高壓光纖電流和電壓互感器

高壓光纖電流和電壓互感器

高壓光纖電流和電壓互感器引言1光纖電流互感器2高壓光纖電壓互感器3

1引言

電力工業(yè)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的根底工業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有著舉足輕重的地位。近年來(lái)隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速開(kāi)展，對(duì)電力的需求日益增大，電力系統(tǒng)的額定電壓等級(jí)和額定電流都有大幅度的提高和增加。例如，20世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)和歐洲某些興旺國(guó)家紛紛將原來(lái)的220kV的骨干電網(wǎng)開(kāi)展為500kV的骨干電網(wǎng)，20世紀(jì)80年代前蘇聯(lián)甚至出現(xiàn)了1150kV的特高壓輸電線路，而中國(guó)也由20世紀(jì)80年代的220kV的骨干電網(wǎng)開(kāi)展到目前500kV的骨干電網(wǎng)，預(yù)計(jì)21世紀(jì)后隨著金沙江等大容量梯級(jí)電站的建設(shè)，中國(guó)將出現(xiàn)由特高壓1200kV的輸電線路進(jìn)行電力的輸送。與之相應(yīng)的電力系統(tǒng)中的輸變電設(shè)備的額定電壓和額定電流都要隨之提高，因此，必須研究和開(kāi)展新型的高壓設(shè)備，電流互感器(CurrentTransducer,CT)和電壓互感器(VoltageTransducer,VT)就是電力輸送工業(yè)中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。

2光纖電流互感器

目前，在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用電磁式CT，它運(yùn)行了近一個(gè)世紀(jì)，存在以下缺乏：首先是潛在的突然失效危險(xiǎn)，如突然性爆炸及絕緣擊穿引起單相對(duì)地短路等系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素。其次，假設(shè)輸出的二次側(cè)負(fù)荷開(kāi)路，將會(huì)產(chǎn)生高壓，會(huì)對(duì)配電設(shè)備造成危害甚至危及人身平安。隨著電壓等級(jí)的提高、絕緣問(wèn)題的解決，必然使電磁式CT的體積增大、本錢增高，設(shè)備變得極為笨重。再次，由于電磁式電流互感器是用鐵心制成的，因此對(duì)高頻信號(hào)的響應(yīng)特性較差，這樣對(duì)高壓線路上的暫態(tài)過(guò)程不能正確反響。最后，它的二次側(cè)輸出對(duì)負(fù)荷要求較嚴(yán)格，對(duì)于高壓及特高壓電站來(lái)講，占地面積都較大，因而傳輸二次側(cè)電信號(hào)距離也較遠(yuǎn)，故要求使用的二次側(cè)電纜的橫截面積增大，并且容易產(chǎn)生干擾。針對(duì)以上缺點(diǎn)，在科技興旺的國(guó)家都尋求把光電子學(xué)技術(shù)應(yīng)用于超高壓大電流的電網(wǎng)中，關(guān)于這方面的研究近幾十年在世界各國(guó)也已經(jīng)被高度重視起來(lái)，提出了許多新的理論和方法，有的研究已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段。本節(jié)簡(jiǎn)單介紹了電磁式電流互感器的根本工作原理，對(duì)目前的幾種電流互感器方案進(jìn)行了詳細(xì)的討論。

