基于光学电压互感器稳定性的分析与研究

殷培峰 张婧瑜

(兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060)

0 引言

随着我国电力系统输送电压等级的不断升高，传输的电力容量越来越大，传统的电压互感器因自身不可克服的问题，如随着电压等级的提高，绝缘处理越来越困难，爆炸的危险性增加，易受电磁干扰;且体积大，安装不便。更为突出的是，电力系统继电保护技术的发展趋势是向计算机化、网络化、智能化、保护、控制、测量和通信一体化的方向发展，这些都要求互感器输出数字化。光学电压互感器就是将被测电信号转换为光信号，光信号沿光通道传输，经光电转换再变换为电信号，可提供模拟量或数字量输出，以适应电力系统微机化、网络化、保护和测量智能化的要求，并且体积小、重量轻、无爆炸危险，是一种理想的、新型电压互感器，因而被广泛应用。但由于受BGO晶体、光路结构、传感器结构和环境温度等的影响，使光学电压互感器在使用中稳定性下降，必须采取有效措施，提高其工作稳定性，保证电力系统的正常运行。

1 影响光学电压互感器工作稳定性的因素

1.1 BGO晶体的双折射

光学电压互感器是由传感元件和数据处理单元组成的互感器，用以测量和监控电压。采用(Bi4Ge3O12)晶体作为Pockels敏感元件，将被测电压加在晶体上，测其入射晶体偏振光产生电光相位延迟(相位差)，可得被测电压值［1］。由于BGO晶体在生产过程中，不可避免会含有一些杂质，并且晶体在加工及退火过程中也会使其内部产生残余应力，晶体中的这些杂质及残余应力会在晶体内引起线性双折射和圆双折射(旋光性)，这些双折射在晶体内随机分布且随晶体的温度而变，使得光学电压互感器在使用过程中受温度影响较大，稳定性较差。

图1 光的偏振干涉

如图1所示，在光束进入晶体之前，使其通过偏光板(偏振器)变成线偏振光，用偏振器把经过晶体被调制的相互垂直偏振的两束变成偏振相同的光，形成相干光束，产生干涉，相位调制光变成振幅调制光。在这一解调过程中，如图2表示双折射晶体中两光束的偏振方向与偏光板、检光板(检偏器)的偏振轴的相互关系［2］。图中x1和x2表示两光束的互相垂直的偏振方向，P和A分别表示偏光板和检偏器的偏振轴。设P与x1的夹角为φ，而P与A的夹角为α，入射到晶体内的光是经过起偏器起偏后的线偏振光，其振幅以线段表示，并令这样入射光在r1和x2方向上的分量振幅分别为光通过晶体后产生相位差Δφ，因只有偏振方向平行于检偏器的偏振轴A的光才能通过，故两束光通过检偏器后的振幅分别为:

图2 双折射晶体中光束的偏振方向与偏光板、检光板的偏振轴的相互关系

由上所述，此两光束的频率相同.但有一定的相位差，且经检偏器后偏振相同。因此，它们是相干光束，并产生干涉，干涉强度为:

式中，I1和I2是这两相干光束的强度，即:

这表明在起偏器与检偏器的偏振轴互相垂直的情况下，偏振干涉的强度只与起偏器的偏振轴与光在晶体内的偏振方向的夹角φ有关。因此，如果旋转起偏器，使其偏振轴与晶体内光的偏振方向成时，则sin2φ=1，可获得最大的偏光干涉输出

可见，检偏器的输出光强与双折射晶体产生的相位差成正弦平方关系，若双折射晶体产生的相位差以被测电压来表示:Δφ=，式中，Vπ半波电压，V是被测电压(又称外加电压)若V=Vmsin(ωt)，则:

由上述分析可知，要测定外加电压，先要检测双折射晶体产生的相位差，但要对光的相位变化进行精确的直接测量，以目前的技术条件是很困难的［3］。只能将光的相位变化转化为光的强度调制，利用偏光干涉装置把由双折射引起的相位调制光变为强度调制光。因此，BGO晶体的双折射对光学电压互感器稳定性产生较大的影响。

1.2 光路结构对传感器稳定性的影响

光学电压互感器的光路部分包括晶体、起偏器、1/4波片、检偏器及自聚焦透镜等光学器件，这些光学器件按确定的方位关系通过光学环氧胶黏结在一起。由于目前黏结工艺的不完善，光学器件间的相对方位会偏离理论值且随环境温度而变，从而使传感器的灵敏度及稳定性降低。

1.3 传感器结构对稳定性的影响

用横向调制光学电压互感器时，实际测量的是晶体中光路处的电场。光学电压互感器中，被测高电压通过固体介质加到晶体上，固体介质的热胀冷缩必然会使晶体中光路处的电场发生波动，从而使传感器的稳定性受到影响。

2 提高光学电压互感器工作稳定性的措施

2.1 选用优质的光学器件并改进黏结工艺

由于BGO晶体内的双折射受环境温度的影响较大，其影响与温度的变化速率及变化过程有关，因此，对选用的光电晶体材料要求温度效应小、导热性能好、光电系数大、半波电压高、介质损耗小、晶体的折射率大、容易获得高光学质量、大尺寸单晶、无自然双折射和旋光性、并经过三次提拉和退火处理的优质BGO晶体材料［4］，可有效地提高传感器的稳定性。

