(shí)現(xiàn)

SOVS自校準(zhǔn)方法的具體實(shí)現(xiàn)如下：遠(yuǎn)端采集模塊準(zhǔn)確采集基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓信號(hào)u2，并將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成光脈沖信號(hào)通過(guò)光纖由校準(zhǔn)信號(hào)輸出端傳輸至二次轉(zhuǎn)換器，通過(guò)數(shù)字解調(diào)后得到高溫度穩(wěn)定性、高精確度的基準(zhǔn)電壓信號(hào)u2；二次轉(zhuǎn)換器發(fā)出的光源通過(guò)光纖傳輸至光學(xué)電壓傳感單元的光源輸入端，基于 Pockels效應(yīng)原理的光學(xué)電壓傳感單元同時(shí)敏感電壓信號(hào)u1與，并通過(guò)光纖反饋至二次轉(zhuǎn)換器；二次轉(zhuǎn)換器對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行處理，獲得感應(yīng)被測(cè)電壓信號(hào)和感應(yīng)基準(zhǔn)電壓信號(hào)。

3.3 自校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算

SOVS自校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟：

（1）基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生頻率為f2、有效值為U2的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，二次轉(zhuǎn)換器從SOVS的校準(zhǔn)電壓輸出端接收的基準(zhǔn)電壓信號(hào)u2經(jīng)過(guò)解調(diào)處理后，得到高溫度穩(wěn)定性、高精確度的電壓信號(hào)，表示為

式中，n為數(shù)據(jù)樣本的計(jì)數(shù)；tn為第n個(gè)數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間；φ2為遠(yuǎn)端采集模塊采集的基準(zhǔn)電壓信號(hào)u2的初始相位。

（2）二次轉(zhuǎn)換器從SOVS的感應(yīng)信號(hào)輸出端接收光學(xué)電壓傳感單元敏感獲得的感應(yīng)被測(cè)電壓信號(hào)和感應(yīng)基準(zhǔn)電壓信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到易受環(huán)境溫度影響的感應(yīng)被測(cè)電壓和感應(yīng)基準(zhǔn)電壓，分別表示為

式中，Δk為環(huán)境溫度等外界影響因素引起光學(xué)電壓傳感單元的輸出系數(shù)變化量，與敏感電壓信號(hào)頻率無(wú)關(guān)；φ1為光學(xué)電壓傳感單元敏感的感應(yīng)被測(cè)電壓信號(hào)的初始相位；U1為被測(cè)電壓源輸出電壓信號(hào)的有效值；為光學(xué)電壓傳感單元敏感的感應(yīng)基準(zhǔn)電壓信號(hào)u2'的初始相位。

（3）利用三角窗加權(quán)算法[18]和離散傅里葉算法，二次轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)獲得的感應(yīng)基準(zhǔn)電壓信號(hào)和基準(zhǔn)電壓信號(hào)u2的多周期數(shù)據(jù)的有效值計(jì)算。較大的累加周期數(shù)改善了信噪比，使得有效值計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度得到了提高。

環(huán)境溫度等外界影響因素引起光學(xué)電壓傳感單元的輸出系數(shù)變化量Δk通過(guò)下式計(jì)算得到。

（4）利用上述系數(shù)對(duì)光學(xué)電壓傳感單元敏感的感應(yīng)被測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行修正，得到幾乎不受環(huán)境溫度影響的輸出電壓信號(hào)為

式中，1+Δk為SOVS輸出信號(hào)的自校準(zhǔn)系數(shù)。

被測(cè)電壓源輸出電壓信號(hào)u1除包含基波頻率外，還可能包含其他高次諧波頻率，上述計(jì)算方法同樣適用。

4 自校準(zhǔn)光學(xué)電壓傳感器的測(cè)試

4.1 誤差測(cè)試

圖6為SOVS的誤差測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括被測(cè)電壓源、SOVS、環(huán)境溫度試驗(yàn)箱（溫控箱）、標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、二次轉(zhuǎn)換器、合并單元、數(shù)據(jù)采集卡、同步脈沖發(fā)生器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

圖6 自校準(zhǔn)光學(xué)電壓傳感器誤差測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of error testing system of SOVS

測(cè)試系統(tǒng)中，被測(cè)電壓源產(chǎn)生被測(cè)電壓信號(hào)，同時(shí)與SOVS和標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器相連接；SOVS敏感被測(cè)電壓信號(hào)通過(guò)二次轉(zhuǎn)換器得到光學(xué)傳感電壓信號(hào)，二次轉(zhuǎn)換器將光學(xué)傳感電壓信號(hào)按照FT3格式進(jìn)行數(shù)據(jù)組幀，采用異步方式通過(guò)光纖發(fā)送至合并單元，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接受合并單元發(fā)送的SOVS敏感的光學(xué)傳感電壓信號(hào)；標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器將被測(cè)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬小電壓信號(hào)得到標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡將標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)通過(guò)PCI總線送入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；同步脈沖發(fā)生器產(chǎn)生同步秒脈沖信號(hào)，同時(shí)送入合并單元的同步輸入端和數(shù)據(jù)采集卡的同步采樣觸發(fā)端，從而保證工業(yè)控制計(jì)算機(jī)接收到的SOVS敏感的光學(xué)傳感電壓信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)的數(shù)據(jù)同步；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件對(duì)接收到的SOVS敏感的光學(xué)傳感電壓信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到SOVS敏感的光學(xué)傳感電壓信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)之間的誤差結(jié)果。