2.1傳統(tǒng)電磁式電流互感器的結(jié)構(gòu)和根本工作原理

1．電磁式低壓電流互感器低壓電流互感器一般適用于1000V以下電壓等級(jí)中的電流測(cè)量，可以用于幾十安培到一千安培范圍內(nèi)的電流測(cè)量，測(cè)量精度可以到達(dá)0.2％。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐壓等級(jí)不高，價(jià)格也比較廉價(jià)，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中電流的測(cè)量。圖11.1是某電磁式低壓電流互感器的外形結(jié)構(gòu)圖，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11.2所示。被測(cè)電流母線從閉路鐵心中穿過(guò)，鐵心上按照比例關(guān)系纏繞一定圈數(shù)的導(dǎo)線作為副邊。設(shè)原邊匝數(shù)為〔圖11.2中原邊只有1匝〕，原邊電流為，副邊匝數(shù)為，副邊電流為，根據(jù)電磁感應(yīng)磁路平衡原式，原邊和副邊的匝數(shù)與電流之間滿足(11.1)即電流互感器的副邊輸出電流和原邊被測(cè)電流之間成正比例關(guān)系。在副邊輸出兩端串接電流表就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原邊電流的測(cè)量。2.1傳統(tǒng)電磁式電流互感器的結(jié)構(gòu)和根本工作原理該種互感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢低、長(zhǎng)期工作可靠性高，但是因?yàn)殍F心具有帶寬窄、容易出現(xiàn)磁飽和等缺點(diǎn)，尤其是基于該原理的電流互感器在副邊開(kāi)路時(shí)會(huì)有高壓產(chǎn)生，對(duì)操作者的人身平安具有一定的威脅。近年來(lái)，隨著納米技術(shù)等新材料技術(shù)的開(kāi)展，鐵心材料的水平也得到了長(zhǎng)足進(jìn)步；也有的生產(chǎn)廠家將電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓輸出，以適應(yīng)電流互感器日益廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。圖11.1電磁式低壓電流互感器外形結(jié)構(gòu)圖圖11.2電磁式低壓電流互感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.1傳統(tǒng)電磁式電流互感器的結(jié)構(gòu)和根本工作原理2．電磁式高壓電流互感器在高壓電力系統(tǒng)中，由于對(duì)設(shè)備的絕緣平安性具有極高的要求，尤其是在戶外工作的高壓電流互感器還要考慮雷電沖擊、負(fù)載瞬間短路等極端情況，對(duì)高壓電流互感器的絕緣要求使得基于電磁感應(yīng)原理的電流互感器變得體積龐大、質(zhì)量到達(dá)數(shù)噸、本錢急劇升高，其設(shè)備本錢隨電壓等級(jí)的升高成指數(shù)關(guān)系上升。如圖11.3所示為某220kV油浸式電流互感器的外形結(jié)構(gòu)圖，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)同圖11.2類似。這種互感器采用將原、副邊導(dǎo)線及鐵心浸入高絕緣的變壓器油中來(lái)實(shí)現(xiàn)上下壓之間的良好絕緣，這將導(dǎo)致該類互感器的質(zhì)量和本錢急劇增加。如圖11.4所示為某220kV氣體絕緣式電流互感器的外形結(jié)構(gòu)圖，該種互感器不采用變壓器油作為絕緣介質(zhì)，而是以高壓惰性氣體〔比方氣體〕作為絕緣介質(zhì)，這雖然能夠在一定程度上減小質(zhì)量，但是對(duì)于電磁感應(yīng)所固有的鐵心飽和、帶寬窄等缺點(diǎn)仍然是無(wú)法克服的。但是，這類互感器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，具有工作可靠、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，也是目前國(guó)內(nèi)電力行業(yè)中廣泛采用的。2.1傳統(tǒng)電磁式電流互感器的結(jié)構(gòu)和根本工作原理圖11.3220kV油浸式電流互感器外形結(jié)構(gòu)圖圖11.4220kV氣體絕緣式電流互感器

2.2光電式電流互感器

傳統(tǒng)的電磁式互感器因?yàn)槠涔逃械囊恍┤秉c(diǎn)，如帶寬窄、磁飽和、質(zhì)量大、易燃易爆、次級(jí)開(kāi)路高壓等，都嚴(yán)重地制約了電力工業(yè)的開(kāi)展，開(kāi)發(fā)出新型的光電式電流互感器已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外電力工業(yè)的研究熱點(diǎn)。隨著光電子學(xué)的開(kāi)展和成熟，國(guó)內(nèi)外很多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始投入精力研究光電式電流互感器，開(kāi)展到現(xiàn)在，已經(jīng)取得了很大進(jìn)步。1．光電式電流互感器的開(kāi)展現(xiàn)狀自從20世紀(jì)60年代，國(guó)外就開(kāi)始利用法拉第(Faraday)效應(yīng)從事CT的研究，到20世紀(jì)90年代初期，光電式電流互感器(OpticalCurrentTransducor,OCT)就已初具商品使用價(jià)值，有的公司已經(jīng)形成正規(guī)產(chǎn)品，在500kV系統(tǒng)中投入運(yùn)行。如美國(guó)的5大電力公司各自在1982年左右成立了OCT專題研究小組，并且研制成功了161kV獨(dú)立式OCT(1986~1988)、161kV組合式光纖電流互感器(OCT)/光學(xué)電壓互感器(OVT)和161kV的繼電保護(hù)式OCT(1978)。

