高电压光电测量的优缺点及发展现状(11.9)

高电压光电测量的优缺点及发展现状

摘要

为了能够比较精确的在较高电压或极端电磁环境下获得电压或电场的参数，利用光电元件测量高电压的应用受到广泛关注。本文首介绍了高电压测量的特殊要求和光电测量的基本原理,随后论述了基于光电互感器的光电测量系统的发展现状。最后通过与传统测量系统的比较，分析了其优缺点,进而说明了光电测量系统在高电压测量与研究领域必将会有广泛应用前景。

关键词：光电测量高电压光电互感器

1引言

现代电力系统输电电压等级不断提高，伴随着特高压输电的出现，高电压以及高电压环境下强电磁场等参量的测量逐渐成为研究的重点。由于电压等级很高，输电线路周围电磁场环境很复杂，因此对测量系统提出了很多新的要求：

1．测量点往往处于高电位和强场区域。因此，测量系统的传感器探头部分与后级信号处理部分需要有很好的隔离。

2．为了尽量减小传感器对被测电磁场的影响以及空间精确定位测量，需要尽可能缩小探头的体积。

面对这些新的要求，采用传统的电磁式电压互感器的测量系统很难满足。自二十世纪六十年代开始，人们一直在寻求一种安全、可靠、理论完善、性能优越的新方法来实现高电压的测量。由基于电光效应而制造的光电互感器或应用光通信方式组成的测量系统能够克服很多采用传统高压分压器或分流器为主的测量系统的缺点，在近几十年来一直受到学者和工程技术人员的广泛关注和深入研究。本文将介绍高电压光电测量的原理以及其发展现状，总结高电压光电测量的优缺点。

2光电测量系统

光电测量系统是一种利用各种电光效应或光通信方式进行测量的系统，在高电压技术领域内，可以用它进行高电压、大电流、电场强度以及其他参量的测量。

光电测量系统常采用以下几种调制方式：

（1）幅度-光强度调制（AM-IM）

这种调制方式采用发光二极管作为光电变换器，发光二极管发出的光强度与流过它的电流大小成正比。图2-1为采用幅度-光强度调制方式的光电测量系统原理图。被测电压先经过二极管产生光信号，然后光信号通过光导纤维传到信号处理端，通过光电倍增管将光信号还原成电信号输入示波器。

图2-1 采用幅度-光强度调制方式的光电测量系统原理图（2）调频-光强度调制（FM-IM）

这种调制方式是利用压控振荡器的输出频率随调制信号的大小发生线性变化的原理来传递信息的。它的测量系统如图2-2所示。被测电压经过FM-IM方式调制后形成光信号，用光缆传输到信号处理端，在经过解调后输出电信号。而且频率-光强度调制比幅度-光强度调制具有更高的抗干扰能力，它可以克服光源非线性和温度变化所造成的不利影响。

图2-2 采用调频-光强度调制方式的光电测量系统原理图（3）数字脉冲调制

数字脉冲调制是采用脉冲电码传送模拟信号各个采样的量化值的一种方式。图2-3为其测量系统原理图。首先将所测电压送到高采样率和高分辨率的模数转换器（ADC）中去，完成采样的量化过程。然后将转换器输出的数字信号经过编码器，变换成二进制脉冲电码，经接口输入到光纤数字通信系统中，在经过另一个编码器将脉冲电码变换成适合光纤数字通信的码型。把重新编码的数字信号经驱动电路放大后，驱动光源。光源将电信号变换为光信号送入光纤，经过译码器、数码转换器（DAC）输出模拟电压信号，供示波器进行测量。

图2-3 采用数字脉冲调制的光电压测量系统

（4）利用电光效应的外调制

电光效应（Electro-optical effect）是指在晶体上加有外电场时，晶体的折射率发生变化的一种现象。产生光电效应的机理是由于电场会改变分子或原子中电子的运动，或者改变晶体的结构，从而导致晶体的折射率发生变化。

如果晶体折射率的变化与电场强度成正比，这种电光效应称为Pockels效应，也称为一次电光效应，该效应是1893年由德国物理学家Pockels发现的。如果晶体折射率的变化与电场强度的平方成正比，这种电光效应称为Kerr效应，也称为二次电光效应，该效应是1875年由Kerr发现的。由于Pockels效应通常要比Kerr效应强得多，所以在研究应用中，我们主要使用Pockels效应。