4.1.1常溫下的誤差測(cè)試

在常溫下，按照?qǐng)D7所示的SOVS的誤差測(cè)試系統(tǒng)的接線圖進(jìn)行測(cè)試，按照電子式互感器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20840.7—2007的規(guī)定調(diào)整被測(cè)電壓，按照SOVS輸入電壓 400V的 2%、5%、80%、100%和120%進(jìn)行調(diào)整。

圖7 自校準(zhǔn)光學(xué)電壓傳感器誤差測(cè)試系統(tǒng)Fig.7 The error testing system of SOVS

圖8為0.2級(jí)測(cè)量用電壓互感器與3P級(jí)保護(hù)用電壓互感器比值誤差和相位誤差的聯(lián)合允許誤差限值曲線。由圖可知，在不考慮溫度變化時(shí)，SOVS的誤差能滿足測(cè)量0.2級(jí)與保護(hù)3P級(jí)的準(zhǔn)確度基本要求。

圖8 常溫下自校準(zhǔn)光學(xué)電壓傳感器誤差曲線Fig.8 Error curves of SOVS under normal temperature

4.1.2溫度循環(huán)下的誤差測(cè)試

為考核SOVS的溫度穩(wěn)定性，測(cè)試時(shí)將SOVS置于環(huán)境溫度試驗(yàn)箱中，在施加輸入電壓 400V的情況下，控制環(huán)境溫度試驗(yàn)箱在-40～+70℃的溫度范圍內(nèi)變化，每個(gè)溫度點(diǎn)下穩(wěn)定 30min，得到在-40～+70℃的溫度范圍內(nèi)的誤差結(jié)果如圖9所示。圖中校準(zhǔn)前代表普通OVS測(cè)試結(jié)果，校準(zhǔn)后代表SOVS的測(cè)試結(jié)果。

圖9 溫度循環(huán)時(shí)自校準(zhǔn)光學(xué)電壓傳感器誤差曲線Fig.9 Error curves of SOVS under temperature cycle

由圖9可以看出，在-40～+70℃的溫度范圍內(nèi)，普通OVS（校準(zhǔn)前）的比值誤差波動(dòng)范圍達(dá)到了2.5%，而SOVS（校準(zhǔn)后）的比值誤差波動(dòng)范圍則小于 0.25%。由于本文校準(zhǔn)方案中的自校準(zhǔn)系數(shù)僅對(duì)輸出幅值進(jìn)行補(bǔ)償，所以不影響輸出信號(hào)的相位，圖9的測(cè)試結(jié)果也顯示校準(zhǔn)前后的相位誤差基本一致，理論與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

測(cè)量結(jié)果表明：在-40～+70℃的溫度范圍內(nèi)，本文設(shè)計(jì)的 SOVS的測(cè)量誤差小于±0.12%，明顯減小了光學(xué)電壓傳感器測(cè)量結(jié)果受溫度影響的程度。

4.2 絕緣測(cè)試

為考核SOVS的絕緣水平，按照互感器的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)SOVS進(jìn)行了絕緣測(cè)試，測(cè)試要求及結(jié)果見(jiàn)下表。

表 自校準(zhǔn)光學(xué)電壓傳感器的絕緣水平測(cè)試Tab. Tests of insulation level of SOVS

測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的SOVS能滿足電壓互感器的對(duì)低壓端子的絕緣要求。

5 結(jié)論

本文提出了一種自校準(zhǔn)光學(xué)電壓傳感器，通過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電壓源，使基準(zhǔn)電壓源與被測(cè)電壓源串聯(lián)共同作用于同一個(gè)光學(xué)電壓傳感單元，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)電壓傳感器的自校準(zhǔn)功能，解決了現(xiàn)有光學(xué)電壓傳感器測(cè)量精確度溫度穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

設(shè)計(jì)的自校準(zhǔn)光學(xué)電壓傳感器減小了光學(xué)電壓傳感器測(cè)量結(jié)果受溫度影響的程度，經(jīng)過(guò)測(cè)試，在-40～+70℃的溫度范圍內(nèi)測(cè)量誤差小于±0.12%，能滿足電壓互感器測(cè)量精確度IEC 0.2級(jí)的要求。

將SOVS應(yīng)用于電容分壓型光學(xué)電壓互感器的設(shè)計(jì)中，可有效提高光學(xué)電壓互感器測(cè)量精確度的溫度穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)電容分壓型光學(xué)電壓互感器的實(shí)用化提供思路。

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