2.2光電式電流互感器

日本除研究500kV,1000kV高壓電網(wǎng)計(jì)量用的OCT外，還進(jìn)行了500kV以下的直到6600V電壓等級(jí)的零序電流、電壓互感器適用的光學(xué)CT/VT的研究。三菱公司制造的6.6kV,600A的組合式光學(xué)零序電流/電壓互感器，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)，滿足了JEC1201—1985標(biāo)準(zhǔn)，已在1989年末通過(guò)了實(shí)驗(yàn)鑒定。1994年ABB公司推出了有源式電流互感器，其電壓等級(jí)為72.5~765kV，額定電流為600~6000A。3M公司在1996年已宣布開(kāi)發(fā)出用于138kV電壓等級(jí)的全光纖電流測(cè)量模塊，據(jù)稱可以用于500kV電壓等級(jí)。Photonics公司推出了一種用光推動(dòng)的光電式電流互感器，稱為“混合式光電電流互感器〞，他們?cè)?995年至1997年期間在美國(guó)、英國(guó)、瑞典的超高壓電網(wǎng)上試運(yùn)行。近十幾年，我國(guó)的清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、燕山大學(xué)、大連理工大學(xué)、沈陽(yáng)沈變互感器制造和上海MWB互感器制造等都在光電式電流互感器的研究中投入了很多人力和物力，也取得了一定的成果。其中，清華大學(xué)和中國(guó)電力科學(xué)研究院利用國(guó)家自然科學(xué)基金的資助共同研制出了110kVOCT，它們于1991年通過(guò)了國(guó)家鑒定并掛網(wǎng)試運(yùn)行。華中科技大學(xué)與廣東新會(huì)供電局于1993年12月在廣東新2.2光電式電流互感器會(huì)供電局大澤變電站進(jìn)行正式掛網(wǎng)運(yùn)行，于1994年通過(guò)原電力部鑒定，對(duì)外公布技術(shù)指標(biāo)為110kV,100~300A，精度為0.3級(jí)。燕山大學(xué)光電子技術(shù)研究所在河北省科委的高新技術(shù)專項(xiàng)基金資助下，已經(jīng)成功研制了額定電壓為110kV、額定電流為1000A、精度為0.2級(jí)的混合式光纖電流互感器樣機(jī)，于2001年在保定天威保變集團(tuán)進(jìn)行了初步測(cè)試并獲得了良好的測(cè)試結(jié)果，將很快進(jìn)行了掛網(wǎng)試運(yùn)行。從國(guó)內(nèi)外對(duì)光電式電流互感器的研究開(kāi)展情況來(lái)看，在21世紀(jì)，光電式電流互感器將使互感器技術(shù)進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代。2．光電式電流互感器原理目前在光纖電流互感器研究領(lǐng)域主要有三個(gè)研究方向：(1)光學(xué)晶體型；(2)有源型；(3)全光纖型。光學(xué)晶體型有源型全光纖型2.2光電式電流互感器(1)光學(xué)晶體型該類互感器的傳感頭一般基于法拉第效應(yīng)原理，即磁致光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。當(dāng)一束線偏振光通過(guò)放置在磁場(chǎng)中的法拉第磁光材料后，假設(shè)磁場(chǎng)方向與光的傳播方向平行，那么出射線偏振光的偏振平面將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，即電流信號(hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)對(duì)偏振光波的偏振面進(jìn)行調(diào)制，此時(shí)(11.2)式中，為偏振面的偏轉(zhuǎn)角；為光通過(guò)介質(zhì)的路徑長(zhǎng)度；為磁場(chǎng)強(qiáng)度；為磁光材料的特性常數(shù)—費(fèi)爾德(Verdet)常數(shù)，它與介質(zhì)的性質(zhì)、工作波長(zhǎng)和溫度有關(guān)。如果角能夠被檢測(cè)出，那么可以測(cè)得磁場(chǎng)強(qiáng)度，而磁場(chǎng)強(qiáng)度和導(dǎo)線中流過(guò)的電流之間滿足安培環(huán)路定律，即(11.3)式中，表示電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)回路半徑。因此，只要測(cè)出,,，就可由(11.4)求出被測(cè)電流的大小和相位。2.2光電式電流互感器基于法拉第效應(yīng)原理的光電電流互感器的原理圖如圖11.5所示。圖11.5光電電流互感器的原理圖光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器后變成線偏振光，線偏振光經(jīng)過(guò)位于電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中的磁光材料后偏振方向受到磁場(chǎng)調(diào)制，經(jīng)過(guò)檢偏器后由信號(hào)檢測(cè)與處理單元進(jìn)行強(qiáng)度探測(cè)和信號(hào)處理。根據(jù)馬呂斯定律，假設(shè)不考慮衰減，起偏器的射出光強(qiáng)與檢偏器的射出光強(qiáng)之間有如下關(guān)系〔如圖11.6所示〕：

(11.5)由于角不能直接精確檢測(cè)出，而是通過(guò)光強(qiáng)的變化來(lái)反映的，在根據(jù)式(11.5)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，要考慮起偏器與檢偏器的透光軸相交的角度，即角的偏置位置，才能得到最大的轉(zhuǎn)換靈敏度和最正確線性度。光強(qiáng)對(duì)的變化率，即轉(zhuǎn)換靈敏度為(11.6)

2.2光電式電流互感器令，求得最大靈敏度位于〔為整數(shù)〕的那些點(diǎn)〔圖11.6中的B點(diǎn)〕，同時(shí)可以看出，由于曲線斜率的變化率為零〔=0〕，因此B點(diǎn)也是線性度最好的點(diǎn)。如果將交角固定在45°，有(11.7)圖11.6關(guān)系曲線光學(xué)晶體型結(jié)構(gòu)是近年來(lái)比較盛行的，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且完全消除了傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)元件磁飽和的問(wèn)題，充分發(fā)揮了光電互感器的特點(diǎn)，尤其是在高壓側(cè)不需要電源器件，使高壓側(cè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，工作壽命長(zhǎng)。光學(xué)晶體型電流互感器的缺點(diǎn)是光學(xué)器件制造難度大，測(cè)量的高精度不容易到達(dá)，尤其是此種電流互感器受費(fèi)爾德常數(shù)和線性雙折射影響嚴(yán)重。而目前尚沒(méi)有更好的方法能解決費(fèi)爾德常數(shù)隨溫度變化而出現(xiàn)的非線性變化，即系統(tǒng)的線性雙折射問(wèn)題。

2.2光電式電流互感器(2)有源型

有源型又稱為混合型，所謂有源型光電電流互感器乃是高壓側(cè)電流信號(hào)通過(guò)采樣傳感頭將電信號(hào)傳遞給發(fā)光元件而變成光信號(hào)，再由光纖傳遞到低電壓側(cè)，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)后輸出。有源型光電電流互感器不用光學(xué)器件作為敏感元件測(cè)量電流，而是把光纖作為信號(hào)傳輸?shù)拿劫|(zhì)，這樣，一方面可以容易地實(shí)現(xiàn)互感器高、低壓之間的電氣隔離，另一方面又克服了采用光學(xué)敏感元件帶來(lái)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性問(wèn)題。有源型光電電流互感器的方框圖如圖11.7所示。圖11.7有源型光電電流互感器方框圖2.2光電式電流互感器互感器采用Rogowski線圈作為檢測(cè)電流的傳感頭，如圖11.8所示。Rogowski線圈一般是在非磁性骨架上纏繞一定圈數(shù)的導(dǎo)線〔常采用康銅絲〕，然后將繞制好的空心線圈套在電力母線上。當(dāng)電力母線電流相量為，那么由Rogowski線圈感生的電動(dòng)勢(shì)可以表示為(11.8)式中，為線圈骨架結(jié)構(gòu)和線圈匝數(shù)的一個(gè)函數(shù)，一個(gè)線圈固定了，就可以確定了。

圖11.8Rogowski線圈2.2光電式電流互感器從式(11.8)可以看出，套在電力母線上的Rogowski線圈的感生電動(dòng)勢(shì)是電力母線電流微分的一個(gè)比例系數(shù)，所以為了恢復(fù)被測(cè)電力母線電流的幅值和相位信息，需要將Rogowski線圈輸出信號(hào)進(jìn)行積分后再進(jìn)行進(jìn)一步的處理。在圖11.8中，采用高精度低功耗的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)地將信號(hào)由模擬量變成數(shù)字量，然后通過(guò)電光轉(zhuǎn)換經(jīng)光纖送到低壓地面端進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再通過(guò)適宜的D/A轉(zhuǎn)換恢復(fù)成模擬量。圖11.9為一種實(shí)現(xiàn)有源型光電電流互感器的光電轉(zhuǎn)換電路。圖11.9有源型光電電流互感器光電轉(zhuǎn)換電路2.2光電式電流互感器在有源型光電電流互感器的設(shè)計(jì)中，高壓端電子器件工作能量的提供是該結(jié)構(gòu)互感器的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。圖11.8的方案中采用另外一個(gè)有鐵心的線圈從高壓母線上通過(guò)電磁感應(yīng)的方法來(lái)獲得能量，這種方法雖然簡(jiǎn)單，但是因?yàn)殡娏δ妇€工作電流波動(dòng)極大，以額定工作電流為1000A、額定工作電壓為110kV的電力電流互感器為例，按照IEC60044—8規(guī)約，最小工作電流從0A開(kāi)始，到20倍于額定電流的20000A變化范圍內(nèi)，互感器都應(yīng)該能夠正常工作。這就要求高壓電源局部能夠在如此大的電流波動(dòng)下維持輸出穩(wěn)定的電壓給高壓端的電子器件，這是相當(dāng)困難的。尤其是當(dāng)電力母線電流很小的時(shí)候，將會(huì)出現(xiàn)互感器工作失效的死區(qū)，這極大地限制了該類互感器的工業(yè)應(yīng)用。然而，隨著激光技術(shù)和光電池技術(shù)的開(kāi)展，近年來(lái)采用激光供能的方式來(lái)提供高壓端電子器件工作能量的方法已經(jīng)得到了人們的重視，并且有望使得有源型光電電流互感器真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。有源型光電電流互感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好，容易實(shí)現(xiàn)高精度、性能穩(wěn)定實(shí)用化的產(chǎn)品，是目前國(guó)內(nèi)研究的主流。但是高壓側(cè)電源的產(chǎn)生方法比較復(fù)雜且本錢比較高，因此還有待于進(jìn)一步研究。2.2光電式電流互感器(3)全光纖型全光纖型光電電流互感器的傳感頭即是光纖本身〔而光學(xué)晶體型光電電流互感器的傳感頭一般是磁光晶體，不同于全光纖型的傳感頭——特殊繞制的光纖傳感頭〕。圖11.10為一種具有自動(dòng)補(bǔ)償功能的反射偏振干預(yù)式全光纖型光電電流互感器的原理圖。

圖11.10全光纖型光電電流互感器原理圖2.2光電式電流互感器圖11.10中，處于高壓側(cè)的傳感光纖為單模光纖，而處于高、低壓兩側(cè)之間的傳光光纖為橢圓心保偏光纖。根本工作原理是：由低壓側(cè)光源發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)光纖起偏器后變?yōu)榫€偏振光，其偏振方向與橢圓心光纖的長(zhǎng)、短軸成45°角，故在傳光光纖中傳輸?shù)氖腔榇怪钡膬墒€偏振光。通過(guò)高壓側(cè)的延遲器后再變?yōu)樾D(zhuǎn)方向相反的圓偏振光，即左旋偏振光和右旋偏振光。它們?cè)趥鞲泄饫w中繼續(xù)傳輸，并在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，各自旋轉(zhuǎn)了不同角度。兩束光在光纖末端被反射鏡反射，根據(jù)反射定律，它們的旋轉(zhuǎn)方向?qū)l(fā)生交換，即左旋偏振光變?yōu)橛倚窆?，右旋偏振光變?yōu)樽笮窆?。返程的兩束光在電流作用下，偏振角再次發(fā)生旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)波片后，變?yōu)榛ハ啻怪钡膬墒€偏振光，但它們?cè)瓉?lái)的偏振方向發(fā)生了交換，即前進(jìn)時(shí)在x方向的偏振光，返程時(shí)變?yōu)閥方向的偏振光，反之亦然。兩束光在起偏器中產(chǎn)生干預(yù)，根據(jù)偏振干預(yù)原理，就可以獲得被測(cè)電流的大小和相位。由此可見(jiàn)，兩束光除偏振方向互相交換外，它們都在同一根光纖中傳輸，周圍環(huán)境產(chǎn)生的光纖伸縮等效應(yīng)對(duì)互感器的輸出幾乎沒(méi)有影響，因此可以從