图2-4即为一种采用电光效应测量高电压的系统。它包括激光光源、光电传感器、

光纤、光电接收器PIN以及放大器、示波器等。其中的光电传感器又包括起偏器、电光晶体、1/4波片、检偏器和自聚焦透镜，这些设备的轴心都位于同一轴线。整个装置的工作原理为由激光光源发出光信号，通过光纤传输到处于被测电场中的光电传感器，之后再通过光纤传送到光电接收器PIN将光信号转为电信号，最后经放大器放大传输给示波器。这种测量系统的传感器部分可以全部使用非金属材料，不会对被测电场产生干扰，因此测量精度比采用传统电磁式传感器的测量系统要高。

图2-4 采用电光效应调制方式的光电测量系统原理图

3光电测量的发展现状

早在1849年，在法拉第发现磁光效应49年之后，就已经有人提出利用光学原理测量电流的想法，但是受当时技术条件等原因的限制，其研究仅局限于试验和设想阶段。直到20世纪70年代，随着半导体技术的发展以及光纤传导和传感技术的出现，光电测量技术的发展进入实用化阶段。特别是从80年代后期开始，光学传感技术在电力系统中的应用研究得到了突破性进展,取得了令人瞩目的成果,美国、日本、法国和前苏联等国先后研制出多种实用型光学电压互感器(optical voltage transformer,简称OVT) 和光学电流互感器 (optical current transformer,简称OCT),然后利用这些光电互感器制造出了一些光电测量样机，并成功地长时间运行于高压电站中。进入21世纪后，美国和法国等一些技术发达国家对于高电压光电测量的重视逐渐增加，而且一些大型电气设备制造公司，例如ABB公司和西门子公司等也推出了比较成熟的产品，并且其性能越来越优异。目前的重点主要是对采用电光效应调制方式的光电互感器测量系统的研究，因此本文主要介绍了国内外在光电互感器方面的研究成果。

3.1 国外在光电互感器研究方面的发展现状

（1）日本在80年代便开始了组合式光电电压电流测量装置的研究工作，并且在1991

年7月公布了部分产品用于配网自动化系统的挂网运行数据。并且东芝公司已经研制出1000kV的光电互感器。

（2）1995年，法国ALSTOM公司在美国安装了525kV的组合式光学电压电流互感器，之后又陆续在荷兰、比利时、加拿大和法国等国挂网运行。1997年又打出了

123kV-765kV组合式光学电压/电流互感器的广告，其电压传感器采用了基于BGO晶体Pockels纵向电光效应的结构，电压传感器置于绝缘子顶部，绝缘子内充

SF的硅橡胶复

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合绝缘子，光纤在绝缘子内以螺旋式结构由顶部引至下端。

（3）1997年1月，ABB公司推出了额定电流2000A的115kV-550kV的组合式光学电压电流互感器，其电压测量采用了基于Pockels纵向电光效应的光学电压互感器，并且已经在许多国家投入运行。

（4）2003 年，加拿大Nxtphase报道了121KV-550KV的光学电压互感器。

3.2 国内在光电互感器研究方面的发展现状

我国对高电压光电测量的研究始于20世纪80年代，先后有清华大学、电子部26所、北京电科院、上海互感器厂、哈尔滨工业大学、华中科技大学等多家大学、科研院所和工厂开展这项研究工作。但是在2000年之前绝大多数工作都处于实验室阶段，很少有光电测量设备投入高电压测量的实际应用之中。

下面是国内在高电压光电测量领域的研究和应用：

（1）1993年，由华中理工大学(现华中科技大学)电力系与广东省新会电力局合作研制出单相110kV光电互感器样机，并于同年12月在新会电力局挂网运行。1998年与广东顺德特种变压器厂、广东新会电力局合作研制出带微机保护的三相光电电压互感器样机，并于同年十月在新会投入运行。

（2）1998年5月，华中理工大学和湖南省电力局合作，研制出220kV组合式光学电压电流互感器，并通过了国内专家技术评审。

（3）2004年,华中科技大学研制了新型的220kV组合式无源光学电流/电压互感器，无高压侧电路，全部用光纤传输信号，实现了高低压彻底隔离，安全可靠；实现了电流、电压传感器全部组合在一个结构中，体积小、重量轻、准确度高。

