（电路与系统专业论文）基于因瓦合金电容分压式光纤电压互感器研究.pdf

摘要 摘要 电力系统是国民经济的命脉，电压互感器是电力系统获得保护与计量用电压信 号的重要设备。随着输配电网朝着高电压、大容量方向发展，传统的电磁式电压互 感器因其传感机理而出现不可克服的困难；如体积大，造价高，绝缘结构日趋复杂， 充油的电压互感器存在爆炸的危险等。光学电压互感器克服了由于磁饱和导致的波 形畸变和传统电压互感器本身压降导致的测量精度降低等问题；具有结构紧凑，无 燃烧和爆炸的危险，测量频带宽，动态范围大，抗干扰能力强，无二次开路高压， 便于与计算机接口，适应电力系统自动化数字化要求等特点，成为国内外学者研究 的重点。本文在已有研究成果的基础上，提出一种新型的基于因瓦合金电容分压式 光纤电压互感器。实现了对应用于不同电压等级的电压互感器，只需改变电容分压 器的分压比，而无需改变传感器的结构即可满足测量要求；因此不仅便于规模化生 产，而且测量精度也有显著提高。 首先，对近年来光学电压互感器的研究现状进行了综合评述；总结了基于 p o c k e l s 电光效应的o v t 、基于电容分压的o v t 以及传统技术加光纤传光的电压互 感器存在的主要问题，提出一种新型的光电式电压互感器结构；并对基于椭圆芯双 模光纤模间干涉原理和石英晶体逆压电效应的光纤电压互感器进行了理论探讨，对 基于多模激光的白光干涉仪以及直流相位跟踪系统进行理论分析，建立了零相位跟 踪误差的数学模型和零相位误差补偿的具体方法。 其次，对基于因瓦合金的电容分压器进行了深入的理论研究，建立了完整的系 统理论模型；推导出在高压绝缘条件下，建立电容分压器的数学模型；得出了圆柱 型电容器半径尺寸设计的一般计算公式。对影响电容分压器测量精度的各种因素进 行了全面的理论分析和仿真研究，建立了电容分压器误差与温度、不同轴度、圆柱 半径、静电场力的数学模型，得到了这些影响因素对系统响应的作用规律。应用有 限元分析方法对电容分压器进行电场分析，给出了电容分压器关键点的电位分布的 数值和等值线曲线。 再次，设计了电压互感器的数字接口，依据i e c 6 0 0 4 4 7 的标准对电子式互感器 过程层通讯模块进行了总体设计，详细分析了各部分设计的功能，给出了过程层通 讯系统的硬件部分的电路设计与仿真。 最后，对传感器系统进行了光路设计和数值分析，计算了加在石英晶体上的最 佳电压、光纤缠绕的匝数、传感光纤的长度等具体数值；对圆柱电容器和石英晶体 的膨胀性能、圆柱电容器在不同电压作用下的参数进行了测试。对试验工艺进行了 研究，提出了激光二极管与单模保偏光纤的耦合方法、光纤的缠绕方法和单模光纤 与双模光纤的熔接方法；确定了所用实验器件的参数。 关键词光纤电压互感器；椭圆芯保偏光纤；可见度函数；逆压电效应；白光干涉技 术：因瓦合金 i i a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e rs y s t e m sa r es i g n i f i c a n tt on a t i o n a le c o n o m y ，a n dv o l t a g et r a n s f o r m e r sb e c o m e t h ei m p o r t a n te q u i p m e n to fp o w e rs y s t e m st oo b t a i np o t e n t i a ls i g n a lu s e di np r o t e c t i n g a n dm e t e r i n g a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n tt o w a r d sh i g h v o l t a g ea n dc a p a c i t y ， c o n v e n t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cv o k a g et r a n s f o r m e re x h i b i t e ds o m ei n h e r e n td i s a d v a n t a g e s f o ri t ss e n s i n gm e c h a n i s m ；s u c ha s ：b i gs i z e ，h i g hc o s t ，c o m p l i c a t e di n s u l a t i o ns t r u c t u r e a n dp o t e n t i a le x p l o d i n gd a n g e r sa n ds oo n o p t i cv o i t a g et r a n s f o r m e r so v e r c o m e s h o r t c o m i n g s o fw a v e f o r md i s t o r t i o ni n d u c e db ys a t u r a t i o na n dl o w e r m e a s u r i n g a c c u r a c yc a u s e db yp r e s s u r ed r