2.2光電式電流互感器理論上排除外來(lái)的干擾。而由電流產(chǎn)生的相移為(11.9)式中，V為傳感光纖的費(fèi)爾德常數(shù)；N是環(huán)繞載流導(dǎo)體的光纖匝數(shù)；I為被測(cè)電流；系數(shù)4是本方案中有兩束偏振光在傳感光纖中往返兩次傳輸?shù)慕Y(jié)果。干預(yù)儀輸出的光強(qiáng)為(11.10)式中，I0正比于光源的光強(qiáng)。由信號(hào)處理電路求出式(11.10)的，再由式(11.9)測(cè)出高壓母線中電流的大小和相位。全光纖型光電電流互感器的優(yōu)點(diǎn)是傳感頭結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，比光學(xué)晶體型的容易制造，精度、壽命與可靠性都比無(wú)源型要高；缺點(diǎn)是這種互感器的光纖需要保偏光纖，比有源型和光學(xué)晶體型所采用的普通光纖特殊，要做出有高穩(wěn)定性的保偏光纖很困難，造價(jià)比較高。

3高壓光纖電壓互感器

和電流互感器類似，電壓互感器作為電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和精確計(jì)量具有重要意義。它為電力系統(tǒng)提供用于計(jì)量、控制和繼電保護(hù)所必需的信息。目前，包括我國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)，電壓的測(cè)量仍然依靠傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器(PotentialTransformer,PT)，它要求在高、低壓端之間提供復(fù)雜昂貴的電氣絕緣。隨著輸配電網(wǎng)朝著高電壓、大容量的方向開(kāi)展，不僅使高電壓等級(jí)的PT變得越來(lái)越笨重，價(jià)格越來(lái)越昂貴，而且給運(yùn)輸和安裝帶來(lái)了困難，加上本身存在的磁飽和、鐵磁諧振、動(dòng)態(tài)范圍小、頻帶窄、易燃易爆、易受干擾，PT的次級(jí)短路危及周圍設(shè)備及操作人員的生命平安等一系列問(wèn)題，都促使了人們研制更為先進(jìn)的傳感系統(tǒng)。圖11.11為某型號(hào)電容分壓式高壓電壓互感器的結(jié)構(gòu)。開(kāi)發(fā)體積小、重量輕、性能優(yōu)良、能與現(xiàn)代光通信技術(shù)兼容的電力設(shè)備及其可靠性問(wèn)題成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。3高壓光纖電壓互感器隨著微電子與光電子技術(shù)的快速開(kāi)展，特別是半導(dǎo)體激光器及低損耗光纖的出現(xiàn)，激發(fā)了大家研究新型互感器的興趣。世界各國(guó)的大公司及高等院校都投入了大量的人力和財(cái)力從事光學(xué)電壓互感器(OpticalVoltageTransuder,OVT)的研究和開(kāi)發(fā)。根據(jù)不同的工作原理、性能及用途，互感器的結(jié)構(gòu)各有特色，但它們都朝著高精度、高速度、高可靠的“三高〞方向開(kāi)展。圖11.11電容分壓式高壓電壓互感器3高壓光纖電壓互感器3.1基于晶體電光效應(yīng)的電壓互感器3.2傳統(tǒng)電磁式電流互感器的結(jié)構(gòu)和基本工作原理

