光电式电压互感器的特点与发展趋势展望
光电式电压互感器的特点与发展趋势展望
郝夏楠
（山东大学电气工程学院，山东省济南市，250061）
【摘要】：概述了光电式电流互感器的结构、原理和优点，展望了光电式电流互感器的发展前景。分析了用光纤电压互感器测量电力系统直流电压的原理、介绍了测量系统组成的各个部分, 重点讨论了测量系统中的几个关键问题。
关键词：光电式电压互感器；现状；展望光电式电压互感器；温度；非线性
Development and characteristic of Optical Voltage Transformer
Hao Xianan
( School of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China)
Abstract：The structure, principle and its advantages of optical voltage transformer are presented. The prospect of optical voltage transformer is looked forward.
Key Words：Optical voltage transformer; The actual state; Prospect
0.前言
自1884年变压器问世以来，经历了一个多世纪，电磁式变压器类输变电设备得到了充分的发展，其中电流互感器以干式、油浸式和气体绝缘式多种结构适应了电力建设的发展需求。然而，随着电力传输容量的不断增长和电网电压的提高，传统的电磁感应式结构已逐渐暴露出与之不相适应的弱点。如油浸式或气体绝缘式等结构，对于500kV及以上电压等级的互感器，其制造工艺的复杂性、可靠性及造价都将令人难以接受，而且电磁式电流互感器所固有的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、使用频带窄等则更难以满足电力系统发展的要求。因此，寻求更理想电流互感器的任务已摆在我们面前。在科技较发达的国家，目前都已把注意力集中到光学传感技术上，应用光电子学的方法来解决电磁式互感器上述的弱点，，这就是所谓的光电式电压互感器(Optical voltage transformer，简称OVT)。光电式电压互感器从原理性研究，到实验室样机乃至到近几年来的挂网试运行，经历了半个世纪的发展。国际上德国的数字互感器发展的比较成熟。近几年来，随着国外光电互感器产品的出现，以
及国内陆续安装试用国外光电互感器，光电互感器的开发受到了产业部门和企业的重视。据有关资料分析，我国的光电互感器产业的市场潜力可达每年20亿元以上，但目前国内还没有能够提供正规产品的企业，但是随着中国电谷等地的电力发展我们必定能够赶超世界电力技术尖峰。估计再经过10年左右的时间，光电式电压互感器将全面走向工业运行。因此，21世纪，光电式电压互感器将使互感器技术进入一个崭新的时代。本文探讨性地介绍了光电式电压互感器的结构、原理和优点，并展望了光电式电压互感器的发展前景。
1.测量原理
某些物质具有光电效应,在外加电场的作用下, 对透过它的光发生坡克尔效应, 即其双折射快慢轴之间的相位差角 与外加电压V 之间具有如下关系
:
当系统确定后, 其值也随之固定。表达式( 1) 说明对电压V 的测量可以转化为对相位差角的测量, 图1 为测量原理图, 光源发出的光( P 0) 在外加电压作用下, 分解两束不同速度的光Px 和Py , 其光强由马吕斯定理可知
:
当较小时, sin结合( 1)、( 2)、( 3) 式, 可得测量电压的最终表达式( 4) :
式( 4) 表明: 只需测出光纤传感器输出的两束光Px 、Py的强度或相对强度, 就可以得到被测电压的大小。
2.光电式电压互感器的优点
与传统的电磁感应式互感器相比，光电式互感器具有如下一系列优点：
(1)优良的绝缘性能，造价低
电磁感应式互感器高压侧与二次侧之间通过铁心磁耦合。它们之间的绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上升。在OVT中，高压侧信息是通过由绝缘材料做成的玻璃光纤而传输到低电位的，其绝缘结构简单，造价一般随电压等级升高呈线性地增加。
