一种基于电光效应的非接触式过电压传感器的精度影响因素及误差改进方法

贤天华,郑 丰,褚海洋（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司天生桥局，贵州兴义，562400）

一种基于电光效应的非接触式过电压传感器的精度影响因素及误差改进方法

贤天华,郑 丰,褚海洋
（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司天生桥局，贵州兴义，562400）

测量精度与稳定性是设计过电压传感器的重要指标，会受到多种因素的影响。本文在完成了对非接触式过电压传感器基本结构设计的基础上，从理论上分别对封装的非接触分压单元和光电传感单元进行误差分析，并提出了相应的改进措施。

电光效应；过电压传感器；误差改进；非接触电压测量

0 引言

变电站是电力系统的枢纽，一旦发生雷害事故，将造成大面积停电；并且站内的变压器等主要电气设备的内绝缘大多没有恢复能力，一旦由于侵入波过电压或操作过电压引起损坏，修复起来十分困难，势必造成严重的后果。准确地监测变电站雷电侵入波有着重要的意义。

文献[4]提出了一种基于电光效应的非接触式过电压传感器，通过利用传感器与输电线路之间的杂散耦合电容实现对线路过电压的非接触感应，测量现场无需电源供电，信号传输过程中受复杂电磁环境的干扰小。

测量精度与稳定性是设计过电压传感器的重要指标，会受到多种因素的影响。本文对该传感器在实际生产应用中可能遇到的影响传感器测量精度的因素进行理论分析，并提出相应的误差改进措施，对该传感器在相关领域的实际应用推广带来有益的借鉴。

1 非接触分压单元误差分析

非接触分压单元由感应金属板与定值电容串而成，其误差主要通过分压比的变化体现出来。传感器在实际应用情况下，非接触分压单元的分压比的计算比理论仿真计算情况复杂，具体分析如下：

图1 屏蔽外壳对传感器的影响

① 屏蔽外壳对传感器测量的影响

由于感应金属板外加屏蔽外壳，如图1所示，感应金属板与屏蔽外壳的侧面和底面都存在杂散电容C3和C4，与低压臂电容并联，将使得实际低压臂电容值增大，故实际计算中需要考虑到该杂散电容的影响以修正传感器的实际分压比。

② 光电传感单元等效电容对分压比的影响

非接触分压单元通过同轴电缆与非接触分压单元互联，光电传感单元在电路上可等效为一个电阻与电容并联，会对非接触分压单元形成负载效应，如果负载效应较强将会在反算被测电压时造成误差。

LiNbO3晶体是绝缘体，电阻极大，电阻率ρ为1015Ω/m数量级，文献[4]采用的晶体在外施电压方向上长度为4mm，电阻值为1012数量级，其相对介电常数ε1=28，晶体夹在两片5×30mm的电极中间，所以光电传感单元实际可等效为一个电容C5：

而非接触分压单元的低压臂电容值一般选用nF到μF级别，因此，光电传感单元对非接触分压单元的分压比十分微弱，可忽略不计。

2 光电传感单元误差分析

2.1 光电传感单元的噪声

光电传感单元由多种光学元器件组合封装而成，每个元器件的加工与结构精度会对测量过程的准确性造成直接影响。

① 激光源输出稳定性

光纤激光源发出的激光存在一个中心波长，随着激光源工作环境温度及湿度的变化，其所发出的激光光波长会在中心波长附近波动，激光源的功率也会在长时间的工作中发生一定变化。

对于电光晶体而言，半波电压和相位延迟角都是光波长的函数，激光波长的变化将会导致半波电压和电光效应双折射光相位延迟角发生变化；同时，光功率的不稳定将直接导测量结果的变化。这些都会导致测量时噪声和误差的增大。

故在实际工程应用中须严格保证所用激光源的输出稳定性以减小噪声，提高传感器的测量精度。

② 传输光纤模式

光电传感单元利用一次电光效应将电压变化转化为光的相位变化，最后将相位利用光的偏振原理转化为光功率变化。光纤在光电传感单元中起信号传输的作用。在光电传感单元的光信号输入端，不仅要保证输入光信号的光功率稳定性，同时保证输入光信号的偏振态稳定也是十分关键的，输入光信号的偏振态变化将直接影响到输出光功率的变化。故光电传感单元的输入端须采用保偏光纤以保持输入光信号的偏振态不变。