o po fc o n v e n t i o n a lv o l t a g et r a n s f o r m e r ；h a v i n gm a n y d i s t i n g u i s h e da d v a n t a g e s ，s u c ha s ：c o m p a c t e ds t r u c t u r e ，n od a n g e r so fb u r n i n ga n d e x p l o d i n g ，e n l a r g e dm e a s u r i n gb a n d w i d t h , w i d ed y n a m i cr a n g e ，s t r o n ga n t i - j a m m i n g ，n o h i g hv o l t a g ec a u s e db ys e c o n d a r ys i d eo p e n ，e a s yt oi n t e r f a c ew i t hc o m p u t e r ，d i g i t a l o u t p u t ，f i t t e dw i t hp o w e rs y s t e m sd e m a n df o ra u t o m a t i z a t i o na n dd i g i t a l i z a t i o na n de t c ； w h i c hb e c a m er e s e a r c h i n ge m p h a s e so fs c h o l a r si na l lo ft h ew o r l dg r a d u a l l y o nt h e b a s i so fa c h i e v e m e n t si ne x i s t e n c e ，i nt h i sp a p e r ，an e wt y p eo ff i b e r o p t i cv o l t a g e t r a n s f o r m e r si sp r o p o s e db a s e do ni n v a rc a p a c i t o rd i v i d e r o n l yc h a n g ei n t r i n s i cs t a n d o f f r a t i oo fc a p a c i t o rv o l t a g ed i v i d e ri sn e e d e dw h i l ev o l t a g et r a n s f o r m e r sa r ea p p h e dt ov a r y g r a d e s ，b u tn o tt h es t r u c t u r eo ft r a n s d u c e r s i nt h i sw a y , m e a s u r e m e n tr e q u e s t sc o u l db e e a s i l y s a t i s f i e d t h e s ec o n v e n i e n c e si n s u r e l a r g e s c a l ep r o d u c t i o na n dr e m a r k a b l y a d v a n c e dm e a s u r i n ga c c u r a c y a tf i r s t ，p r e s e n ts t a t u so ft h er e s e a r c hw o r ko fo p t i cv o l t a g et r a n s f o r m e r si s o b j e c t i v e l yc o m m e n t e d ；t h e n , m a i np r o b l e m se x i s t e di np o c k e l se l e c t r o o p t i ce f f e c t b a s e do v ta n dc a p a c i t o rv o r a g ed i v i d e rb a s e do v t ，a n dp r o b l e m so nv o l t a g e t r a n s f o r m e r sw i t h c o n v e n t i o n a l t e c h n i q u e a n dl i g h tt r a n s m i t t e db yf i b e ra r ea l l s u m m a r i z e d b a s e do nt h e s e ，an e ws t r u c t u r eo fo p t i c e l e c t r i cv o l t a g et r a n s f o r m e r si s b r o u g h tf o r w a r d f u r t h e r m o r e 矗b e r - o p t i cv o l t a g et r a n s f o r m e r sb a s e do ni n t e r m o d e i n t e r f e r e n c ep r i n c i p l eo fe l l i p t i c a lc o r ed u a l - m o d ef i b e r sa n dc o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t o fq u a r t zc r y s t a l sa r et h e o r e t i c a l l yd i s c u s s e d w h i t el i g h ti n t e r f e r o m e t e rb a s e do n m u l t i m o d el a s e ra n dd cp h a s et r a c k i n gs y s t e mi st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d ，m a t h e m a t i c a l i 燕山入学工学慝士学位论文 m o d e lo fz e r op h a s et r a c k i n ge l l o r si sb u i r ；a n dt h e ns p e c i f i cc o m p e n s a t i o nm e t h o do f z e r op h a s et r a c k i n ge r r o r si sg i v e n s e c o n d l y ，c a p a c i t o rv o l t a g ed i v i d e rb a s e do ni n v a ri sd e e p l yr e s e a r c h e d ，a n d i n t e g r a t e ds y s t e mm o d e li sb u i l t ；m a t h e m a t i c a lm o d e lo fc a p a c i t o rv o l t a g ed i v i d e ru n d e r t h eh i 【g hv o l t a g ei n s u l a t i o nc o n d i t i o ni sd e r i v e d ；c a l c u l a t i o nf u r m u l af o rr a d i u ss i z eo f c o l u m n a ro a p a c i t o r si sd r a w na l s o ，t os e e kf a c t o r si n f l u e n c et h ea c c u r a c yo f t r a n s f o r m e r s m e a s u r e m e n t ，m a t h e m a t i c a lm o d e lo fc a p a c i t o rv o l t a g ed i v i d e rb e t w e e nt e m p e r a t u r e ， n o n - c o a x i a ld e g r e e ，r a d i u so fc a p a c i t o r sa n de l e c t r o s t a t i cf i e l df o r c ei sb u i l ta n dt h e f u n c t i o nl a wa f f e c t e ds y s t e mr e s p o n s eb yt h e s ef a c t o r si sr e c e i v e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i su s e dt oa n a l y z ee l e c t r i cf i e l do f c a p a c i t o rv o k a g ed i v i d e r ，i nt h i sw a y ，i s o l i n ec u r v ea n d k e yp e t e n f i a ld i s t r i b u t i o nn u m e r i c a lv a l u eo f c a p a c i t o ra r eg a b l e da l s o t h e md i g i t a li n t e r f a c eo fv o l t a g et r a n s f o r m e r si sd e s i g n e d a c c o r d i n gt oc r i t e r i o n i e c 6 0 0 4 4 7 ，p r o c e s sl a y e rc o m m u n i c a t i o nm o d u l e so f c 。p t i c - e l e c t r i cv o k a g et r a n s f o r m e r s i sd e s i g n e d ，f u n c t i o no f e v e r yp a r ti sa n a l y z e di nd e t a i lf u r t h e r m o r e ，h a r d w a r ec k c u ka n d s i m u l a t i o nr e s u l t so f p r o c e s sl a y e rc o m m u n i c a l i o ns y s t e ma r eg i v e n f i n a l l y , t h eo v e r a l lo p t i c a lp a t ho ft h es e n s o rs y s t e mi sd e s i g n e da n dn u m e r i c a l a n a l y z e d s p e c i f i cn u m e r i c a lv a l u eo f o p t i m u mv o l t a g ea p p l i e do nt h eq u a r t zc r y s t a l , f i b e r w i n d i n gt u r n sa n ds e n s i n gf i b e rl e n g t ha r ea l lg i v e n e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt b r d i l a t a b i l i t yo fq u a r t zc r y s t a l s ，c o l u m n a rc a p a c i t o r sa n di t sp a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n t v o l t a g e s t h e ns t u d i e so ne x p e r i m e n tt e c h n i q u e sa r ec a r r i e do u t ，c o u p l i n gm e t h o d s b e t w e e nl a s e rd i o d ea n ds i n g l e - m o d ef i b e r sw i t hp o l a r i z a t i o nm a i n t e n a n c e ，f i b e rw i n d i n g m e t h o d sa n dw e l dm e t h o d sb e t w e e nt h es i n g l e - m o d ea n dd u a l m o d ef i b e r sa r ea l lb r o u g h t f o r w a r d s ；p a r a m e t e r so f e x p e r i m e n t a ld e v i c ea r en s e e n a i n e d k e y w o r d sf i b e r - o p t i cv o l t a g et r a n s f o r m e r s ；e l l i p t i c a l c o r ef i b e r sw i t hp o l a r i z a t i o n m a i n t e n a n c e ；v i s i b i l i t yf u n c t i o n ；c o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t ；w h i t el i g h t i n t e r f e r e n c et e c h n o l o g y ；i n v a ra l l o y s 燕山大学博士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文基于因瓦合金电容分压式光纤 电压互感器研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读博士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人己发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作傲出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字：厂j 1 衫嘭山日期：2 6 年年月厶日 燕山大学博士学位论文使用授权书 基于因瓦合金电容分压式光纤电压互感器研究系本人在燕山大学攻读博 士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所 有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全了解燕 山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的 复印件和屯子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口， ( 请在以上相应方框内打“”) 储签名寺节钆腻州年4 月形日 导师签名： 蝉卫弓王 1 日期：五面年年月“臼 4 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 电压互感器是电力系统获得计量用电压信号并进而对系统进行保护的重要设 备。