(2)不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题
现代光电式互感器，一般不用铁心做磁耦合，因此消除了磁饱和及铁磁谐振现象而使互感器运行暂态响应好、稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。
(3)抗电磁干扰性能好，低压侧无开路高压危险
电磁感应式互感器二次回路不能开路，低压侧存在开路高电压危险。由于光电式互感器的高压与低压之间只存在光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，因此可保证高压回路与二次回路在电气上完全隔离，低压侧没有因开路而产生高压的危险，同时因没有磁耦合，消除了电磁干扰对互感器性能的影响。
(4)暂态响应范围大，测量精度高
电磁感应式互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，并在一个通道同时满足高精度计量和继电保护的需要。光电式互感器有很宽的动态范围，一个测量通道额定电流可测到几十安培至几千安培，过电流范围可达几万安培。因此既可同时满足计量和继电保护的需要，又可免除电磁感应式互感器多个测量通道的复杂结构。
(5)频率响应范围宽
光电式电流互感器传感头部分的频率响应取决于光纤在传感头上的渡越时间，实际能测量的频率范围主要决定于电子线路部分。现代光电式互感器的结构已经可以测出高压电力线路上的谐波。而电磁感应式互感器是难以进行这诸多方面工作的。
(6)没有因充油而产生的易燃、易爆炸等危险
电磁感应式互感器一般采用充油办法来解决绝缘问题，这样不可避免地存在易燃、易爆炸等危险。而光电式互感器绝缘结构简单，可以不采用油绝缘，在结构设计上就可避免这方面的危险。
(7)体积小、重量轻
(8)适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流
光电式互感器一般以数字量输出，这将最佳地适应日趋广泛采用的微机保护、电力计量数字化及自动化发展的潮流。
3.系统组成
由图1 的测量原理图可以看到, 整个测量系统由三部分组成: 光源部分( 含导光光纤) , 光纤传感部分,信号处理部分。系统工作时, 光源发出的光经光纤传到传感器, 光纤传感器在外加直流电压的作用下, 发生坡克尔效应, 使出射的两束光产生相位差角, 此相位差角正比于外加直流电压。通过对相位差角的测量, 可以计算出外加直流电压的大小。
1、光源部分
本系统中导光光纤采用多态硅石导光光纤。本底光源采用波长为840nm 的实用型LED 电光二极管作光源。由于LED 的发光强度与驱动电流有关, 而且为保证光源相对稳定, 光源电路部分采用镜像恒流源电路。
2、光纤传感部分
光纤传感是光电式直流电压互感器中很关键的一部分,其结构如图2 所示。
当系统工作时, 入射光首先通过起偏器变成一束线性偏振光, 在1/ 4 波片的作用下, 变成圆偏振光入射到波克晶体上。当外加电压加到电极上后, 由于电场的作用使透过波克晶体的光产生双折射形成椭圆偏振光, 经检偏器输出具有一定相位差的两束光, 进入后面的信号处理单元。在光纤传感部分中, 采用的传感晶体是波克晶体( Bi4Ge3O12) , 这种晶体具有良好的双折射性和旋光特性,而且介电率低, 横段面可以调整。
3、信号处理部分
光电式互感器测量直流与交流电的最大区别在于信号处理部分, 测交流电时一般采用交流直流分离法,测直流电时必须采用差光法。结构如图3 所示。
其工作原理: 光纤传感器输出的两束光通过导光光纤进入信号处理单元, 首先进行光电转换, 把光信号转变成电信号。由于本系统测量的是直流电压, 它形成的电场是稳定的, 所以输出光信号Px 、Py 的光强不随时间变化而变化, 故光电转换输出的电信号为直流。然后对此电流信号进行电流/ 电压变换, 将其转变为电压信号, 同时将其放大。对信号进行去噪处理后, 在单片机的控制下, 进行A/ D 转换, 在单片机内完成数字信号处理, 并显示处理结果。同时单片机和上位PC机进行通信, 在PC 机上通过良好的人机交互界面进行数据查询和图形显示。
