[科普中国]-220kV自愈式光学电压互感器

简介

基于电学测量的电压互感器相比，光学电压互感器(optical valtage transformer, OVT)具有带宽宽、动态范围大、安全性高、成本低、尺寸小和重量轻、可输出数字信号等一系列优点，因此近年来得到了广泛关注并获得大量研究成果。理想情况下，基于Pockels电光效应的光学电压互感器可实现对一次侧电压的精确复现，但是研究表明在实际应用中由于传感材料结构和属性随环境温度的变化而变化，从而降低了光学电压互感器的测量精度，导致光学电压互感器难以实用化。

国内外的专家学者对光学电压互感器的温度稳定性问题进行了大量研究，制定了一些有价值的温度补偿措施，如反馈实时监测的温度、利用传感通道结构的互补性消除温度影响等叶比。上述方法在某种程度上取得了一定的补偿效果，但仅仅是针对局部温度影响，对于传感头整体温漂问题作用不大1.

传感系统自愈原理自愈思想理想的光学电压传感系统为线性时不变系统， 理想传感系统的灵敏度与初始误差项均与时间无关。但在实际应用中，传感光路受到温度等环境因素的影响，且环境因素是随着时间不断变化的，这就导致系统灵敏度和初始误差不再是常数，而是随时间不断变化的。

可见，在实际环境温度实时变化的情况下，传感系统的数学模型为线性时变系统，欲对待测电压进行准确测量，必须消除环境温度对传感参数的影响，因此，引入了“自愈”的概念:光学电压传感系统的“自愈”是指在外界环境因素发生变化时，通过采取一定的措施或手段，引入外部独立量，将独立量的测量特性反馈给测量通道，从而消除或削弱外界环境因素的影响2。

自愈措施所采取的自愈手段为:在原有光学电压传感光路结构基础上，构建同载光路结构，引入新的独立变量一基准源电压，利用基准源测量光路(参考光路)传感参数的已知性对测量光路进行实时校正，从而使得传感器获得与环境因素无关的输出。同载光路为由同一块电光晶体传感的两路光路，其具有相同的实时灵敏度和初始误差，一路为测量光路，另一路为对测量光路进行实时校正的参考光路。可见，只需得到参考光路的实时传感参数，即可。

自愈过程

在进行测量时，利用两个传感光路对电网电压和基准源电压进行平行测量，并在自校正环节利用参考光路传感参数对测量光路进行校正。具体校正如图：

结构设计自愈式光学电压互感器包括电容分压器和光学电压传感头两个部分:电容分压器用于对电网电压进行适当的分压，以保证光学传感系统线性度的要求.光学电压传感部分用于实现对待测电压的精确测量。

电容分压器光学电压互感器用电容分压器与电容式电压互感器中的电容分压器作用相同，均为分压作用，但是对光学电压互感器用电容分压器有更高的精度和稳定性要求，因此对电容分压器进行了更为精细的优化设计，主要是通过杂散电容的仿真和计算分析杂散电容引起的比差和角差来进行额定电容的选取。

设计的电容分压器共包含176个电容元件，由上下两节组成，上节由88个高压电容串联组成，下节由86个高压电容串联后再与并联后的2个低压电容元件串联组成，其加工后整体结构尺寸为:绝缘子根部直径215 mm，大伞群外径为336，小伞裙外径为281，法兰直径350 mm。

电容分压器高压端额定电压为220万kV，工作频率为50 Hz，低压端额定电压360 V，完全满足传感器响应度和线性度的要求。

自愈式传感系统自愈式传感系统包括基准源测量系统、光学传感系统以及自愈处理系统。基准源测量系统包括基准电压源与电压采集单元。基准电压源是一个输出电压有效值为10 V，输出电压频率为800 Hz(经测试，频率选为800 Hz可以有效避免同载光路两路信号之间的相互干扰)的电压源模块，在实际应用中，其工作电源取自互感器应用现场的220 V工频电压。电压采集单元为一个电光转换器，将基准源电压转换为光强信号，再通过光纤传输到自愈处理单元。

光学传感系统即同载光路系统，包括参考传感光路与测量传感光路，两套光路平行排列，其相应光学元件的尺寸与结构完全一致，保证了环境温度对光学元件的影响程度一致，同时为了避免由于加工等因素造成的电光晶体材料对温度敏感性不同，两个传感通道采用同一块电光晶体。

自愈处理系统包括光电转换装置、电子电路部分及数字信号处理(digital signal process, DSP)运算单元。自愈处理系统主要完成光信号到电信号的转换、信号放大和处理、输出所需电压信号等。

讨论理想情况下，基于Pockels电光效应的光学电压互感器可实现对一次侧电压的精确复现，但是在实际应用中，由于传感材料结构和属性随环境温度的变化而变化，从而降低了光学电压互感器的测量精度，导致光学电压互感器难以实用化。

尽可能地改善温度对互感器测量精度的影响是光学电压互感器的一个重要研究方向。以前的研究多是通过对温度进行测量或屏蔽降低其对互感器的影响，方法较为粗略。采用的自愈方法实现了对传感参数的实时校准，理想情况下，在自愈互感器中，温度会影响传感材料结构和属性，但对电压测量精度无影响。

总结1)引入自愈概念，阐明运用自愈方法改善温度稳定性的原理和措施，并 了同载光路概念。

2)阐明互感器结构设计，包括高精度电容分压器及传感系统的实现方案。

3)对互感器进行了相关试验，试验结果表明研制的自愈式光学电压互感器达到0. 2级测量用和3P级保护用光学电压互感器使用要求。

4)自愈式传感方案极大地削弱了温度对光学电压传感头整体的影响，改善了光学电压互感器的温度稳定性1。