（电气工程专业论文）光学电压互感器的稳定性分析及可靠性研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 号，利用传统的互感器校验仪难以实现对o v t 的校验所研制的o v t 系统利用同步采 集方法实现了被测电压的复现并具有校验功能校验系统经权威计量单位测试，结果 表明，其准确度可以用来校验o v t 系统利用该系统对光学电压传感头作了大量的温 度稳定性和时间稳定性试验开发的1 1 0 k vo v t 系统已完成全部的型式试验和电磁兼 容试验，试验结果表明，o v t 的各项技术指标达到了预期的设计要求。 关键词：光学电压互慈器，p o c k e is 效应，双婶射，稳定性，可靠性 i 一 元器件应力分析可靠性预计法，电磁兼容 i i 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a lp o w e ri n d u s t r y , t h ec o n v e n t i o n a lm e a s u r e m e n t m e t h o d sl o o ki l lg r a d u a l l y , s op e o p l ea r em a k i n ge f f o r t st ou s en e wt e c h n o l o g i e st or e p l a c e t h ec o n v e n t i o n a lm e a s u r e m e n tm e t h o d s o p t i c a lv o l t a g et r a n s f o r m e r ( o v t ) i sg e r i n g f a v o u rb e c a u s eo f i t sa d v a n c e d p e r f o r m a n c e b a s e do na n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gr o u n d l yt h er e s u l t so b t a i n e di nl i t e r a t u r e ，t h e p a p e ri se m p h a s i z e d o nt h es t a b i l i t ya n a l y s i sa n dr e l i a b i l i t yr e s e a r c ho fo v t a l lk i n d so f f a c t o r s a f f e c t i n gs t a b i l i t y o fo v ta r e a n a l y z e da n dt h er e l i a b i l i t y o fo v ts y s t e mi s p r e d i c t e d t h ed e t a i l e dm e a s u r e si m p r o v i n gs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f o v ta r ep r o p o s e d t h en a t u r eo fb i 4 g e 3 0 1 2 ( b g o ) c r y s t a ls e n s i n gm e a s u r e dv o l t a g ei st h a tt h eo p t i c a l c h a r a c t e ro fb g o c r y s t a li sc h a n g e db yt h ee l e c t r i cf i e l d ，s ot h a tt h el i g h tp a s s e dt h r o u g h b g o c r y s t a li sm o d u l a t e d b e s i d e se l e c t r i cf i e l d ，t h eo p t i c a lc h a r a c t e ro f b g o c r y s t a lc a l l b ec h a n g e db yo t h e rf i e l d s ，s u c ha st e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l d i nt h i sp a p e r , o v ti s r e g a r d e da sat h e r m a ld y n a m i c ss y s t e mf o rt h ef i r s tt i m e t h a tt h et e m p e r a t u r ef i e l da n d s t r e s sf i e l da f f e c tt h eo p t i c a lc h a r a c t e ro fb g o c r y s t a li sa n a l y z e dr o u n d l ya n ds y s t e m l y , a n dt h er u l eo ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds f 6 a f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo f o v ti sg a i n e d w h e n t h ec h a n g er a t eo ft e m p e r a t u r ei su n i f o r m i t y , t h a ti s ，t h e r ei sn ot e m p e r a t u r eg r a d si nt h e b g oc r y s t a l ，t h e t h e r m o o p t i c a l e f f e c th a sn oa f f e c to nt h e s t a b i l i t y o fo v t , b u tt h e s t a b i l i t yo fo v t w i l lb ea f f e c t e db yt h et h e r m o s t r e s sp r o d u c e db yt e m p e r a t u r ec h a n g e w h e nt h es f 0i si nt h es t a t eo f b a l a n c e ，t h eg a sp r e s s u r eh a sn oa f f e c to nt h es t a b i l i t yo f 0 v t t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo fo v ti sv a r i o u s i nt h i sp a p e r , t h es t a b i l i t yo fo v t i sa l s oa n a l y z e df r o mt h eb i r e f r i n g e n c eo fb g o c r y s t a l ，l i g h tp a s ss y s t e m ，s i g n a lp r o c e s s s y s t e m ，i n s u l a t o r s t r u c t u r ea n dt h ec h a r a c t e r so f o p t i c a l s o u r c e t h es i m u l a t i o no n i n t e r f e r e n t i a l b i r e f r i n g e n c ea f f e c t i n g t h e s t a b i l i t y o fo v ti s d o n e ，w h i c h s h o w s q u a n t i f i c a t i o n a l l y h o wt h et o t a li n t e r f e r e n t i a l b i r e f r i n g e n c e a n di t s c h a n g e a f f e c tt h e s t a b i l i t yo f o v t i nt h i sp a p e r , t h er e l i a b i l i t yo fo v ti sr e s e a r c h e df o rt h ef i r s tt i m e t h er e l i a b i l i t y s t r u c t u r a lm o d e la n dm a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d t h er e l i a b i l i t yo fo v t i sp r e d i c t e d b y u s eo fp a r t ss t r e s s a n a l y s i s m e t h o d t h er e s u l t ss h o w so v tc a nb ef u n c t i o n e d r e l i a b i l i t yi n1 4y e a r s ，w h i c hp r o v i d e st h et h e o r yr e f e r e n c ef o rc o m m e r c i a l i z a t i o no fo v t i i i 华中科技大学博士学位论文 i np o w e rs y s t e ma ss o o na sp o s s i b l e i no r d e rt o i m p r o v et h ei n h e r e n c er e l i a b i l i t yo fo v t , s o m em e a s u r e sa r ep r o p o s e d s u c ha sc h o o s eo fi n s u l a t o r ，c h o o s eo fo p t i c a lc o m p o n e n t sa n de l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ， d r o p p e dr a t i n gd e s i g n ，t h e r m a ld e s i g n a n d e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yd e s i g n o v t b e l o n g s t oe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r , a n di t ss e c o n d a r yo u t p u ti sl o wl e v e lo rd i g i t a l s i g n a l i ti s d i f f i c u l tt oc a l i b r a t eo v t b yu s i n gc o n v e n t i o n a lt r a n s f o r r n e rc a l i b r a t o r o v t d e v e l o p e du s i n gs y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o nr e a l i z e sr e p r o d u c eo fv o l t a g em e a s u r e da n di s p r o v i d e dw i t hc a l i b r a t i n g f u n c t i o n t h ec a l i b r a t i n gs y s t e mi sc h e c k e db ya u t h o r i t a t i v e o r g a n i z a t i o na n dt h er e s u l ts h o w s t h a tt h ea c c u r a c yo fo v ti se n o u g ht oc a l i b r a t eo v t s y s t e m a l lt y p et e s t sa n de m c t e s t s0 no v ta r ed o n e ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a to v t r e a c h e st h ee x p e c t a n td e s i g ns p e c i f i c a t i o n s k e y w o r d s ：o p t i c a lv o l t a g et r a n s f o r m e r , s t a b i l i t y ,r e l i a b i l i t y , e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y p o c k e l se f f e c t ， b i r e f r i n g e n c e p a r t ss t r e s sa n a l y s i sm e t h o d ， i v 华中科技大学博士学位论文 第一章绪论 随着电力工业的不断发展，传统测量方法在电力系统的应用中逐渐显得乏力，因此，人们努 力寻求采用新技术，新成果来取代传统的测量方式光学电压互感嚣正以其优越的性能逐步受到 业界人士的青睐本章重点介绍了光学电压互感器的优点、发展概况，以及开展光学电压互感器 的稳定性和可靠性研究的意义，最后介绍了作者所作的工作及全文的主要内容 1 1 光学电压互感器( 0 v t ) 的优越性 在电力系统中，人们长期以来一直使用电磁型电压互感器以及电容分压式互感器 来测量系统电压，据其精确度来测量、计算电能和实现继电保护。随着电力系统容量 的增长和电压等级的增高，传统的电压互感器已经暴露出一系列难以克服的缺点：绝 缘结构的日趋复杂化导致了互感器成本不成比例的增加；互感器铁芯结构所固有的磁 饱和、铁磁谐振、动态范围小、频带窄等则更难以满足电力系统发展的要求；电压互 感器产生的暂态信号可能引起快速保护器件的误动作，这也与电力系统的安全、可靠 运行的基本要求相违背。而同时，随着科学技术的不断发展，许多新技术、新成果正 层出不穷，对传统的技术和行业形成了巨大的冲击。综合这些影响因素，促成了人们 从原则上开始逐步转向新技术和新成果的应用。基于光学传感技术的光学电压互感器 ( o p t i c a lv o l t a g et r a m f o r m e r , 简称o v t ，下同) 正是在此背景下应运而生的产物， 其有效地克服了传统电压互感器所固有的缺点，几十年来一直受到美国、日本、法国 和中国等多国专家学者的广泛关注和深入研究川【2 】【3 2 3 1 1 2 9 i 。 目前，光学电压互感器还没有形成统一的国际标准，对其定义也还没有明确的规 范，国际电工委员会暂将其列为电子式电力互感器一类，因此，光学电压互感器的技 术规范比照电子式电力互感器的规范执行。在众多各式各样的光学电压互感器中，其 结构基本上都是一样的，如图1 1 所示，光学电压互感器一般主要由以下四部分组成： ( 1 ) 确保内部和外部绝缘性能的高压部分，也称为一次电极结构；( 2 ) 光学电压传 感头( o p t i c a l v o l t a g es e n s o r ，简称o v s ，下同) ，将入射光调制成与被测电压，电场信 号相关的信号；( 3 ) 传输光纤光缆部分，将从光源出射的光发送到传感头，同时将从 传感头出射的调制光传送给光电转换电路：( 4 ) 电子电路部分( 包括光源驱动、光电 华中科技大学博士学位论文 图1 1光学电压互感器系统的结构框图 转换及信号处理等) ，将携带被测电压电场信息的调制光进行解调，进行相关处理后 复现被测信号。 由o v t 的系统结构可见，与传统的电磁型电压互感器或电容分压式电压互感器 相比，光学电压互感器有着如下一系列技术优势： ( 1 ) 优良的绝缘性能和性价比 传统的电磁式互感器利用铁芯线圈磁耦合的方式感应被测电压，绝缘结构复杂， 且其造价随电压等级的升高呈指数上升。而o v t 的一次部分采用光学晶体( 绝缘材 料) 作为敏感元件，使其绝缘结构大大简化。且同一传感头只需配合所需电压等级的 外绝缘和内部绝缘即可应用于相应电压等级的电压测量，具有优良的绝缘性价比。 ( 2 ) 测量频带宽、动态范围大 传统的电磁式电压互感器由于磁路容易饱和、铁磁谐振等原因限制了其动态范 围；其暂态过程产生的大量谐波噪声，容易使继电保护产生误动作。而利用光学传感 原理的o v t ，因为光子的响应速度极快，本征频率极高，o v t 的测量频带尽受限于 信号处理电子电路的响应速度，测量动态范围亦大大加宽，同一台o v t 即可同时实 现计量和保护的功能。 ( 3 ) 实现了高低压之间的彻底隔离，可靠性、安全性高 电磁式电压互感器的二次回路如遇短路，将给设备和人身安全造成危害，内充的 华中科技大学博士学位论文 绝缘油还有潜在的爆炸危险；电容式电压互感器的放电噪声使继电保护误动作而使系 统的可靠性降低。而o v t 用光学方法来传感被测信号，用光纤来传输信号，实现了 高低压之间的彻底隔离，没有爆炸、起火等危险，大大提高了系统的可靠性和安全性。 ( 4 ) 体积小、重量轻 o v t 因无需铁芯、线圈及绝缘油等，其重量一般仅为电磁式电压互感器重量的五 分之一左右，且体积小，便于运输和安装。 ( 5 ) 适应了电力系统数字化、智能化和网络化的需要 电磁式电压互感器的二次输出( i o o v 或1 0 0 v 4 3 ) 适用于电磁式保护继电器， 与微机继电保护装置的接口需通过相应的电量变送器，该环节中容易引入干扰，无疑 将降低系统的可靠性。o v t 可根据需要从二次侧直接输出低压小信号( 几伏) 的模拟 蠹或和数字量，可方便地适用于微机保护和电子式计量设备。 随着国际电工委员会对i e c 6 0 0 4 4 7 电子式电压互感器国际标准【7 列的正式出台， 光学电压互感器已经具有了较一致的技术规范，尽管这个标准还有待进一步完善，但 毕竟是第一个与光学电压互感器有关的技术规范，这对于推动整个行业对光学电压互 感器的规范化发展和研制，具有非常积极的意义。而且，随着我国电力需求及电力工 业自身的日益发展，以及国家西部大开发战略和西电东送等重大工程项目的实施，光 学电压互感器必将以其优越的性能、极高的可靠性得到电力系统的认可，并逐步得到 较为广泛的应用。 1 2 光学电压互感器的发展概况 光纤传感技术是国际上七十年代发展起来的- - i 新技术。它以光子技术为基础， 将被敏感的状态量以光信号的形式取出，因此具有电气绝缘性好、抗干扰能力强、响 应速度快、体积小、重量轻、可遥测遥控及安全可靠等一系列优点，且便于与光纤通 信、计算机系统联网，组成完整的监测、控制和保护网络。近年来，这项技术受到了 美、英、日、加、德等国的重视，开展了大量的研究工作，且取得了显著的成绩。光 纤传感器已用于温度、压力、振动、位移、速度、磁场、电场、电流、电压、液位、 流量、旋转以及辐射等多种物理量的测量【4 】【5 1 。 随着电力工业的发展，电力系统如变电站、电力传输线等的容量越来越大，电压 华中科技大学博士学位论文 等级越来越高，导致检测设备日益庞大，绝缘难、造价高、可靠性差等问题日益突出。 此外，随着计算机技术的广泛应用，强电和弱电、一次设备和二次设备之间的绝缘和 信息传递的可靠性问题也经常遇到。因此，迫切需要新的测量方法来替代传统的检测 手段，光纤传感器的出现为解决这一问题提供了有利条件f 】0 】f 2 8 1 1 3 2 1 。 早在二十世纪六十年代，人们就在探索光学传感技术在高压电力系统中的应用【7 】， 出于当时光导纤维尚未出现，光通路中的光强波动厉害，测量的稳定性很差。七十年 代随着光导纤维的出现，光纤传感技术在高压电力系统中的应用研究出现热潮【8 i 【9 1 ， 日本、英国和前苏联等国的学者曾研制出几种光学电压互感器，但处于精度低、温度 稳定性差的困惑之中，皆未挂网运行。八十年代后期，随着电子技术、计算机技术及 光纤传感技术的深入发展，光纤传感技术在高压电力系统中的应用研究取得了突破性 进展，取得了令人注目的成果。美国、日本和法国等国的众多大电气公司先后研制出 多种实用型基于p o c k e l s 效应的o v t ，并在实际高压电站的长时间运行获得成功 0 0 l ( “1 1 2 4 。九十年代以来，光学电力互感器的研究进入实用化阶段，美国、日本、法国 等技术发达国家陆续公布了他们研制的各种光学电力互感器运行及鉴定的数据 u 2 1 1 耶8 】【3 0 i ，并出现了产品广告卅【6 1 【39 1 。 美国于1 9 8 7 年在田纳西州电管局( t v a ) 所属的m o c c a s i n 电站首次安装了三相 t 6 l k v 全f a r a d a y 磁光型组合式光学电压电流互感器【l ”。电压的测量是通过一个磁光 幽1 2 磁光型光电互感器 图1 3c h u b u 公司研制的光学 零序电压电流互感器 4 华中科技大学博士学位论文 ：j 一_ = = ；= = = = ；j 自自_ _ _ ；目；= ；目l = t 目j _ e = ；= = _ = 传感器测量高低压间电容分压器的泄漏电流来获得，其结构图如图1 2 所示。经过六 个多月的测量，该光学互感器与传统的油浸电磁式互感器系统比较，相差不到l 。 日本n g k 公司在八十年代就开始了光学电压电流互感器的研究工作，主要从事 低压光学零序电压电流互感器的研制【1 5 】，1 9 8 6 年5 月研制成功样机，1 9 9 1 年7 月公 布了用于配网自动化系统的挂网运行数据。另外，日本的m i t s u b i h i 公司与c h u b u 公 司、i t a m i 工厂成立了联合研究小组，开展光学零序电压电流互感器的研制，1 9 9 1 年 1 月报道了他们研究并挂网运行的组合式光学零序电压电流互感器，如图1 3 所示。 1 9 9 7 年1 月a b b 公司推出了额定电流2 0 0 0 a 的 5 k v 5 5 0 k v 的光学电压，电流互感器的产品介绍 1 4 1 ，如图 1 4 所示。其绝缘支柱采用内充s f 6 气体的硅橡胶复合绝缘子。 电压的测量采用基于p o c k e l s 电光效应的纵向调制光学电压 传感器，无需电容分压器，被测电压直接加于晶体两端，电 压传感器置于绝缘子中部，s f 6 气体保证互感器具备相应的绝 缘水平，其测量精度达到i e c l 8 6 精度等级0 2 。整个互感器 重量比较轻，5 5 0 k v 电压等级的产品总重量仅为2 7 6 7 k g 。 法国g e ca l s t h o m 公司在美国b o n n e v i l l e 安装了 5 2 5 k v 的光学电压电流互感器，其后，又陆续在荷兰、比利 时、加拿大和法国等国的变电站挂网试运行。1 9 9 7 年，又推 出了1 2 3 k v 7 6 5 k v 光学电压电流互感器的产品广告【6 j ，电 压传感头采用基于b g 0 晶体p o c k e l s 纵向电光效应的结构， 被测电压经电容分压后加于晶体两端，电压传感器置于硅橡 胶复合绝缘子的顶部，光纤在绝缘子内以螺旋式结构由顶部 引至下端，其外形结构如图1 5 所示。互感器可同时输出计 量和保护用信号，采用了双光路结构提高o v s 的温度稳定 性，在一5 0 + 7 0 的温度范围内其计量精度可达o 2 。 图1 4a b b 公司研制 的光学电压互感器 图1 5a l s t o m 公 司研制的o v t n x t p h a s e ( h t t p ：w w w n x t p h a s e t o m ) 公司是一家专门从事开发光学电e 电流互感 器的私营企业。其开发的基于p o c k e l s 效应的光学电压互感器，如图1 6 所示，是利 用了三个分布式电场传感器来获得稳定的设计，传感器的线性度从5 1 8 0 额定电 华中科技大学博士学位论文 压的范围内达到o 2 f 1 6 ”l 。2 0 0 0 年3 月在s u r r e y , b r i t i s hc o l u m b i a 的b ch y d r o s i n g l e d o w 变电站，安装了2 3 0 k v 电压等级的电压互感器；2 0 0 1 年1 0 月又在m o n t r e a l 岛的r o l l sr o y c eg a d t u r b i n 发电站安装了1 3 8 k v 电压等级的三相系统，并计划将电压 等级推广到7 6 5 k v 。 o v t sa tt h ei n g l c d o ws u b s t a t i o n ，s u r r e y , b c ，c a n a d a 图1 6n x t p h a s e 开发的o v t 在现场运行 图1 72 2 0 k v 组合 式光电互感器 我国对光学互感器的研究始于8 0 年代，先后有清华大学、电子部2 6 所、北京电 科院、上海互感器厂、沈阳变压器厂、哈尔滨工业大学、华中科技大学等多家科研院 所歼展这项研究工作。目前已有多种o v t 的样机研制出来f 1 9 【2 0 1 ，但绝大多数是处 于实验室阶段，文献上少有关于挂网运行的报道。1 9 9 3 年，华中理工大学电力系与广 东省新会电力局合作研制出单相1 1 0 k v o v t 样机，并于同年1 2 月在新会电力局大泽 变电站挂网试运行：1 9 9 8 年与广东顺德特种变压器厂合作研制出带微机保护装置的三 相1 1 0 k v o v t 样机【2 l 】【2 2 j ，并于同年1 0 月在新会三江变电站挂网试运行。1 9 9 8 年5 月， 华中理工大学和湖南省电力局合作，在国内率先开始了组合式光学电压电流互感器的 研究工作，并于2 0 0 0 年1 1 月成功研制出三相2 2 0 k v 组合式光学电压电流互感器样机 f 3 1 心】( 如图1 7 所示) ，完成了各项型式试验和电磁兼容性试验，通过了湖南省电力 局组织的专家评审。 6 华中科技大学博士学位论文 1 3 开展光学电压互感器稳定性和可靠性研究的意义 从光学电压互感器的发展历程来看，o v t 的开发和实用化已经引起世界各国相关 行业的高度关注，而且不断有样机问世及挂网运行的报道，但我们也应该看到，尽管 人们在o v t 的实用化上进行了许多大胆的尝试，但许多都是昙花一现，在实用化方 面，没有取得突破性进展，特别是在o v t 的稳定性问题和可靠性研究方面，还有许 多有待进一步深入开展的工作。 首先，o v t 的稳定性是其实用化进程中要解决的首要问题。影响o v t 稳定性的 因素是多方面的，具体来说，集中体现在以下几个方面： o v t 测量电压电场的实质是在电场的作用下，晶体的光学性质被改变，从 而使通过晶体的光被电场所调制，但除了电场外，晶体的光学性质还能被温度场、应 力场等其它物理场改变，因此，o v t 运行环境中温度变化、气体压力的存在也将使晶 体的光学性质发生变化，它们都会使o v t 的稳定性受到影响； 在光学晶体的生长、提拉过程中，晶体中不可避免的存留有应力双折射， 这些双折射会随时间和温度而变化，且这种变化尚无确切的规律可循( 目前尚未有文 献报道) ，这些双折射如果叠加在有用的电光效应双折射上，会对o v t 的稳定性带来 严重的影响： 组成光学传感头的各光学元件采用分立器件，它们之间通过光学胶人工粘 接固化而成，在粘接过程中，由于工艺原因和人为因素的分散性，各光学器件间不可 避免会有偏差角的存在，这会给光学器件之间的光路耦合带来影响，严重时将大大影 响o v t 的稳定性； 电子电路中的电子元器件都具有一定的温度漂移和时间漂移，这些漂移将 使系统的稳定性和可靠性大大降低； o v t 实际上测量的是晶体中的电场，而电场受到主绝缘介质性能的影响， 主绝缘介质的热胀冷缩变化会使电极间距离发生变化，从而导致传感晶体上电场的改 变，影响o v t 的稳定性； o v t 的灵敏度是光波长的函数，而光波长由光源l e d 的特性直接决定，l e d 的中一i l , 波长及谱宽发生变化也将会影响o v t 的稳定性。 以上问题也是当前o v t 研制过程中的共性问题，有诸多文献从不同角度对上述问 华中科技大学博士学位论文 题进行了分析和阐述，但都没有形成一个统一的理论体系和完整的物理概括，在研究 过程中会显得顾此失彼，不够全面。因此，从整个o v t 的物理体系出发，从物理场的 概念上来对影响o v t 稳定性的问题进行全面分析和概括，这对于这些共性问题的全面 解决和o v t 的实用化具有非常重要的理论意义和实际意义。 其次，安全可靠运行是电力系统的基本要求，而作为电力系统基本设备之一的光 学电压互感器，同样应具备相应的可靠性水平。在i e c 6 0 0 4 4 7 标准中，对电子式电 压甄感器的可靠性要求进行了明确规定，在关于可靠性的条款6 8 中陈述：“电子式 电压互感器的可靠性要求与变电站用电子器件相类似。所以，电子式电压互感器应同 等对待。” 然而，当前国内外对于o v t 可靠性进行研究分析及评估方面的工作还微乎其微， 对这方面的研究报道更是异常欠缺，难见一斑，这同时也极大地限制了o v t 实用化工 作的进一步开展；而且相对于传统互感器近一个世纪的运行实践经验而言，o v t 还只 是一个新生事物，在其可靠性分析、使用寿命预计和连续运行数据分析等方面，有待 深入歼展工作。因此，开展o v t 的可靠性研究和评估，为o v t 的实用化提供可靠的理 论支持，对保证o v t 能否长期稳定、可靠运行，具有重大的理论意义和现实意义。 总之，光学电压互感器的研究已经成为光纤传感技术在电力系统中应用的热点之 一，国外许多技术发达国家都投入了大量的人力、物力和财力从事这项研究工作，并 一直领导着世界光电互感器研究的发展趋势；我国在这方面起步较晚，在实用化方面 与国外先进水平还有较大的差距，而且国外光电互感器产品已经成功进入中国市场。 因此，为尽快赶超国际先进水平，加快我国光电互感器实用化、产品化的步伐，深入 开展光学电压互感器稳定性和可靠性问题研究，既是一项具有重大理论意义的研究课 题，也是我们面临的一项迫切需要解决的实际问题，更是我们面临的一次机遇与挑战。 1 4 课题来源及本文的主要内容 为了促进我国电力工业的发展，使o v t 进入实用化阶段，我们于2 0 0 0 年5 月与 江苏省如皋高压电器厂合作开发江苏省科学技术厅的科技攻关项目，研发1 l o k v 、 2 2 0 k v 新型光学电压互感器样机各三台。本项目在课题组全体人员及合作单位的共同 努力下，历时两年，现已基本完成。课题中作者主要完成了如下一些工作：参与了 华中科技大学博士学位论文 o v t 的方案论证及总体结构设计；设计制作了光学电压传感头，并进行了一系列的 温度稳定性试验；从理论上系统全面地研究分析了影响o v t 稳定性的各种因素： 首次对光学电压互感器的可靠性问题进行了分析评估，提出了o v t 的可靠性设计措施， 为o v t 的实用化提供了参考依据；参与了o v t 挂网试运行前的各项试验工作。 本文主要由六章构成。第一章为概论，主要介绍了光学电压互感器的优越性，o v t 的发展历史、研究现状以及研究o v t 地稳定性和可靠性的重大意义，最后介绍了课题 的来源及作者所作的工作和全文的内容：第二章详细论述了o v t 的检测原理，其中对 常用的几种o v t 检测原理进行了比较分析，并重点阐述了作者参与开发研制的横向调 制光学电压传感头的原理；第三章对o v t 的稳定性影响因素进行了全面系统的分析， 作者将o v t 作为一个热力学体系，从影响b g o 晶体光学性质的外界场出发，分析了温 度场、应力场对b g o 晶体光学性质的影响以及对o v t 稳定性的影响，作者还从b g o 晶 体的自然双折射，光路系统、电子电路、绝缘结构以及光源特性等方面分析了它们对 o v t 稳定性的影响；第四章对o v t 的可靠性进行了评估，首先介绍了可靠性的相关理 论，提出了分析o v t 的可靠性的具体模型，利用国际通用的有关标准及元器件应力可 靠性分析方法对o v t 系统的可靠性进行了评估，为o v t 的实用化提供了依据。第五章 其体阐述了o v t 系统的可靠性设计，针对o v t 运行所处的电磁环境，提出了改善o v t 可靠性、稳定性的若干具体措施；第六章对o v t 系统的试验情况进行了分析研究，首 先对o v t 系统的比差、角差测试系统进行了介绍，该系统经校验，可作为o v t 的比差、 角差测试、校验系统，利用该系统对o v t 进行了温度稳定性、时间稳定性试验，并对 试验结果进行了分析研究，并给出了o v t 系统的型式试验和电磁兼容试验的部分结果， 本章最后对全文进行了总结并展望了有待进一步开展的工作。 本章小结： 光学电压互感器已经成为一个研究热点问题，其技术和成本优势已经在电力 工业中凸现，但在光学电压互感器的实用化方面，特别是在o v t 的稳定性问题和可靠 性研究方面，还有待进一步深入开展工作本章在分析国内外现有技术的基础上，确 定以o v t 的稳定性和可靠性问题作为本论文的研究重点，并对全文内容进行了介绍 9 华中科技大学博士学位论文 第二章光学电压传感器的原理分析与比较研究 光学电压互感器的基本工作原理主要是依据存在于桌些功能材料的物理效应，如p o c k e ls 效 应( 线性电光效应) 、k e r r 效应( 二次电光效应) 以及逆压电效应等本章将对目前国内外光学 电压互感器的主要传感原理进行介绍，比较其各自特性，分析存在的问题，并提出相关解决措施 最后详细阐述了横向调制型光学电压传感器的工作原理 2 1 基于p o c k e l s 效应的光学电压传感器 p o c k e l s 效应“1 是指某些晶体材料在外加电场作用下，其折射率随外加电场发 生变化的一种现象，亦称为线性电光效应。当线偏振光沿某一方向入射处于外加电 场中的电光晶体时，由于p o c k e l s 效应使线偏光入射晶体后产生双折射，这样从晶体 出射的两双折射光束就产生了相位延迟，该延迟量与外加电场的强度成正比，有： 占：施：坐( 2 1 ) 式中e 为晶体所处的外加电场的场强，k 为与晶体材料的性质及通光波长相关的一个 常数，v 为晶体上外加电压的大小，为晶体的半波电压( 是指由p o c k e l s 效应引起 的双折射两光束产生1 8 0 。相差所需的外加电压的大小) ，d 为由p o c k e l s 效应引起的 双折射两光束的相位差。由式( 2 1 ) 可见，通过检测该相位差即可得知外加电压 电场的大小。 根据电光晶体中的传光方向与电场方向的关系，基于p o c k l e s 效应的光学电压传 图2 】横向调制型光学电压传感器 华中科技大学博士学位论文 感器可分为横向调制光学电压传感器和纵向调制电压传感器“。图2 1 和图2 2 分 别为横向调制型和纵向调制型光学电压传感器，从图2 1 和图2 2 中可知，横向调制 型o v s 中，电光晶体中的传光方向与电场方向是相互垂直的，而纵向调制型o v s 中， 电光晶体中的通光方向则与所加电场的方向平行。 对横向调制的p o c k e l s 光学电压传感器，以b g o 传感晶体为例，其半波电压 = - 羔，式中，入为光波波长，为晶体的折射率，l 为晶体通光方向的长度， z n o n l o d 为晶体沿施加电压方向的厚度，y 。是晶体材料的线性电光系数。由上可知，采用横 向调制结构时，晶体的半波电压与晶体的尺寸有关，减小晶体的厚度、加大晶体通光 方向的长度，可减小半波电压，提高传感器的灵敏度。横向调制时，晶体上无需透明 电极，加工制造比较容易，此外，调整传感器电极间的距离，可改变晶体所承受的电 场强度，使传感器能方便地适用于不同电压等级的测量。但横向调制光学电压传感器 实际上测量的是晶体中光线通过处的电场强度，晶体的热胀冷缩及电极间距离的波动 均将影响测量精度。 图2 2 纵向调制型光学电压传感器 纵向调制型p o c k l e s 光学电压传感器中，外加电场与通光方向平行，其引起的总 p o c k e l s 效应是由晶体中沿光束方向上各处电场所引起的p o c k e l s 效应的累积。在图 2 2 ( a ) 中，a 、b 两点间的电压差就等于a 、b 两点问电场沿任路径的积分，即 华中科技大学博士学位论文 = f 舌万 ( 2 2 ) 上式积分与a 、b 两点间的电场分布无关。因此，纵向调制型光学电压传感器实现了 对直接施加于晶体两端电压的测量，且测量结构不会受外界电场等干扰因素的影响。 僵纵向调制型光学电压传感器在高电压下的应用遇到两个方面的困难，一是绝缘成本 问题，具有足够绝缘强度的晶体材料，其成本将是巨大的，而小尺寸的晶体其绝缘强 度又不够；另外被测电压往往大于电光晶体的半波电压( 圪= _ 一) ，使得其输出 2 n ；，4 l 信号与电场并非线性关系，因此加大了信号解调的难度。 针对上述问题，一些文献提出了解决方案。如文献 4 2 提出了一种利用插值法求 被测电压的方法。其传感器结构如图2 2 ( a ) 所示，采用纵向调制方式的电光效应，被 没电压直接施加于一具有足够耐电强度的电光晶体上。传感器的输出采用双光路，其 中一光路加有四分之一波片，使两输出光束间产生万2 的相位差，形成两路正交光输 出，其光强，。和，：分别为： 卜k s i n 2 ( 擎) ，2 _ k s i n 2 ( 擎圳4 ) ，。1 + ，2 = ，o ( 2 3 ) 式中，。为入射光通过起偏器后的光强，圪为电光晶体的半波电压。根据上式利用插 值法即可求得被测电压，从而解决了被测电压大于晶体半波电压时引起的信号难以 解调的问题。a b b 公司研制的1 1 5 k v 5 5 0 k vo v t 就采用的这种方法“”。 a l s t h o m 公司研制的1 2 3 k v 7 6 5 k vo v t 则利用电容分压器将被测电压分压后， 再加至纵向调制晶体上“1 ，如图2 2 ( b ) 所示，这样降低了晶体上的承受电压，解决了 晶体绝缘困难的问题。另外一种方案则是文献 2 6 提出的将电光晶体加工成较薄的小 片，与介电常数较小的无电光效应的介质相互间隔地粘接起来，构成一种多片结构的 纵向p o c k e l s 效应传感器，如图2 3 所示。通过提高晶体半波电压的方式解决了信号 华中科技大学博士学位论文 难以解调的问题，加入无电光效应的介质解决了晶体成本及绝缘问题。若以b g o 晶体 作为敏感材料，则多片p o c k e l s 效应调制器的半波电压可表示为： 以：掣一矗争 a ， 以= 蠢 圳1 + 嚣等 q 叫 式中五为入射光波长，p 。y 4 。分别为8 g o 晶体的折射率和电光系数，为b g o 晶体 的纵向调制原理时的半波电 压，和岛分别为b g o 晶体和 介质的介电常数，d 、和d ：分别 为各片b g o 晶体和透光介质的 厚度，n 为b g o 晶体的片数。由 上式可见，适当地选取s ：、d 。、 d ，及r l 的数值，可使纵向调制 光学电压传感器的半波电压得 剞at-4 i 弋f 。 ，卜 晶体抓 薄片慕e叫 电极 与惑 波片1 l卜起偏器 1 1 一o l 以大大提高。 图2 3 多片结构纵向p o c k e l s 效应o v s 但是这种方案需将晶体切割成薄片并粘接于介质上，且要保证各晶体薄片的晶向 一致，增加了加工制作难度，粘接工艺将变得复杂，难以确保粘接精度。 2 2 其它类型的光学电压传感器 2 2 1 基于k e r r 效应的光学电压传感器 k e r r 效应即二次电光效应，是介质在外电场作用下产生的与电场强度二次方成正 比约电光效应。其关系式为： a n = h e 2( 2 5 ) 式中，加为介质折射率的变化量，e 为外加电场的强度，h 为与介质及通光波长有关 的常数。文献 4 3 介绍了一种利用k e r r 效应测量变压器油中电场分布的方法，并试 验研究了油中电场分布的非均匀性，其最小可测量电场强度为l o v c m 。 华中科技大学博士学位论文 k e r r 效应存在于所有的介质当中，但是在无对称中心的晶体中，由于存在线性电 光效应，作为高阶效应的二次电光效应系数要比线性电光效应系数小几个数量级，且 ”与外加电场不是线性关系，信号难以解调。 2 2 2 基于逆压电效应的光学电压传感器 当某些晶体材料受n # b 力n 电场作用时，晶体除产生极化现象以外，同时形状也产 生微小变化，即产生了应变，这种现象称为逆压电效应。将逆压电效应引起的晶体形 变由缠绕在圆柱形晶体表面的传感光纤来探测，即转换为光信号的调制并检测光信 号，则可实现对电场电压的光学测量。 高电压 幽2 4 蕈】石英晶体逆压中效应的o v s 文献 3 0 介绍了一种利用圆柱形石英晶体的逆压电效应和双模椭圆芯传感光纤 的光学电压传感器，如图2 4 所示，母线棒的电压直接施加在l o o m m 长的石英晶体的 两端，压电晶体的交变形变由均匀缠绕在圆柱形晶体袭面的椭圆芯双模光纤传感，晶 体的交变形变引起光纤两空间模态的光学相位调制，其产生的相位差通过相干调 谐方法来检测。