光电二极管输出的信号是微弱的直流信号, 这要求前置放大电路( 含在光电转换中) 采用低温漂、低噪声精密仪用放大电路。同时由于信号是直流信号, 所以去噪处理部分采用超低频滤波器滤去噪声, 本系统采用截止频率为6Hz 的二阶有源滤波器完成去噪处理。此外, A/
D 转换器采用12 位数模转换器AD574来保证精度。
4.发展前景
国外20世纪60年代开始研究光电互感器，而我国光电互感器的研究始于上世纪70年代，通过近30年的探索，光电互感器逐步走向成熟，但作为一种新型互感器其还需要从以下几方面进行突破:
①新的传感头光学材料和块状玻璃型传感头结构仍需优化，
②电源供电模块应作进一步改进;
③采用现代信息处理技术，实现系统建模和数据处理的智能化;
④实现光电互感器的一体化、多功能化、简约化;
⑤实现与光纤通信技术的结合;
⑥订统一完善的行业标准和国际标准并加速实用化进程。
光电互感器作为光电传感技术和光电通讯技术应用于电力自动化领域的一种划时代的变革性产品受到人们的极大关注。它不但在电力系统正常和故障运行状态下能稳定、可靠、精确、线性地测量电压和电流，并且动态响应快、重量轻、体积小、成本低，适用于多种场合，是一种极有发展潜力的产品。随着光电互感器设备产业化的实现，随着材料科学加工工艺的发展，高稳定性、高精度的光电互感器必将会广泛运用到电力系统中，也必将成为电力自动化市场的主导产品。
其工作原理: 光纤传感器输出的两束光通过导光光纤进入信号处理单元, 首先进行光电转换, 把光信号转变成电信号。由于本系统测量的是直流电压, 它形成的电场是稳定的, 所以输出光信号Px 、Py 的光强不随时间变化而变化, 故光电转换输出的电信号为直流。然后对此电流信号进行电流/ 电压变换, 将其转变为电压信号, 同时将其放大。对信号进行去噪处理后, 在单片机的控制下, 进行A/ D 转换, 在单片机内完成数字信号处理, 并显示处理结果。同时单片机和上位PC机进行通信, 在PC 机上通过良好的人机交互界面进行数据查询和图形显示。
光电二极管输出的信号是微弱的直流信号, 这要求前置放大电路( 含在光电转换中) 采用低温漂、低噪声精密仪用放大电路。同时由于信号是直流信号, 所以去噪处理部分采用超低频滤波器滤去噪声, 本系统采用截止频率为6Hz 的二阶有源滤波器完成去噪处理。此外, A/
D 转换器采用12 位数模转换器AD574来保证精度。
4.发展前景
国外20世纪60年代开始研究光电互感器，而我国光电互感器的研究始于上世纪70年代，通过近30年的探索，光电互感器逐步走向成熟，但作为一种新型互感器其还需要从以下几方面进行突破:
①新的传感头光学材料和块状玻璃型传感头结构仍需优化，
②电源供电模块应作进一步改进;
③采用现代信息处理技术，实现系统建模和数据处理的智能化;
④实现光电互感器的一体化、多功能化、简约化;
⑤实现与光纤通信技术的结合;
⑥订统一完善的行业标准和国际标准并加速实用化进程。
光电互感器作为光电传感技术和光电通讯技术应用于电力自动化领域的一种划时代的变革性产品受到人们的极大关注。它不但在电力系统正常和故障运行状态下能稳定、可靠、精确、线性地测量电压和电流，并且动态响应快、重量轻、体积小、成本低，适用于多种场合，是一种极有发展潜力的产品。随着光电互感器设备产业化的实现，随着材料科学加工工艺的发展，高稳定性、高精度的光电互感器必将会广泛运用到电力系统中，也必将成为电力自动化市场的主导产品。
参考文献：
[1]Edw ard A. U lmer, Jr. Member. A High - Accuracy Optical TransducerFor Elect ric Power Syst ems. IEEE T ranson Pow er Del ivery, 1990; 5 (2) .
[2]A Review : Opt ical Current T ransducers For Systems. IEEE T ransonPower Delivery, 1994; 9( 4) .
[3]李红斌. 光学电流传感器的研究: