王鵬雅

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌443002）

0 引 言

由于電力系統(tǒng)快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的輸電容量越來越大，傳輸電壓等級越來越高，遠距離輸電越來越多，因此，準(zhǔn)確測量電力系統(tǒng)的各個數(shù)據(jù)至關(guān)重要。作為電力系統(tǒng)調(diào)試過程中常見的工作電壓測量，目前主要的測量方法是：電壓互感器測量、分壓器測量［1］。

電壓互感器在電力系統(tǒng)中起著非常重要的作用，根據(jù)其變換電壓的原理不同而分成電磁式、電容式以及光學(xué)電壓互感器三種。其中電磁式電壓互感器以及電容式電壓互感器存在體積過大、絕緣復(fù)雜等不足，而人們對互感器要求卻越來越高；光學(xué)電壓互感器有著自身巨大優(yōu)勢以及日新月異地發(fā)展趨勢，它成功吸引了眾多科研人員的關(guān)注并且成為目前一個主要的研發(fā)方向。

1 電壓互感器的原理

電壓互感器是把高電壓轉(zhuǎn)變成低電壓用于監(jiān)測的一種高壓設(shè)備［2］，其基本原理與變壓器一樣。就現(xiàn)階段來講，我國電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用電磁式電壓互感器及電容式電壓互感器［3］，但最有發(fā)展前景的是光學(xué)電壓互感器。

圖1為基于光電調(diào)試原理以及采用光電子技術(shù)，通過絕緣性能良好地玻璃纖維傳輸電壓信息的一種光學(xué)電壓互感器，它異于分壓的部分光學(xué)電壓互感器以及通過測電流間接地測電壓的互感器［3］。其結(jié)構(gòu)包括光纖電壓傳感器、光電探測器以及高壓部分（高壓絕緣套、絕緣氣體）。圖1中，光源光通過準(zhǔn)直透鏡到達起偏器獲得偏振光，而后通過1／4波片獲得圓偏振光，進入到光電晶體得到橢圓偏振光，通過檢偏器得線偏振光，線偏振光再通過準(zhǔn)直透鏡及光電探測器［4］。

圖1 光學(xué)電壓互感器結(jié)構(gòu)圖

基于泡克爾斯效應(yīng)的光學(xué)電壓傳感器是目前研究以及應(yīng)用都很多的光學(xué)電壓傳感器。晶體的電光效應(yīng)是指某些晶體由于外加電場的作用，使其分子中原子的電子分布及其核的位置改變致使其折射率發(fā)生改變［4］。此類光學(xué)電壓傳感器可以分成縱向調(diào)制型（即電場E與光傳播方向平行）、橫向調(diào)制型（即電場E與光傳播方向垂直）光學(xué)電壓互感器［5－6］。兩種泡克爾斯電壓傳感器光電效應(yīng)的原理圖分別如圖2、圖3。

圖2 縱向光電效應(yīng)

圖3 橫向光電效應(yīng)

其他三類分別為基于逆壓電效應(yīng)、基于克爾效應(yīng)和基于集成器件的光學(xué)電壓傳感器。

2 光學(xué)電壓傳感器的測量原理

如圖4所示，入射光沿z軸入射傳播，起偏器置于最前面用于得到一束線性偏振光，再經(jīng)過1／4波片使光路添加90°的相移，光射進BGO晶體后分解電位移正交的光，最后經(jīng)過檢偏器射出與偏振方向相同的光，適當(dāng)調(diào)整選擇上述四者得到最大偏光干涉的輸出光強。

圖4 橫向調(diào)制光學(xué)傳感器原理圖

式中，δ為晶體中所產(chǎn)生兩束偏振光的最大相位差，該相位差分別與電場E、電壓U的關(guān)系

式（2）和式（3）中的γ41是晶體線性電光系數(shù)；η是BGO晶體在加電場以前的折射系數(shù)；l、λ分別代表晶體長度以及光的波長；Uπ是半波電壓計算方法，Uπ＝外加正弦電壓U＝Usinωt，得到的相位差δ0和電壓U代進式（1）中，得

利用該式便可以實現(xiàn)電壓的測量。

2001年徐雁等因發(fā)現(xiàn)當(dāng)時一般的分壓型光學(xué)電壓互感器測量范圍受限從而研究了一種新型的高電壓測量方法［7］。該方法先確定被測信號周期，其次判斷并確定被測電壓的正負(fù)半波，最后插值還原被測電壓，三步算法還原被測電壓，并且若可以在一個半波電壓中取大量需要的點，計算插值，被測電壓的初始波形便能夠被較好還原。圖5為其系統(tǒng)的原理圖。

圖5 系統(tǒng)原理圖

圖5 中驅(qū)動電路使用光源將光I0打入光學(xué)探頭內(nèi)部，并在HV作用下輸出光I1、I2。令I(lǐng)1進行光電轉(zhuǎn)換，I2進行信號預(yù)處理，接著執(zhí)行同步采樣，最后再模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算和處理 ，得出測量結(jié)果［7］。

圖6為該光電互感器傳感頭的結(jié)構(gòu)圖，該傳感頭屬于縱向調(diào)制，令光通過的方向與外加電場的方向相同，并在220 kV處加一全反射棱鏡，使光傳到高電位端后折回并再一次經(jīng)過BGO晶體，當(dāng)δ＝π時的電壓剛好為好波電壓即Uπ，由半波電壓公式可知，半波電壓只與所用的材料有關(guān)。如果被測電壓（設(shè)為U）小于半波電壓，U和輸出的光強存在特定關(guān)系，由某個光路的輸出便可得到被測電壓；如果被測電壓U大于半波電壓，則上述的關(guān)系不復(fù)存在，想要得出被測電壓還需要知道I1、I2之間的相互關(guān)系。

圖6 傳感頭結(jié)構(gòu)圖

其研究的無分壓縱向調(diào)制型電壓互感器具有降低誤差、減少成本的優(yōu)點，使光學(xué)電壓互感器更實用。采用分壓形式的電壓互感器被測范圍都會受到一定限制，一般是要求被測電壓小于半波電壓。而此方案采用縱向法，只需要絕緣并且按特定方式還原U，被測電壓U就不再受限，因此更加適用于較高的電壓測量?？v向法中需要的是相對值，降低了對電路各部分的要求，便于投入應(yīng)用。但該方案還未解決由于電光晶體本身的溫度和應(yīng)力雙折射所產(chǎn)生的誤差問題，因此仍有較大誤差。

3 新型光學(xué)電壓互感器

3.1 新型基于泡克爾斯效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器［8］

法拉第準(zhǔn)直旋光器、電光晶體（或叫BGO晶體）以及反射膜等構(gòu)成其傳感頭。圖7采用橫向調(diào)制，將電壓垂直加在（001）面產(chǎn)生電光效應(yīng)。

圖7 電光晶體結(jié)構(gòu)圖

在電光晶體一側(cè)接的是法拉第準(zhǔn)直旋光器，另一側(cè)接的是反射膜，如圖8所示。兩束正交偏振光沿保偏光纖經(jīng)過45°法拉第旋光器后其偏振方向改變45°，沿與BGO晶體平面垂直的方向射入，晶體在外加電場的影響下產(chǎn)生泡克爾斯效應(yīng)，造成相位差。兩束光經(jīng)過反射再一次射入到BGO晶體內(nèi)部，此時的相位差加倍。第二次進入45°法拉第旋光器后，加之上次偏轉(zhuǎn)的45°一共偏轉(zhuǎn)90°，由此完成了兩束偏振光之間的模式互換，即x的偏振變?yōu)閥的偏振模式，y的偏振變?yōu)閤的偏振模式。兩種偏振模式（即正向以及逆向傳輸）經(jīng)過一樣長度的光程，從而形成互易反射光路結(jié)構(gòu)。

圖8 傳感頭結(jié)構(gòu)圖

在電光晶體外包金屬膜，并利用該金屬膜屏蔽其周圍環(huán)境存在的磁場影響，得到更加穩(wěn)定的外加電場。其形成的互易反射光路使附加相位消除，從而在一定程度上提升該結(jié)構(gòu)的抗干擾能力。兩束偏振光第二次經(jīng)過電光晶體相位差加倍以后提高了該結(jié)構(gòu)的靈敏度及測量的動態(tài)范圍。實際操作時，每次加壓都需要一段時間來過渡，另外BGO晶體存在應(yīng)力雙折射也是一個誤差來源。

由于溫度對BGO晶體半波電壓及自身存在的干擾雙折射的影響，研究了自愈光學(xué)電壓互感器［9］，通過引入一個參考電壓和光學(xué)電壓傳感通道并構(gòu)建基準(zhǔn)源的測量系統(tǒng)，檢測即時靈敏度和由干擾雙折射所產(chǎn)生的誤差參數(shù)而后進行矯正，表現(xiàn)為具有對溫度改變的適應(yīng)能力［10］。該光學(xué)電壓傳感器傳感頭的基本思路為在BGO晶體兩側(cè)加結(jié)構(gòu)以及參數(shù)都相同的兩個光學(xué)電壓傳感器，形成對稱結(jié)構(gòu)。除傳感頭以外，它還由光源、自準(zhǔn)電壓源、校正處理以及電壓采集單元等元器件構(gòu)成。

該方案自校準(zhǔn)的步驟：首先需要對某一時刻t的基準(zhǔn)源電壓傳感通道以及系統(tǒng)的輸出進行相對準(zhǔn)確的測量；然后測出t＋1時兩者的輸出，得出靈敏度和由雙折射產(chǎn)生誤差分別與時間t的關(guān)系；最后得到最終結(jié)果。

在極端環(huán)境溫度中，自愈光學(xué)電壓互感器相比于一般光學(xué)電壓互感器的測量準(zhǔn)確性有所提高，誤差減小，抗干擾能力較強。此方案的原理也較為簡單，便于實現(xiàn)。

3.2 新型基于逆壓電效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器［4］

圖9為一新型的全光纖電子電壓互感器［11］結(jié)構(gòu)。該電子電壓傳感器利用石英晶體的逆壓電效應(yīng)（即壓電材料在電場作用下于某些方向上產(chǎn)生與場強呈線性關(guān)系的應(yīng)變），由金屬導(dǎo)體連接的三塊石英晶體構(gòu)成的互感器元件可直接測量電壓。全光纖電壓互感器由兩個均由壓電晶體、橢圓芯雙模光纖所組成的干涉儀組成。

圖9電子電壓互感器傳感頭三支壓電石英晶體中的一支晶體如圖10，石英晶體選擇圓柱型，外周均勻纏繞雙模光纖，并且選擇與該壓電石英晶體膨脹系數(shù)相接近的導(dǎo)體金屬。

工作原理：該系統(tǒng)使用僅能夠讓兩個低階模通過的多模激光二極管以及光纖。光源光耦合到雙模光纖再產(chǎn)生兩束偏振面分別與橢圓芯雙模光纖長短軸相平行的線性偏振光［11］；壓電石英晶體在外加被測電壓的作用下產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，纏在晶體外雙模光纖的模折射率隨晶體周長改變。接一相位跟隨器，調(diào)節(jié)雙模光纖長度并根據(jù)干涉圖案把其相位差鎖定在90°，由此根據(jù)跟隨器可得被測電壓的大小及其相位。

圖9 電子電壓互感器結(jié)構(gòu)圖

圖10 傳感頭局部結(jié)構(gòu)圖

因其晶體由金屬導(dǎo)體連接，因此該設(shè)計操作較為簡單可以直接測量電壓，并且不需要充入六氟化硫氣體，環(huán)保無污染，更有安全保障。

3.3 新型基于光學(xué)克爾效應(yīng)的光學(xué)電壓傳感器

采用光學(xué)克爾效應(yīng)，即介質(zhì)在光頻電場作用下，沿平行及垂直于電場方向的偏振光折射率差值正比于介質(zhì)中激光束的光強，得到測量表達式：

式中，Δn為偏振光束分量的折射率的變化量，k為一個與光波、介質(zhì)有關(guān)系的常數(shù)，E為電場強度。

3.4 新型基于集成器件的光學(xué)電壓互感器

利用鈮酸鋰等晶體的線性光電效應(yīng)測量電場，原理為用晶體普克爾效應(yīng)從而引起光信號產(chǎn)生相位差。

此新型光電集成電場傳感器的系統(tǒng)由激光源、保偏光纖、電場傳感器、單模光纖、光轉(zhuǎn)換模塊、射頻電纜和電信號檢測器構(gòu)成［12］。圖11和圖12均為該電場傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，由偶極子天線、電極和光波導(dǎo)構(gòu)成。如圖采用不對稱結(jié)構(gòu)，上下兩個分支光波導(dǎo)長短不等、不對稱，以使該傳感器的Q點位于線性工作區(qū)。

當(dāng)沿剖視圖12橫向存在電場時，偶極子天線相應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電極之間產(chǎn)生較小電壓和局部均勻強場強，于是兩電極間的光波導(dǎo)折射率改變因而出現(xiàn)相位差。因該傳感器的目的就是將不易測量的相位差轉(zhuǎn)換為輸入輸出光功率的改變，當(dāng)固有光程差δ0＝π／2，并且δ遠小于1時，光功率與相位差的關(guān)系表達式可以寫成

由于圖11中光波導(dǎo)和電極間距寬并且采用長度不長的天線和電極，可測電場范圍較大，頻帶較寬。

圖11 傳感器結(jié)構(gòu)俯視圖

圖12 傳感器結(jié)構(gòu)剖視圖

4 光學(xué)互感器的發(fā)展

19世紀(jì)末，第一次出現(xiàn)互感器，隨著電力系統(tǒng)進步及越來越高的要求，互感器的精準(zhǔn)度逐步提升。對光學(xué)電壓互感器的研究從20世紀(jì)下半葉便開始，20世紀(jì)末開始注重實用研究，到今天，國內(nèi)外研究都取得了較大的進步。

電壓互感器作為電力系統(tǒng)必不可少的設(shè)備，朝著絕緣性更好，動態(tài)范圍更大，體積更小，抗干擾能力更強的方向發(fā)展。作為可以滿足這些要求的新型光學(xué)電壓互感器吸引了眾多科研工作者，并將光學(xué)互感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的互感器作為主要發(fā)展方向。

光學(xué)電壓互感器有著不可替代地優(yōu)點：

（1）光學(xué)互感器在絕緣性能上比傳統(tǒng)互感器有所提高，安全性得到提高。

（2）光學(xué)互感器與傳統(tǒng)互感器相比沒有磁芯，因此就不存在磁鐵諧振和固有磁飽和等問題［13］，更加穩(wěn)定。

除了以上兩條優(yōu)點，光學(xué)電壓互感器的優(yōu)勢還有體積小、重量輕和動態(tài)范圍廣等［14－16］。

目前新型光學(xué)電壓互感器作為一門新技術(shù)，與傳統(tǒng)電壓互感器相比有很多優(yōu)勢，但仍存在較多問題及需要改進提高的地方：

（1）基于泡克爾斯效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器需要光源、透鏡、起偏器、檢偏器、光電晶體、1／4晶體、接收器等光學(xué)元件并要求其具有確定的相對方位，并且溫度也對光學(xué)器件的相對方位有影響［17］，對其進行加工調(diào)試及粘接都較為復(fù)雜，因此其投入實用還存在困難。

（2）TIR延遲器［17］受溫度的影響，會產(chǎn)生隨溫度改變的相位差，互感器的穩(wěn)定性受到影響，從而靈敏度也下降。

（3）溫度會影響用于固定高低壓極的絕緣材料的體積，使極間距和晶體電場改變，穩(wěn)定性受到影響。

（4）基于泡克爾斯效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器中，溫度、振動等外界條件對傳感頭也有較大影響，因為線性雙折射對溫度和振動很敏感，目前仍沒有可以在外界環(huán)境急劇變化情況下能穩(wěn)定工作的光學(xué)電壓傳感頭，提高其穩(wěn)定性非常重要。

5 結(jié) 論

就現(xiàn)階段來說，光學(xué)電壓互感器已經(jīng)成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)互感器的主要研究方向。光學(xué)電壓互感器的優(yōu)勢在于它體積小、動態(tài)范圍廣、更加精確、絕緣簡單以及安全等方面；在提高其穩(wěn)定性上，可以從溫度對其穩(wěn)定性的影響，光學(xué)元件的組合連接、高壓絕緣等方面進行改進。