传统的电压互感器分电磁感应式和电容式两种。电磁感应式电压互感器是在较 低电压中常用的一种电压互感器，它实际上是一台容量很小的变压器。现在的电力 系统高电压部分通常采用电容式电压互感器，它主要由电容分压器部分和电磁部分 构成，其中的电磁部分也是一台变压器，只是一次侧电压是经过电容分压后的较低 电压。近年来随着各国经济的迅速发展，对电力的需求日益增大，电力系统的额定 电压等级和额定电流都有大幅度的提高。例如，2 0 世纪6 0 年代前苏联和欧洲某些 发达国家纷纷将原来的2 2 0k v 的骨干电网发展为5 0 0k v 的骨干电网，到8 0 年代前 苏联甚至出现了1 1 5 0k v 的特高压输电线路，而中国也由8 0 年代的2 2 0k v 骨干电网 发展到目前5 0 0 k v 骨干电网，进入2 1 世纪后随着金沙江等大容量等级电站的建设， 中国将出现特高压( 1 2 0 0k v ) 的输电线路【i ，2 。随着输配电网朝着高电压、大容量方 向发展，传统的电磁式电压互感器因其传感机理而出现不可克服的困难；如体积大， 给运输和安装带来困难；造价高，绝缘结构日趋复杂，充油的电压互感器存在爆炸 的危险等；同时，电磁感应式电压互感器还存在磁饱和、铁磁谐振、测量动态范围 小、频带窄、易受干扰、容量有限、输出无法和计算机直接相连等问题，并且一旦 二次侧短路还将威胁周围设备的正常运行和操作人员的生命安全，因此促使人们研 制更为先进的传感系统。 随着三峡、龙滩等电站及西部产煤地区坑口电厂的建设，输配电的容量及距离 不断地增加，因而对其可靠性提出了更高的要求。尤其是2 0 0 3 年1 2 月末以来美国、 加拿大及意大利等国发生大面积停电事故，给世界各国的电力部门敲响了警钟。因 此，体积小、重量轻、性能优良、能与先进的光通信技术兼容的光学电压互感器 ( o p t i c a lv o l t a g et r a n s d u c e r ，简称o v t ) 成为当前的研究热点。 o v t 是利用光学材料敏感电压，利用光纤传输信号，无铁芯和电感，不存在铁 磁谐振和铁芯饱和，克服了由于磁饱和导致的波形畸变和传统电压互感器本身压降 导致的测量精度降低等问题。它具有结构紧凑，安全性高，测量频带宽，动态范围 大，抗干扰能力强，无二次开路高压，便于与计算机接口，适应电力系统自动化数 燕山大学工学博士学位论文 字化要求等特点【3 】。同光纤传输联网可以实现系统的遥测和遥控，易满足小型化、 智能化、多功能的要求，这些都是传统的电压互感器所无法比拟的。o v t 还可以测 量直流电压，这在冶炼和直流电力系统是必须的h ，”。 因此，o v t 一经问世，便引起了业界的极大关注。目前，欧美、日本等发达地 区和国家已经开始利用光纤传感器来开发新型电压互感器【6 。9 】。本章将对o v t 的基 本原理、分类、发展现状、存在的问题及本文的工作做一个综合性的阐述。 1 2 光学电压互感器基本原理及分类 o v t 从测量原理上大致可分为基于p o c k e l s 效应( 一级电光效应) 和基于k e r r 效 应( 二级电光效应) 以及基于逆压电效应或电致伸缩效应 ”1 三种，从类型和结构上可 以分为有分压型和无分压型。现在研究的o v t 大多是基于p o c k e l s 效应的f 包括集成 光学电压互感器【l l 】) 。下面分别介绍它们的基本原理。 1 2 1p o c k e l s 效应型0 v t p o c k e l s 效应是指某些晶体在外加电场的作用下导致其光折射率改变的一种线 性电光效应；其表达式为【6 a n = k 1 e( 1 1 ) 式中，月为入射光的折射率，e 为外加电场强度，蜀为常数。 由于外加电场所引起的介电常数变化一般很小，这种微小的变化在其它频段很 难探测出来，但在光频波段，介电常数的微小变化相当于折射率的微小变化，折射 率的这种微小变化将产生明显的光学效应，这种变化可以借助于双折射效应和干涉 的办法精确地测量出来。 这种折射率的变化将使沿某一方向入射晶体的偏振光产生相位延迟，且相位延 迟量与外加电场强度成正比，具有这种效应的晶体称为p o c k e l s 晶体或线性电光晶 体。常用的p o c k e l s 晶体主要有铌酸锂( l i n b 0 3 ，简称l n ) 、硅酸铋( b i l 2 s i 0 3 ，简称 b s o ) 年n 锗酸铋( b h g e 3 0 1 2 ，简称b g o ) 。其中，b g o 晶体是一种透过率高、无自然 双折射性和自然旋光性、不存在热电效应的电光晶体，在电压传感方面具有优良的 性能，许多o v t 均采用它作为敏感元件 1 2 - 1 5 】。 基于p o c k e l s 效应的o v t 传感头主要有横向调制和纵向调制两种结构形式。 1 2 1 1 横向调制如图1 1 所示为横向调制原理图，横向调制就是外加电场方向和 通光方向互相垂直，这种结构经常用在有分压器的光学电压互感器中5 ，1 6 ， 】，若增 2 第1 章绪论 大电极间的距离以降低电场强度的大小实现对高电压的测量，也可以不需要分压器， 高低压电极之间用绝缘材料连接起来 1 5 , 1 8 。电光晶体处在电场中，受该电场作用。 图1 - 1 横向调制原理图 f i g 1 - 1s c h e m a t i c d i a g r a mo f t r a n s v e r s e m o d u l a t i o n 对于b g o 晶体，外加电场e 平行于晶体的( 1 l o ) 方向，光的传播方向与电场方向垂 直，晶体由各向同性变成各向异性的双折射晶体，电场引起的双折射使晶体中出射 的两束线偏振光产生相位差，其相位差口为【1 9 】 妒= 等稼日= 等咖。吉矿= 玎罟 ( 1 z ) l“ p 一 式中，f 是晶体内的通光长度，i 为光波长，h o 为晶体末加电场时的折射率，y 。，为 b g o 晶体的线性电光系数，矿为加在晶体上的电压，d 为晶体( 1 1 0 ) 方向的厚度，圪 是使晶体中的两光束产生1 8 0 。相位差的外加电压，又称为半波电压，它只与晶体的 电光性能和几何尺寸有关，圪= z d ( 2 r 。n ；，) 。式( 1 - 2 ) 说明只要测出相位差妒的大 小就可以测定e 或矿；但相位差p 的大小一般无法直接测量，常用偏振光干涉原理 来测量。 在晶体两端加起偏器、检偏器，使起偏器、检偏器的偏振轴互相垂直，且起偏 器与晶体内光的偏振方向成丌4 角时，可以获得最大的偏振光干涉输出，其输出光 强为 川0 s i n 2 知s m 2 舞hs i n 2 谚s i n r o t ) = 1 0s i n 2 ( s i n r o t ) ( 1 - 3 ) 式中，v = v os i n r o t ，f 。= 万，k 称为调制度。 此时系统响应是非线性的，在b g o 晶体与起偏器或检偏器之间加2 4 波片，使其 在偏振光的两个分量间产生一个固定的丌2 相移，这时输出光强为 3 镜一 一 。豇 户 一 撒n廿 镜一 一$ 燕山大学工学博士学位论文 ，= 厶s i n2 ( 三+ 孚s i n 甜) = 每 1 + s i n ( ls i n 例( 1 - 4 ) 1 = 等( 1 + ls i n c o t )当l 1 时( 1 - 5 ) 输出光信号经过光探测器和信号处理电路后，可将其分离为直流分量v d 。= a r i o 和交流分量k c _ 剃弛聊k 其中r 为探测器的响应度，a 为电路的放大倍数。令 g = p k 。，则旷万，可知，g 与被测电压成正比关系。这样就可以利用偏光干涉 原理实现对电压信号的测量。 横向调制的相位延迟量和晶体的长度比l d 有关，因此可以通过改变晶体的纵 横比来降低半波电压，提高灵敏度1 6 】。但是，横向调制中存在自然双折射造成的位 相差，这一项无法人为控制，且易受环境温度的影响，测量结果需要复杂的处理， 信号处理难度大。 1 2 1 2 纵向调制纵向调制就是外加电场方向与通光方向一致，如图1 2 所示。纵 向调制是在b g o 晶体的( 0 0 1 ) 方向施加电场，光经起偏器进入晶体后，分裂成相位 相同而电位矢量相互垂直的两束光；由于折射率的不同导致在晶体内的传播速度不 同，从而形成相位差p 【2 0 甲= 等由。，目= 等咖。y = 丌茜v ( 1 _ s ) 一 光纤 信号源 起偏器电极检偏器 图1 - 2 纵向调制原理翻 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f l o n g i t u d i n a lm o d u l a t i o n 在0 矿圪l 时，光强j 与外加电压v 是非单值对应关系，仅由一路输出光 不可能复现被测电压，则必须增加一路输出光。使起偏器与检偏器的偏振轴互相垂 直，在其中一光路中安插一块) 1 4 波片，使其快慢轴分别与光在晶体中的两个主振 动方向平行。设经过起偏器后的入射光强为矗，两路输出的光强为k l 、五1 1 2 ，则有 4 第1 章绪论 仁k s i n 2 ( 费 ( 1 - 7 ) 扣k s i n 2 ( 筹+ ( 1 _ 8 ) l o = i 。1 + i 。2( 1 - 9 ) 故此双光路提供两个互相正交的信号，尽管一个周期电压范围内信号变化了几 个周期，但是通过计数信号的峰值点，并利用插值法进行数字信号处理，即可完整 地重构电压信号波形。 与横向调制不同的是纵向调制的半波电压与晶体的尺寸无关，只决定于晶体的 光学性能。采用纵向调制的o v t 可以对加在晶体两端的电压实现直接测量，两极 间电压与电场分布无关，所以外电场的干扰和极问电场分布的不均匀都不会对电压 测量造成影响【2 1 1 ，传感头的设计相对比较容易。但是，由于电场方向与通光方向平 行，因此必须采用特殊的电极，如采用“半透”的金属涂层电极、金属氧化物透明 电极或环形电极。设计中应注意内部晶体绝缘和传感头内外绝缘】。 1 2 2k e r r 效应型0 v t 电光k e r r 效应是存在于某些光学各向同性介质中的一种二次电光效应，其表达 式为【2 3 l a n = k 2 e 2( 1 1 0 ) 式中，”为介质折射率的变化量；e 为外加电场强度；眨为常数。介质折射率的变 化量将引起光波偏振状态的变化，故通过检测光波偏振态可获知被测电场【2 4 1 。但k e r r 效应很弱，而且介质折射率的变化量与外加电场强度不是线性关系。 1 2 3 逆压电效应型 当压电晶体受到外加电场作用时，晶体除了产生极化现象以外，同时形状也将 产生微小变化，即产生应变，这种现象称为逆压电效应。若将逆压电效应引起的晶 体形变转化为光信号的调制并检测光信号，则可实现电场( 或电压) 的光学传感。其 结构如图1 - 3 所示【2 5 1 ，是以压电陶瓷( p z t ) 和单模光纤作为传感头的逆压电效应型 o v t 结构。将单模光纤固绕在压电陶瓷圆柱上( d x 数为) ，被测电压( c d 施加于圆柱 两端，则它的横向应变将引起光纤中传输光的相位移( 妒) ，且有 妒= 髟n u( 1 1 1 ) 式中，肠为与光波长、光纤及压电陶瓷有关的常数。可见，测量妒即可获知被测 电压【，。 5 燕山大学工学博士学位论文 图1 3 逆压电效应o v t 基本结构 f i g 1 - 3b a s i cs t r u c t u r eo f c o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to v t 1 2 4 有分压型o v t 有分压型多是采用电容分压器将高电压分成较低的电压加在电光晶体上。华中 理工大学设计在广东新会市某变电站挂网运行的1 1 0k v 光学电压互感器 1 6 ，东京电 力公司和东芝公司联合开发的光学电流和电压互感器就是采用这种结构刚。使用电 容分压器分压，可以使一个较低的合适的电压加在电光晶体上，降低作用在电光晶 体上的电压，有利于提高传感器的温度稳定性【2 7 】；但是，电容器的长期运行引进了 额外的测量误差。 1 2 5无分压型o v t 无分压型是指高电压直接加在电光晶体上，没有分压器，提高了测量精度，同 时适当的高电压可以提高传感器的灵敏度口7 1 。由于高电压直接加在晶体上，必须防 止晶体被击穿，同时对传感头的绝缘要求更高。华中理工大学研制了11 0k v 无分压 型光纤电压互感器，采用s f 6 做绝缘气体，高电压就是直接加在b g o 晶体上【1 8 。丹 麦电力研究学会学者l a r s hc h r i s t e n s e n 也介绍了用于1 3 2 1 5 0k v 系统的基于 p o c k e l s 效应的光学电压互感器，采用b g o 晶体，无电容分压【”i 。 1 2 6 集成光学型o v t 集成光学o v t 也是利用晶体的p o c k e l s 效应测量电压的一种光学电压互感器， 但它是利用平面光无源调制器件进行光调制。传统的集成光学马赫曾德尔 ( m a c h z e h n d e ) o v t 结构如图1 4 所示1 6 , 2 8 1 ，其工作原理为：当被测电压加在互感器 上时，加在m a c h - z e h n d e 干涉仪两臂上的电场方向相反，当光通过波导时，每臂上 6 第1 章绪论 均发生p o c k e t s 效应，产生大小相等且方向相反的相移，因此，可通过相移差来推知 被测电压的大小。 金属电极 图l - 4 集成光学玛赫一曾德尔干涉仪结构图 f i g 1 - 4s t r u c t u r a ld i a g r a mo f i n t e g r a t e d o p t i c sm a c h - z e h n d ei n t e r f e r o m e t e r 在图1 - 4 中，输入光纤和输出光纤均为保偏光纤。在传感器输出端波导的两个 模之间的本征相位差取决于波导的长度以及两个模的传播常数差，即 妒，= ( 卢。一卢。) 工 ( 1 1 2 ) 电光晶体l i n b 0 3 在电场的作用下发生双折射，光率体发生变化。传感器输入光 强与输出光强之间具有如下关系 ，1 s = 二产l = 去 1 + ac o s ( e 。+ 妒，) 】 ( 1 - 1 3 ) z 式中，钆= 2 n n ；y 。l e , j l ，为电光晶体双折射两光波之间的相位差；a 是考虑到传 感器制造不完善引入的系数，一般a 曼1 ；妒。是由式( 1 1 2 ) 确定的本征相位差；n o 是 晶体的折射率；九是光波长；上是波导长度；y 。为电光系数；e 为电场强度。 选择合适的尺寸工，使识= 石2 ，则传感器能获得线性响应。该传感器样品试 验获得了1m h z 的带宽，能测量波头时间为0 5p a s 的闪电脉冲。 集成光学o v t 具有灵敏度高、频率响应好、可靠性高、易于大规模生产以及无 需由透镜、起偏器、检偏器等组成的光学系统，制作简单等很多优点，因而有非常 好的应用前景，是光学电压互感器的重要发展方向。但是就目前的集成光学水平而 言，由于电极间隙小，测量电压尚无法达到几百千伏的水平，因而限制了在电力系 7 燕山大学一【学博士学值论文 统的应用 2 9 - 3 0 】。尽管如此，将集成光学的一些技术应用于其它类型的o v t ，是一个 很好的发展方向。而且随着集成光学技术的迅速发展，必将对o v t 的研制和优化提 高产生巨大的影响。 1 - 3 光学电压互感器的研究现状 随着微电子与光电子技术的快速发展，特别是半导体激光器及低损耗光纤的出 现，激发了大家研究新型互感器的兴趣f 3 1 1 。