传感器中光学器件间的方位角偏差会使其灵敏度降低，黏结传感器时应尽可能减小方位角偏差，并使胶层尽可能薄［5］。光学器件间的胶层越厚，方位角受环境温度的影响越大，从而直接影响传感器的稳定性。

2.2 对LED及信号处理电路进行温度控制

信号处理电路是将传感头中被电场(电压)调制过的光信号变换为被测电场(电压)的大小，具有光电转换、放大、滤波、数据采集、计算、显示、量程切换等基本功能，有单光路交直流相除法和双探测器补偿法两种方法。但单光路交直流相除法仅可用于交变电场的测量，且信号处理系统无法对温度的影响进行补偿，因此，实际采用双探测器补偿法作信号处理。

如图3所示，采用偏振分光镜作检测器，两个光电探测器PIN探测的输出光强分别为:

式中，ω为电网的频率;I0为输入光强;m⊥为垂直偏振器出来的垂直调制度;m∏为平行偏振器出来的平行调制度。

其中，Δφk是由第k种线性双折射引起的相位差;δk是由第k种线性双折射的慢轴方位角。为 Pockels线性电光效应引起的调制度，Em为外加电场的最大值，即E=Emsin(ωt)。

图3 双探测器补偿法

由于m⊥和m∏随温度变化的趋势是相反的，所以，通过m⊥和m∏之和的平均值计算法可消除部分温度、压力等环境因素对传感头灵敏度的影响。其平均值的算法有以下两种。

(1)算法一

由上述两式可得:

可以看出被测电压信号，不仅与输入光强的大小无关，而且受光强波动的影响小，这样就减小了环境温度对传感器的影响。

这种算法可以将输入光强的缓慢变化除掉，但是，对光强快速变化的影响难以除掉。光强的瞬间变化通常由加在光纤上的机械压力、光源LED的纹波等引起。并且，此算法要求I1、I2完全对称。因此，实际中采用下面的算法二。

(2)算法二

从而可得:

由于LED驱动电流的纹波可达0.02mA［6］，如果LED的驱动电流为l50mA，则其纹波的比例约为-80dB，将会影响测量的精度，算法二可解决这-问题。

假设LED光强变化的速度高于0.5s，由于被测电压为工频50Hz，求I1和I2的平均值的时间可短于0.5s。I1和I2表达式可改写为:

式中，Δ1和Δ2分别为光强I1和I2的变化比例。通常，可认为Δ1=Δ2，则仍保持:

值得注意的是，双光路补偿法是有条件的，只有当Pockels效应产生的相位差及各干扰双折射产生的相位差之和远小于1时，才有明显的效果。

由此可见，信号处理电路的不对称会使光路补偿效果受到影响，电路工作性能的波动直接影响传感器的稳定性。因此，采取双探测器补偿法，可在一定程度上保证电路工作的稳定性。

2.3 选择热膨胀系数小的绝缘材料

传感器高低压电极间的固体介质选用热膨胀系数较小的电工绝缘材料，以使晶体光路处的电场受环境的影响较小。

2.4 安装温度传感器

在电压互感器附近安装温度传感器，通过实践找出温度对传感器输出信号的影响规律，并利用二次部分的软件根据环境温度对传感器输出信号进行修正［7］，可在一定程度上提高传感器的稳定性。

3 结束语

影响光学电压互感器稳定性的因素是多方面的，有些因素随环境温度的变化有确定的规律，如BGO晶体的折射率、线性电光系数及高低压电极间固体介质的长度等。有些影响因素不仅与温度的大小有关，而且与温度的变化速率及变化过程有关，如BGO晶体内的干扰双折射及光学器件间的方位角波动等。认真分析各方面的影响因素，对有规律的因素摸索其规律，根据环境温度的变化，采取有效措施进行补偿;对无规律的因素，采取尽可能控制其影响，使光学电压互感器的稳定性得以提高。

［1］娄风伟，郑绳楦，王建军.一种全光纤电子电压互感器的研究［J］.光电工程，2006，9(4):79-82.

［2］李晓南，刘丰，郑绳楦.一种新型光纤电压互感器的设计［J］.电力系统自动化，2006，26(2):65-69.

［3］Kanoi M，et al.Optical voltage and current measuremrent system for electric power systems［J］.IEEE Trans.on Power Delivery，2006，16(1):91-97.

［4］Bohnert K，de Wit G，Nehring J，Coherence-tuned interrogation of a remote，elliptical-core，dual-mode fibet straln sensor［J］.IEEE Journal of Lightwave Technology，2005，13(1):94-103.

［5］钱 政，贺向前，罗承沐.新型GIS电子式光电组合互感器中电压传感器的性能分析［J］.电工电能新技术，2003，33(1):59-62.

［6］黄德祥，孙志杰，陈应林.新型高电压测量装置一数字光电式串联感应分压器的研制［J］.高压电器，2005，11(4):46-51.

［7］李红斌，张明明，叶齐政.5O0kV组合式光学电流电压传感器性能分析［J］.高电压技术，2003，30(7):68-71.