（4）2010年，东南大学和江苏省电力设计研究院共同研制出500kV的光电电压互感器。

总之，光电测量技术的研究已经成为目前高压测量领域研究的重点，国外许多技术发达的国家都投入了大量的人力、物力和财力从事这项研究工作。我国在这一领域的研究起步较晚，与国外先进水平还有较大差距，而且随着一些国外成熟产品在我国市场的推广，对于国内相关企业也会产生不小的冲击。

4光电测量的优缺点

4.1光电测量的优点

与采用传统电磁式互感器的测量方法相比，光电测量有如下突出优点：

（1）高低压完全隔离，安全性高，具有优良的绝缘性能和优越的性价比

整个光电测量设备可以分为光电互感器和信号处理设备两块，处在强电场环境中的只有光电互感器，其通过绝缘材料做成的光纤将所测得的高压信号传输到后面的信号处理设备，这不仅实现了整个设备的高低压侧的彻底隔离，同时使得整个光电测量设备的绝缘结构大大简化，而且随着电压等级升高，其性价比也会越来越高。

（2）无噪音，低污染，具有优越的环保性能

由于光电测量系统中的信号是通过光来传输的，因此不会产生噪音和电磁波等污染源。同时，在对光电互感器进行设计时可以采用硅橡胶绝缘和气体

SF作为绝缘介质，

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替代传统的瓷套绝缘子和绝缘油，甚至可以做成无油无气的光电互感器，这样可以大大降低这些配套设备生产过程中所带来的环境污染，具有优越的环保性能。

（3）功能齐全，测量精度高

光电测量系统所采用的光电互感器可以进行多种物理量的测量，而不局限在测量电压等级，而且测量多个电场数据时仅使用一个光电互感器便可以实现。而且由于整个测量系统实现了高低压隔离并且采用光纤对信号进行无损传输，而测量点附近的空间电磁场也不会干扰光线中传输的光信号，而且整个光电互感器部分金属元件较小，对被测点附近的电磁场影响较小，因而使得光电测量的精度可以达到很高。

（4）频率响应宽，动态范围大

光电测量系统中所采用的光电互感器具有响应速度快、灵敏度高的优点，大大提高了测量频率范围和响应速度。用光纤实现信号传递可以保证有很高带宽，可以实现从直流到GHz的测量。

（5）体积小，重量轻，节约占地面积

因光电互感器没有铁芯和绝缘油等，使得光电互感器只有传统电磁式互感器重量的十分之一，且体积小，占地面积小，便于运输和安装。

（6）适应了电力系统数字化、智能化和网络化的需要

光电测量系统可以根据需要输出低压模拟量和数字量，可以直接用于计算机设备进行保护程序的设定和管理，为实时监测和故障诊断提供了优势，也推动了变电站的自动化管理进程。

4.2光电测量的缺点

虽然光电测量技术有着诸多的优点，但是也因其自身特性有着难以克服的缺点：（1）利用基于Pockels晶体传感器的测量系统对外界机械作用力敏感，这就给整个系统带来稳定性的问题。

（2）入射光通过电光晶体时存在折反射问题，从而限制了晶体长度的提高，而晶体长度越长，光电互感器的灵敏度越高，进而也限制了整个测量系统灵敏度的提高。（3）温度对光电测量装置的精度有较大影响，而绝大多数光电测量装置是装设在户外的，对于昼夜温差较大的地区，不可避免的对电压实时测量会造成一定影响。

5总结

总的来说，由于理论和技术的限制，迄今为止大部分高压光电测量装置还停留在实

验阶段，只有少部分产品被投入到实际应用中。而对于传统的电容式、电阻式及阻容式电压互感器，由于其理论比较完善，制造工艺要求相对较低，从而被广泛的应用在实际工作中。但是随着我国经济的快速发展,高电压、长距离输电的推广势在必行，这就对高电压测量技术提出了新的要求。光电测量技术可以很好的克服了传统高压测量技术的诸多缺点，满足了电力发展的需求，因此光电测量技术势必会有更加广阔的发展前景。参考文献

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