[科普中国]-双模干涉式光学电压互感器

简介

近年来，光学互感器在电力工业中的应用越来越广泛。相对于传统的互感器而言，目前的光学电压互感器产品有众多优点:具有较强的抗电磁干扰能力;能实现高、低电位之间的电隔离;而目测量频带很宽，能很好的与计算机、DsP等现代信号处理系统相兼容;体积小、重量轻1。

光学电压互感器的研究意义光学电压互感器就是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电力系统电压测量的新型互感器。与传统的电磁式电压互感器和电容分压电压互感器相比较，光学电压互感器的突出优点是：

（1）高低压完全隔离，安全性高，具有优良的绝缘性能和优越的性价比光电互感器是将高压侧信号通过绝缘材料做成的光纤传输到二次设备，这使得其绝缘结构大大简化，而目‘随着电压等级的升高，其性价比的优势越明显。它是用光缆而不是电缆作为信号传输工具，实现了高压端和低压端的彻底隔离，不存在电压互感器二次回路短路或电流互感器二次开路给设备和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。

（2）没有铁芯，不存在磁饱和、铁磁谐振等问题由于光学互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别，一般不用铁芯作磁祸合，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)功能齐全，测量精度高光学互感器能同时用于电压/电流测量和保护两种功能，不必使用多个不同用途的铁芯线圈，便可同时满足计量和继电保护的需要，而目‘还可以将电压、电流组合在一起，构成组合式光学互感器，这对于传统互感器而言是不可能的。目前，光学互感器的测量精度最高可以达到0.2级。

(4)频率响应宽，动态范围大光学互感器传感头部分的频率响应取决于光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。光学传感部件已经用于测量高压电力线路上的谐波和脉冲暂态电压。

(5)没有因充油而潜在的易燃、易爆等危险由于光学互感器的绝缘结构相对简单，一般不采用油作为绝缘介质，不会引起火灾、爆炸等危险。

(6)体积小，重量轻，节约占地面积因无铁芯、及绝缘油等，光学互感器的重量一般只有电磁式互感器重量的1/10,体积小，占地面积小，便于运输和安装。

(7)无污染，无噪音，具有优越的环保性能由于光学互感器中信号是通过光来传输的，因此，其不会产生噪音、电磁波等污染源，同时，可采用硅橡胶绝缘子和气体作为绝缘介质，替代传统的磁套绝缘子和绝缘油，这样可大大降低这些配套设备生产过程中带来的环境污染，具有优越的环保性能。

(8)适应了电力系统数字化、智能化和网络化的需要光学互感器可以根据需要输出低压模拟量和数字量，这可直接用于微机保护和电子式计量设备，而且能实现在线检测和故障诊断，在变电站综合自动化中具有明显的应用优势。

由于OVT具有众多突出的优点，因此它在电力系统中有着十分广阔的应用前景2。

双模干涉式光学电压互感器的基本原理由于当前的光学互感器大都利用sgo, sso等块状晶体的电光效应来实现的，其本身具有一定的局限性。因为，这种光学电压互感器产品需要自聚焦透镜、起偏器、波片、电光晶体等光学部件组合粘接而成，光学器件的加工和粘接工艺都比较复杂，不利于大规模生产，同时由于光学部件材料自身的原因，在安装、运输等过程中材料易损坏，给现场安装、运行和调试带来一定的困难。

为了进一步提高光学互感器的性能，克服以上的缺点，一种新型的光学电压互感器相继而产生。这种新型的传感器仅采用石英晶体和光纤作为敏感器件，通过光纤来检测和传输信号，不需要自聚焦透镜、起(检)偏器、波片、电光晶体等光学元件，加工工艺大大简化，同时由于石英材料自身的良好性能，使系统的抗外界干扰能力大大增强，而目‘这种传感器的结构更加简单，体积更小，重量更轻，能集成在气体绝缘开关等高压设备中，便于智能化。 基于石英晶体逆压电效应的光纤电压传感器是利用地与高电势间电场的线积分来测量高电压的，这种传感器可用于空气绝缘室外电力系统。利用电场线积分的方法求电压可防止邻近电场的干扰，以确保传感器信号不受电场分布的影响。