3.1基于晶體電光效應(yīng)的電壓互感器

1．晶體的電光效應(yīng)光在各向同性介質(zhì)中傳播時(shí)，由于，假設(shè)為常數(shù)，光是直線前進(jìn)的；假設(shè)，那么光沿曲線前進(jìn)。光在各向異性的介質(zhì)中傳播時(shí)，由于，為常數(shù)，將出現(xiàn)雙折射效應(yīng)。因此，光在介質(zhì)中傳播的規(guī)律是受介質(zhì)的折射率分布所制約的，而介質(zhì)的折射率分布那么與介質(zhì)的介電常數(shù)分布密切相關(guān)，以前認(rèn)為介質(zhì)的介電常數(shù)是一個(gè)物質(zhì)常數(shù)，實(shí)際上外界的各種因素常常會(huì)引起的變化，從而引起光傳播的變化。例如，介質(zhì)因受力而引起的折射率變化，稱為彈光效應(yīng)；介質(zhì)因電場(chǎng)而引起的折射率變化，稱為電光效應(yīng)；介質(zhì)因磁場(chǎng)而引起的折射率變化，稱為磁光效應(yīng)等。2．Pockels效應(yīng)型光學(xué)電壓互感器Pockels效應(yīng)型光學(xué)電壓互感器是利用材料的Pockels效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電壓進(jìn)行測(cè)量的。按照外加電場(chǎng)方向，Pockels晶體的調(diào)制分為橫向和縱向兩種方式。圖11.12(a)為Pockels晶體的橫向調(diào)制方式，圖11.12(b)為Pockels晶體的縱向調(diào)制方式。3.1基于晶體電光效應(yīng)的電壓互感器橫向調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)是晶體半波電壓易于調(diào)整〔因半波電壓和晶體的尺寸有關(guān)〕，電極距便于調(diào)整以適應(yīng)測(cè)量不同電壓等級(jí)的要求；不需透明電極；易于加工制造。而溫度靈敏度較大那么是其缺點(diǎn)。縱向調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾〔溫度及外電場(chǎng)干擾〕的能力較強(qiáng)；缺點(diǎn)是測(cè)高壓困難〔絕緣及晶體半波電壓較低〕，對(duì)此可用電容分壓、多晶片疊加分壓等方法予以克服。

(a)橫向調(diào)制(b)縱向調(diào)制圖11.12Pockels晶體的橫向調(diào)制和縱向調(diào)制3.1基于晶體電光效應(yīng)的電壓互感器圖11.13為一種基于Pockels原理的高壓電壓互感器的光路結(jié)構(gòu)圖。起偏器將入射光變成線偏振光，經(jīng)過(guò)波片后將線偏振光變成圓偏振光后入射到BSOPockels晶體，BSO晶體的左右兩面鍍透明電極〔縱向調(diào)制〕。當(dāng)被測(cè)電壓施加于Pockels晶體上時(shí)，圓偏振光將變成橢圓偏振光，且橢圓度由施加到Pockels晶體上的電壓決定。橢圓偏振光經(jīng)檢偏器檢出，通過(guò)光電探測(cè)器探測(cè)檢偏器輸出的光強(qiáng)可以確定施加于Pockels晶體上的電壓。1—入射光纖；2,8—透鏡；3—起偏器；4—波片；5—BSOPockels晶體；6—檢偏器；7—45°棱鏡；9—出射光纖圖11.13基于Pockels原理的高壓電壓互感器的光路結(jié)構(gòu)圖3.1基于晶體電光效應(yīng)的電壓互感器被測(cè)電壓和輸出光強(qiáng)之間的關(guān)系如圖11.14所示。圖中，為半波電壓，為入射光強(qiáng)。輸出信號(hào)是交流分量疊加直流分量的形式，通過(guò)光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過(guò)前置放大、帶通濾波、低通濾波和除法運(yùn)算后，可以得到被測(cè)電壓信號(hào)。圖11.14被測(cè)電壓V和輸出光強(qiáng)I之間的關(guān)系3.1基于晶體電光效應(yīng)的電壓互感器光電轉(zhuǎn)換輸出經(jīng)前置放大后，前置放大器的輸出可以表示成(11.11)

式中，是原始信號(hào)幅度；為半波電壓；為被測(cè)信號(hào)；為貝塞爾函數(shù)。式(11.11)經(jīng)過(guò)帶通濾波器后的輸出為

(11.12)式(11.12)通過(guò)低通濾波器后的輸出為(11.13)最后，將式(11.12)和式(11.13)做除法運(yùn)算得到(11.14)3.1基于晶體電光效應(yīng)的電壓互感器當(dāng)很小時(shí)，，式(11.14)變成

(11.15)即輸出信號(hào)正比于被測(cè)電壓V，于是可以通過(guò)來(lái)確定被測(cè)電壓。在上面的討論中，當(dāng)較大時(shí)，式(12.15)會(huì)帶來(lái)較大的誤差，所以為了測(cè)量高電壓，可以通過(guò)采用電容分壓之后再采用如上光路的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。3．克爾效應(yīng)型光學(xué)電壓互感器

