雙模干涉式光學電壓互感器

光學電壓互感器就是利用光電子技術和光纖感測技術來實現電力系統電壓測量的新型互感器。

基本介紹

• 中文名： 雙模干涉式光學電壓互感器
• 外文名：Double mode interferometric optical voltage transformer
• 學科：電力工程
• 領域：能源
• 作用：電壓測量
• 優點：體積小、重量輕

簡介

近年來，光學互感器在電力工業中的套用越來越廣泛。相對於傳統的互感器而言，目前的光學電壓互感器產品有眾多優點:具有較強的抗電磁干擾能力;能實現高、低電位之間的電隔離;而目測量頻帶很寬，能很好的與計算機、DsP等現代信號處理系統相兼容;體積小、重量輕。

光學電壓互感器的研究意義

光學電壓互感器就是利用光電子技術和光纖感測技術來實現電力系統電壓測量的新型互感器。與傳統的電磁式電壓互感器和電容分壓電壓互感器相比較，光學電壓互感器的突出優點是：

（1）高低壓完全隔離，安全性高，具有優良的絕緣性能和優越的性價比光電互感器是將高壓側信號通過絕緣材料做成的光纖傳輸到二次設備，這使得其絕緣結構大大簡化，而目‘隨著電壓等級的升高，其性價比的優勢越明顯。它是用光纜而不是電纜作為信號傳輸工具，實現了高壓端和低壓端的徹底隔離，不存在電壓互感器二次迴路短路或電流互感器二次開路給設備和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。

（2）沒有鐵芯，不存在磁飽和、鐵磁諧振等問題由於光學互感器在原理上與傳統互感器有著本質的區別，一般不用鐵芯作磁禍合，因此，消除了磁飽和及鐵磁諧振現象，而使互感器運行暫態回響好，穩定性好，保證了系統運行的高可靠性。

(3)功能齊全，測量精度高光學互感器能同時用於電壓/電流測量和保護兩種功能，不必使用多個不同用途的鐵芯線圈，便可同時滿足計量和繼電保護的需要，而目‘還可以將電壓、電流組合在一起，構成組合式光學互感器，這對於傳統互感器而言是不可能的。目前，光學互感器的測量精度最高可以達到0.2級。

(4)頻率回響寬，動態範圍大光學互感器感測頭部分的頻率回響取決於光在感測頭上的渡越時間，實際能測量的頻率範圍主要決定於電子線路部分。光學感測部件已經用於測量高壓電力線路上的諧波和脈衝暫態電壓。

(5)沒有因充油而潛在的易燃、易爆等危險由於光學互感器的絕緣結構相對簡單，一般不採用油作為絕緣介質，不會引起火災、爆炸等危險。

(6)體積小，重量輕，節約占地面積因無鐵芯、及絕緣油等，光學互感器的重量一般只有電磁式互感器重量的1/10,體積小，占地面積小，便於運輸和安裝。

(7)無污染，無噪音，具有優越的環保性能由於光學互感器中信號是通過光來傳輸的，因此，其不會產生噪音、電磁波等污染源，同時，可採用矽橡膠絕緣子和氣體作為絕緣介質，替代傳統的磁套絕緣子和絕緣油，這樣可大大降低這些配套設備生產過程中帶來的環境污染，具有優越的環保性能。

(8)適應了電力系統數位化、智慧型化和網路化的需要光學互感器可以根據需要輸出低壓模擬量和數字量，這可直接用於微機保護和電子式計量設備，而且能實現線上檢測和故障診斷，在變電站綜合自動化中具有明顯的套用優勢。

由於OVT具有眾多突出的優點，因此它在電力系統中有著十分廣闊的套用前景。

雙模干涉式光學電壓互感器的基本原理

由於當前的光學互感器大都利用sgo, sso等塊狀晶體的電光效應來實現的，其本身具有一定的局限性。因為，這種光學電壓互感器產品需要自聚焦透鏡、起偏器、波片、電光晶體等光學部件組合粘接而成，光學器件的加工和粘接工藝都比較複雜，不利於大規模生產，同時由於光學部件材料自身的原因，在安裝、運輸等過程中材料易損壞，給現場安裝、運行和調試帶來一定的困難。