在光电传感单元的输出端，传输光纤主要作用为传输光功率，对偏振态没有严格要求，故在输出端采用单模光纤以尽量减小输出光信号在传输过程中的功率衰减即可。

2.2 信号在传输过程中的光强损耗

激光信号在光电传感单元的整个光路中存在较大的光强损耗，而同时在光纤中长距离传输的时候会进一步增大损耗强度。这些损耗主要包括：激光在传输过程中依次经过起偏器、四分之一波片、电光晶体、检偏器时光的折反射损耗；光纤准直器将输出激光耦合进单模光纤时的耦合损耗；激光在光纤与光纤以及光纤与准直器连接时的接口损耗；激光在长距离传输过程中由于光纤自身性质造成的固有损耗。

所以，如果将传感器用于现场实际测量，激光信号在光纤长距离传输中的固有损耗、接头损耗、熔接损耗以及弯曲损耗等也是必须考虑的因素。实际应用做较多的为保偏光纤，单模光纤以及多模光纤。其中，保偏光纤在传输过程中衰减最小，其次为单模光纤，多模光纤衰减最大。同时，从非接触分压单元获取的电压信号可能仅为其线性测量范围的三分之一左右，这样会使电光效应引起的激光光功率变化更微弱。

采用大功率的激光源以及在输出端采用单模光纤，均可改善测量信号的信噪比以及测量精度。也可在后台采用合适的硬件滤波或软件滤波的方式优化测量结果的精确度。

3 结语

本文对影响传感器的测量精度和工作稳定性因素进行了讨论，分析了传感器在工作中产生的噪声误差及其产生的原因，并同时提出了相应的改进方法。

对于非接触分压单元，在理论计算分压比的时候，须考虑感应金属板与屏蔽外壳之间的杂散电容对低压臂电容值的影响。

对于光电传感单元，针对LiNbO3电光晶体在z向加电压，x向通光横向调制状态下存在自然双折射的实际问题，提出了“双晶体结构”以改进光路，消除由自然双折射引起的传感器工作点漂移现象。同时理论分析了激光源，光电探测器以及传输光纤在实际应用中须考虑的必要因素，对传感器在实际工程应用中提供有益的借鉴。

[1]周凯, 张涛, 董秀成, 等. 基于电容分压的配电网过电压在线监测[J]. 电力系统自动化, 2007, 31 (21): 86-89.

[2]司马文霞, 兰海涛, 杜林, 等. 套管末屏电压传感器响应特性研究[J]. 中国电机工程学报, 2006, 26 (21): 172-176.

[3]李伟凯, 郑绳楦. 高压电压互感器精密电容分压器的研究与设计[J]. 传感技术学报. 2005(03): 634-637.

[4]杨庆，董恒，陈少卿，司马文霞，袁涛，韩睿. 基于一次电光效应的非接触式过电压监测传感器. 高电压技术, 2015, 41(01):140-145.

[5]胡军, 张蓉竹. 温度对铌酸锂电光相位调制特性的影响[J].光学与光电技术. 2009(05): 5-8.

[6]方启万. 铌酸锂电光调制的研究[J]. 邮电研究. 1979(02): 39-65.

[7]孔勇发, 许京军, 张光寅, 等. 多功能光电材料——铌酸锂晶体[M]. 北京: 科学出版社, 2005: 137～142.

[8]曾嵘, 陈未远, 何金良, 梁曦东, 牛犇, 耿毅楠. 光电集成强电场测量系统及其应用研究[J]. 高电压技术. 2006(07): 1-5.

Accuracy influence factors and error improvement methods of noncontact over voltage sensor based on electro optic effect

Xian Tianhua,Zheng Feng,Chu Haiyang
（Tianshengqiao Branch, EHV,China Southern Power Grid,Xingyi,562400,China）

The measurement accuracy and stability is designed an important indicator of the voltage sensor, will be affected by many factors. This paper completed the non-contact over the basic structure of the voltage sensor design based on, in theory respectively for the encapsulation of non-contact points pressure unit and a photoelectric sensing unit error analysis, and put forward the corresponding improvement measures.

electro optic effect；over voltage sensor；error improvement；non-contact voltage measurement