圖11.15是基于克爾效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器的典型結(jié)構(gòu)。3.1基于晶體電光效應(yīng)的電壓互感器圖11.15基于克爾效應(yīng)的光學(xué)電壓傳感器的典型結(jié)構(gòu)

光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器P后變成線性偏振光，且偏振方向同晶體的軸和軸成45°角，偏振光經(jīng)過(guò)克爾晶體后，出射光的偏振方向會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的大小和施加于克爾晶體兩側(cè)面上的電壓成比例，克爾晶體后放置一個(gè)偏振方向同起偏器偏振方向垂直的檢偏器，出射光經(jīng)檢偏器后，由探測(cè)器探測(cè)光強(qiáng)。

具體工作原理如下：3.1基于晶體電光效應(yīng)的電壓互感器如圖11.15所示，被測(cè)電壓施加于晶體后，在晶體中產(chǎn)生沿方向的電場(chǎng)，為晶體寬度。此時(shí)，折射率橢球方程可以表示為

(11.16)式(12.161)說(shuō)明，晶體的介質(zhì)雙折射受控制：(11.17)這使得沿方向和方向的偏振光從晶體輸出后產(chǎn)生的相位差為(11.18)

這里，是半波電壓。3.1基于晶體電光效應(yīng)的電壓互感器從晶體出射經(jīng)檢偏器后的光強(qiáng)可以表示為，為入射到晶

體的光強(qiáng)。所以，變化的被測(cè)電壓可以表示為

(11.19)這種方法曾經(jīng)被用于電壓為300kV、周期為數(shù)μs的高壓脈沖測(cè)量?；诳藸栐淼碾妷簜鞲衅髟?0世紀(jì)70年代應(yīng)用廣泛，但是隨著Pockels原理的應(yīng)用，克爾原理應(yīng)用越來(lái)越少。近年來(lái)，基于雙模光纖的模間干預(yù)原理的電壓互感器逐漸引起了人們的重視。它利用光纖中的低階線性偏振模和之間的干預(yù)原理進(jìn)行電壓測(cè)量。電壓互感器由兩個(gè)干預(yù)儀即傳感干預(yù)儀和接收干預(yù)儀構(gòu)成，用單模保偏光纖〔起傳光作用〕把兩個(gè)干預(yù)儀連在一起。兩個(gè)干預(yù)儀都由橢圓心雙模光纖和壓電晶體構(gòu)成，如圖11.16所示。3.1基于晶體電光效應(yīng)的電壓互感器這樣選擇多模激光二極管和光纖，即只允許兩個(gè)低階模和通過(guò)光纖傳輸，其他高階模均被截止。當(dāng)光源發(fā)出的光束經(jīng)單模保偏光纖耦合到雙模光纖后，兩個(gè)線偏振光的偏振面平行于橢圓心光纖的長(zhǎng)軸或短軸。而石英晶體在被測(cè)電壓〔電場(chǎng)〕作用下，圓柱形的晶體的周長(zhǎng)發(fā)生變化，纏繞在晶體上的雙模光纖的模折射率隨著變化。兩個(gè)偏振模間的光程差，其中是傳感光纖的長(zhǎng)度，是傳感光纖中積累起來(lái)的兩個(gè)模間的群折射率之差。類似地，在接收干預(yù)儀中，有，其中為接收光纖的長(zhǎng)度，是接收光纖中積累起來(lái)的兩個(gè)模間的群折射率之差。接收干預(yù)儀輸出的兩個(gè)邊瓣光強(qiáng)為

(11.20)式中，和是多模激光二極管模間干預(yù)條紋的可見(jiàn)度函數(shù)，如圖11.17所示；和分別是傳感光纖和接收光纖中兩個(gè)模之間積累起來(lái)3.1基于晶體電光效應(yīng)的電壓互感器調(diào)節(jié)雙模光纖的長(zhǎng)度，使(11.21)

圖11.16電壓互感器實(shí)驗(yàn)方案圖11.17可見(jiàn)度函數(shù)圖在圖11.16中，共有三塊〔或四塊〕圓柱狀石英晶體。之所以選擇石英晶體，是因?yàn)樗哂幸幌盗械膬?yōu)點(diǎn)，如高電阻率、介電系數(shù)低(4.5)、電場(chǎng)失真小、溫度系數(shù)低，并且具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性等。3.1基于晶體電光效應(yīng)的電壓互感器那么有