為了進一步提高光學互感器的性能，克服以上的缺點，一種新型的光學電壓互感器相繼而產生。這種新型的感測器僅採用石英晶體和光纖作為敏感器件，通過光纖來檢測和傳輸信號，不需要自聚焦透鏡、起(檢)偏器、波片、電光晶體等光學元件，加工工藝大大簡化，同時由於石英材料自身的良好性能，使系統的抗外界干擾能力大大增強，而目‘這種感測器的結構更加簡單，體積更小，重量更輕，能集成在氣體絕緣開關等高壓設備中，便於智慧型化。 基於石英晶體逆壓電效應的光纖電壓感測器是利用地與高電勢間電場的線積分來測量高電壓的，這種感測器可用於空氣絕緣室外電力系統。利用電場線積分的方法求電壓可防止鄰近電場的干擾，以確保感測器信號不受電場分布的影響。

雙模干涉式光學電壓互感器的系統結構

電壓互感器採用全光纖干涉方案，它利用橢圓芯雙模光纖中的低階線性偏振模。電壓互感器由二個干涉儀，即感測干涉儀和接收干涉儀構成，二個干涉儀都由橢圓芯雙模光纖和壓電晶體構成，如圖2-1所示。

為了提高禍合效率用單模保偏光纖(起傳光作用)把二個干涉儀連在一起，單模保偏光纖和橢圓芯雙模光纖在熔焊時，要使兩光纖軸心錯開一定的橫向偏移量，這樣單模光纖中的LPo i模就可平均禍合到雙模光纖的LPo i和LPl中。系統中光源為780 nm低相干多模雷射二極體，輸出功率為4 mw，實際工作波長為793 nm。系統由光源/檢測(相位跟蹤器)、光纖引線和感測頭三部分組成。

光纖引線為連線光源/探測器和感測頭部分，它處於控制室與現場之間。其作用一方面是將光源發出的光如實地傳輸到感測頭部分，另一方面要將經感測頭後被電壓信號調製的光波如實地傳輸到檢測部分，因而要求光纖引線對周圍環境的擾動不敏感，所以採用單模保偏光纖作為光纖引線。

雙模干涉式光學電壓互感器的設計

雙模干涉式光學電壓互感器的研究涉及到很多學科領域，例如雷射原理、光波導理論和晶體物理學等，是一個跨學科的課題。這就需要清晰論述各相關領域的基礎理論，還要將多學科的理論有機地結合到一起，從而形成關於雙模干涉式光學電壓互感器的系統理論。本章詳細闡明這些理論，為雙模干涉式光學電壓互感器的研究提供理論基礎，並給出雙模干涉式光學電壓互感器的設計。

1、光源 從雙模干涉式光學電壓互感器的基本原理可知要檢測逆壓電效應產生的相位差，需要採用白光干涉的辦法將相位差信號轉變為光強信號。白光干涉要求採用低相干長度的光源[85]。單縱模雷射二極體相干長度一般為幾米，因而不能滿足要求;發光二極體(LED)屬於低相干光源，但是它與光纖的禍合效率很低;相比而言，多模雷射二極體既有較低的相干長度(只有幾mm)，又能有效地與光纖禍合，所以是一種比較合適的光源}s},s}}

2、光纖 在雙模干涉式光學電壓互感器系統中使用了單模保偏光纖和橢圓芯雙模光纖，而目‘要利用逆壓電效應產生的雙模光纖中LPo i和LPl模的相位差的變化來實現高電壓的測量。

3、石英晶體與壓電陶瓷 雙模干涉式光學電壓互感器系統的感測是基於石英晶體的逆壓電效應，而主動零差相位跟蹤是利用壓電陶瓷的逆壓電效應進行相位調製。因此我們論述石英晶體和壓電陶瓷的性能特點，尤其是二者的壓電效應。

系統的誤差分析及解決辦法

對雙模干涉式光纖電壓互感器的誤差分析有利於系統參數的最佳化選擇和誤差的補償，下面就是分析誤差的影響因素，並給出解決辦法。

環境溫度是影響光纖電壓互感器精度的最主要因素。在假定環境溫度不變時當橢圓芯雙模光纖的參數選擇適當，使得歸一化頻率略低於LP 0dan模截止頻率時，就能夠保證有較大的光程差，殘餘可見度小到可以忽略不計，因此主動零差相位跟蹤誤差也幾乎為零。但是當環境溫度發生變化時，系統中很多參數都會發生變化，對系統的精度產生很大的影響。雙模干涉式光纖電壓互感器光源/檢測部分位於控制室中，控制室中溫度可以控制得較為穩定，因此溫度對雙模接收光纖、壓電陶瓷、光源等處於控制室中的組件的影響可以忽略不計。 單模保偏光纖引線位於控制室與現場之間，在此忽略它對系統產生的誤差。

雙模感測光纖和石英晶體，即感測頭部分位於測量現場，環境溫度變化很大，因此溫度對誤差的影響主要是體現在對石英晶體和雙模感測光纖的影響。