世界各国的大公司及高等院校，如a b b 跨国公司、法国的a l t h o m 公司、加拿大的n x tp h a s e 公司、日本的东电、住友 公司、我国的上互公司、清华大学、华中科技大学、西安交通大学、北京交通大学、 哈尔滨工业大学、燕山大学等都投入了大量的人力和财力从事电子式互感器( 也称光 纤式或光电式互感器) 的研究和开发 3 2 - 3 5 l 。根据不同的工作原理、性能及用途，互感 器的结构各有特色，但它们都朝着高准确度、高速度、高可靠的“三高”方向发展。 国外从八十年代以来投入大量资金进行o v t 的研究，有很多大公司( 例如：瑞 典a b b 公司、法国g e c a l s t h o m 公司、日本东芝公司等) 在9 0 年代进入产品化 研究，已经有一些产品在电力系统中试运行。a b b 公司1 9 8 6 年首次将光电互感器 在t e n n e s s e ev a l l e ya u t h o r i t y 电网试运行。经过十余年的探索，瑞典a b b 公司1 9 9 6 年研制了集成m o c t 和e o v t 的光学计量单元( o m u ) ，到1 9 9 7 年该公司已有6 0 余套光电互感器分别在美国、加拿大、德国和智利电网试运行 3 “。法国 g e c a l s t h o m 公司对光电互感器的研究也走过了十几年的研究历程，1 9 9 5 年，该 公司在美国奥兰多的b o n n e v i l l e 安装了5 2 5k v 的复合式光纤电压、电流传感器；现 已有从1 2 3k v 到7 6 5k v 不同电压等级的样机分别在法国、比利时、荷兰、美国和 加拿大电网试运行1 3 弼”。日本东京电力株式会社已研制出当前电压等级最高达1 0 0 0 k v 的光电互感器原理样机。 国内从9 0 年代初开始研究o v t ，研究的单位主要有华中科技大学、清华大学、 原机电部2 6 所、北京交通大学、沈阳变压器厂、上海互感器厂等单位，目前已研制 出几套系统：分压型1 1 0k vo v t ，挂网运行三年半；有源型2 2 0k vo v t ：无分压 型1 1 0k vo v t ，挂网运行一年；2 2 0k v 组合式光学电压电流互感器 c o v c t ( c o m p a g e so r ) t i cv o l t a g ec u r r e n tt r a n s f o r m e r ) 上述除了分压型o v t 是按o 5 级设计以外，其余各种o v t 均达到0 2 级精度。2 2 0k vc o v c t 已进行了出厂试验， 在湖北省电力试验研究所高压大厅通过了4 6 0k v 工频耐压试验；在武汉高压研究所 8 第1 章绪论 通过了1 0 5 0k v 全波雷电冲击耐压试验，正负极性各1 5 次，无一次闪络，绝缘结构 的可行性和可靠性得到检验1 4 0 1 。 清华大学在廖廷彪、罗承沐等教授主持下，先后与中国电力科学研究院、沈阳 互感器厂等开发出多种电子式电压互感器，包括p o c k e l s 效应型、电容分压型等。华 中科技大学在该领域的研究尤为活跃，在刘延冰、叶妙元等教授率领下，对各种形 式的电子互感器，包括有分压型，无分压型、横向调制与纵向调制等都做了深入研 究 4 1 , 4 2 】。多台样机在广东新会等地挂网运行，科研成果通过了原国家电力部的鉴定。 7 0 年代开始至9 0 年代，研究的光电式电压互感器主要是以p o c k e l s 效应为主的 电压传感器；9 0 年代以后出现了传统技术+ 光纤型的电压传感器。除此之外，还有 一些测量电压的方法，例如： 美国田纳西州电管局于1 9 8 9 年挂网试运行的1 6 1k v 电压互感器是利用光学电 流互感器通过测量流过电容分压器的电流而间接的测量电压【3 8 ，如图1 5 所示。 图1 - 5 间接电压互感器 f i g i - 5i n d i r e c tv o l t a g es e n s o r er a h m a t r a n 提出采用多个电场传感器测量2 3 0k v 电压的光电电压互感器1 4 3 1 ， 三个高为2c m ，直径为3 5i i l n l 的b g o 晶体被放置在内径为1 9 8m m 、壁厚为4i r l l r l 、 高为2 2m 的玻璃管中，管内充满氮气；三个晶体的电压方向与光传输方向一致， 通过选择三个晶体的位置和输出，分别按照求积的方法将电场进行有效数字积分获 得测量电压；通过试验研究，即使有外部电场干扰，该传感器也能满足o 2 的精度 要求。 文献 4 4 】介绍的光纤电压传感器包含一个n 型硅片和一个p 型硅片，它们附着 在一起，并被一个深度可控的孔包围。一个晶片被蚀刻，形成一个在电压作用下能 被弯曲的薄膜，在电压的作用下孔的深度改变，使透过该装置的光的性质发生变化， 9 燕山大学工学博士学位论文 从而可测出电压的大小。 文献 4 5 】介绍了一种用铁电液晶盒和光纤组成的电压传感器。其原理是基于透 过液晶盒的光受到电场的调制，被调制光的光强幅度正比于场强。该装置测量场强 范围从1 0 v c m 到5 k v e r a ，频率从1 0 h z 到5k h z 。 文献 4 6 提出了一种利用球面天线、电光晶体以及光纤构成的测量大幅度暂态 电场的电场传感器。这种基于偏光反射原理的传感器被安放在球面天线内，光纤传 递的光信号在晶体中被电场所调制，并由另一光纤送至探测器。作者用两种电光晶 体l i n b