双模干涉式光学电压互感器的系统结构电压互感器采用全光纤干涉方案，它利用椭圆芯双模光纤中的低阶线性偏振模。电压互感器由二个干涉仪，即传感干涉仪和接收干涉仪构成，二个干涉仪都由椭圆芯双模光纤和压电晶体构成，如图2-1所示。

为了提高祸合效率用单模保偏光纤(起传光作用)把二个干涉仪连在一起，单模保偏光纤和椭圆芯双模光纤在熔焊时，要使两光纤轴心错开一定的横向偏移量，这样单模光纤中的LPo i模就可平均祸合到双模光纤的LPo i和LPl中。系统中光源为780 nm低相干多模激光二极管，输出功率为4 mw，实际工作波长为793 nm。系统由光源/检测(相位跟踪器)、光纤引线和传感头三部分组成。

光纤引线为连接光源/探测器和传感头部分，它处于控制室与现场之间。其作用一方面是将光源发出的光如实地传输到传感头部分，另一方面要将经传感头后被电压信号调制的光波如实地传输到检测部分，因而要求光纤引线对周围环境的扰动不敏感，所以采用单模保偏光纤作为光纤引线。

双模干涉式光学电压互感器的设计双模干涉式光学电压互感器的研究涉及到很多学科领域，例如激光原理、光波导理论和晶体物理学等，是一个跨学科的课题。这就需要清晰论述各相关领域的基础理论，还要将多学科的理论有机地结合到一起，从而形成关于双模干涉式光学电压互感器的系统理论。本章详细阐明这些理论，为双模干涉式光学电压互感器的研究提供理论基础，并给出双模干涉式光学电压互感器的设计。

1、光源 从双模干涉式光学电压互感器的基本原理可知要检测逆压电效应产生的相位差，需要采用白光干涉的办法将相位差信号转变为光强信号。白光干涉要求采用低相干长度的光源[85]。单纵模激光二极管相干长度一般为几米，因而不能满足要求;发光二极管(LED)属于低相干光源，但是它与光纤的祸合效率很低;相比而言，多模激光二极管既有较低的相干长度(只有几mm)，又能有效地与光纤祸合，所以是一种比较合适的光源}s},s}}

2、光纤 在双模干涉式光学电压互感器系统中使用了单模保偏光纤和椭圆芯双模光纤，而目‘要利用逆压电效应产生的双模光纤中LPo i和LPl模的相位差的变化来实现高电压的测量。

3、石英晶体与压电陶瓷 双模干涉式光学电压互感器系统的传感是基于石英晶体的逆压电效应，而主动零差相位跟踪是利用压电陶瓷的逆压电效应进行相位调制。因此我们论述石英晶体和压电陶瓷的性能特点，尤其是二者的压电效应3。

系统的误差分析及解决办法对双模干涉式光纤电压互感器的误差分析有利于系统参数的优化选择和误差的补偿，下面就是分析误差的影响因素，并给出解决办法。

环境温度是影响光纤电压互感器精度的最主要因素。在假定环境温度不变时当椭圆芯双模光纤的参数选择适当，使得归一化频率略低于LP 0dan模截止频率时，就能够保证有较大的光程差，残余可见度小到可以忽略不计，因此主动零差相位跟踪误差也几乎为零。但是当环境温度发生变化时，系统中很多参数都会发生变化，对系统的精度产生很大的影响。双模干涉式光纤电压互感器光源/检测部分位于控制室中，控制室中温度可以控制得较为稳定，因此温度对双模接收光纤、压电陶瓷、光源等处于控制室中的组件的影响可以忽略不计。 单模保偏光纤引线位于控制室与现场之间，在此忽略它对系统产生的误差。

双模传感光纤和石英晶体，即传感头部分位于测量现场，环境温度变化很大，因此温度对误差的影响主要是体现在对石英晶体和双模传感光纤的影响3。