溫度對典型光學(xué)電壓互感器誤差特性影響的研究

陳 剛，陳銘明，徐敏銳，趙雙雙

(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院 國家電網(wǎng)公司電能計量重點實驗室，江蘇南京 211103)

隨著國網(wǎng)公司智能變電站建設(shè)工作的展開[1]，光學(xué)電壓互感器已在智能變電站逐步得到應(yīng)用，如2011年4 月18 日安徽桓譚110 kV 智能變電站投運在世界首次應(yīng)用110 kV 全光學(xué)電壓互感器，我省已經(jīng)投運的常熟南智能變電站也采用了光學(xué)電壓互感器。光學(xué)電壓互感器誤差特性和傳統(tǒng)的電磁或電容式電壓互感器有很大區(qū)別，同時目前光學(xué)電壓互感器的實現(xiàn)原理上有多種，其誤差特性易受溫度影響，而目前對于光學(xué)電壓互感器的測量性能研究分析工作大都停留在理論分析和試驗室測試上，其在工程應(yīng)用中的試驗與分析評價方法還很缺乏，迫切需要進行試驗檢測分析來論證研究分析的結(jié)果，并解決光學(xué)電壓互感器運行中的技術(shù)指標穩(wěn)定性等問題。

1 光學(xué)電壓互感器原理研究

光學(xué)電壓互感器按照原理不同可分為電容分壓原理、Pockels 電光效應(yīng)、Kerr 效應(yīng)等。

1.1 電容分壓原理

基于電容分壓原理的光學(xué)電壓互感器主要由電容分壓器、電子處理電路和光纖等組成，原理框圖如圖1所示。其測量過程如下：被測高壓信號由電容分壓器從電網(wǎng)取出，信號經(jīng)放大、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換及電光轉(zhuǎn)換，以數(shù)字光信號的形式送至合并單元，合并單元首先由電光轉(zhuǎn)換器PIN 將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，將串行信號變成并行信號，并按IEC 61850 標準打包將測量結(jié)果輸出給計量和微機保護設(shè)備。

圖1 電容分壓原理的光學(xué)電壓互感器

光學(xué)電壓互感器置于室外運行，當環(huán)境溫度變化時，其電容器的電容量也會發(fā)生變化，從而會對分壓比產(chǎn)生影響[2]。

1.2 Pockels 效應(yīng)

1893年德國物理學(xué)家F.Pockels 首先發(fā)現(xiàn)電光效應(yīng)。所謂Pockels 電光效應(yīng)是指某些透明的光學(xué)介質(zhì)在外電場作用下，其折射率線性地隨外加電場而變化。Pockels 效應(yīng)又稱線性電光效應(yīng)。其原理如圖2 所示。

圖2 Pockels 電光效應(yīng)原理

若晶體在通光方向長為l，則出射的兩束光之間的相位差為：

或用電壓表示為：

其中：

式（1—3）中：Vπ為使二束光產(chǎn)生π 相差所需的外加電壓，稱半波電壓；V為外加電壓；V為施加電壓方向的晶體厚度。

由BGO 電光晶體構(gòu)成的光纖電壓傳感器如圖3所示。它由光纖、準直透鏡、起偏器，檢偏器、1/4 玻片、電光晶體和耦合透鏡通過光學(xué)膠（如紫外光學(xué)膠或A+B 光學(xué)膠）黏接而成，因不同材料具有不同溫度系數(shù)，當溫度在較大范圍（-40～+70℃）變化時，各元件的收縮或膨脹變形不一致，從而引起光路系統(tǒng)中光的耦合效率發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出光功率的波動，則導(dǎo)致測量誤差[3]。

圖3 光纖電壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 Kerr 效應(yīng)

1875年蘇格蘭物理學(xué)家J.Kerr 發(fā)現(xiàn)某些本來是各向同性的介質(zhì)在外加電場的作用下變成各向異性的介質(zhì)，從而產(chǎn)生雙折射，這種效應(yīng)就是Kerr 效應(yīng)。實驗表明，Kerr 效應(yīng)中外電場的方向相當于介質(zhì)在外電場作用下所轉(zhuǎn)變成的各向異性晶體的光軸。當光的振動方向與外電場方向一致時，介質(zhì)的折射率為ne，相互垂直時，射率為no，外加電場強度為E，則：

式（4）中：λ為光在真空中的波長；K為一個常數(shù)，稱為克爾常數(shù)。

通過對折射率引起的相位差的測量來間接測量外加電壓。由于折射率之差與外加電場強度的平方成正比，Kerr 效應(yīng)又稱為二次電光效應(yīng)。Kerr 效應(yīng)較Pockels 效應(yīng)相比要微弱得多，且具有非線性性，因此在實際傳感器中應(yīng)用不多。

2 誤差特性試驗研究

2.1 試驗系統(tǒng)搭建

因為針對各種光學(xué)電壓互感器的誤差特性，需要構(gòu)建一套能夠?qū)鈱W(xué)電壓互感器提供一次大電壓和二次輸出接收與檢測的設(shè)備系統(tǒng)[4]。試驗系統(tǒng)如圖4所示。系統(tǒng)接入工頻單相220 V 電源給升壓系統(tǒng)，通過升壓系統(tǒng)產(chǎn)生的一次電壓U1同時作用于標準電壓互感器和光學(xué)電壓互感器，由標準互感器差生二次電壓U2，輸出到高精度模擬量采集板卡（采樣頻率不低于50 kHz），ADC 在同步模塊1pps的控制下，每秒觸發(fā)一次采集，得到標準源電壓值Uref；U1作用于OVT 上，由OVT 感應(yīng)采集實時電壓數(shù)據(jù)，通過光纖傳輸?shù)組U，由MU 整理后將采集量通過IEC 61850-9-1，IEC 61850-9-2 或FT3 傳輸?shù)焦饫w收發(fā)器，再由FPGA 數(shù)字量接收裝置接收。

2.2 試驗方案

數(shù)字量輸出光學(xué)電壓互感器采用外部同步校驗時的接線如圖5 所示。當采用外部同步方式校驗數(shù)字量輸出光學(xué)電壓互感器時，如果光學(xué)電壓互感器校驗儀沒有同步信號輸出功能時，可采用外部同步信號來同步。測量誤差時，標準互感器和光學(xué)互感器一次極性應(yīng)同方向，標準互感器二次正極性接入。

圖4 光學(xué)電壓互感器誤差試驗系統(tǒng)

圖5 數(shù)字量輸出光學(xué)電壓互感器校驗接線圖（外部同步方式）

3 試驗過程及結(jié)果分析

3.1 電容分壓原理光學(xué)電壓互感器溫度影響試驗

電容分壓原理的光學(xué)電壓互感器比差隨溫度變化曲線如圖6 所示。電容分壓原理的光學(xué)電壓互感器角差隨溫度變化曲線如圖7 所示。

在圖6、圖7 中，左坐標軸表示溫度，右坐標軸表示比差或角差，橫坐標表示測量時刻。從圖6、圖7 可看出，當溫度從-40℃變化至70℃時，該互感器比差從-0.12%變化至-0.06%，角差從6' 變化至1'，符合0.2 級互感器誤差要求。

3.2 Pockel 效應(yīng)原理的光學(xué)電壓互感器試驗

圖6 電容分壓原理的光學(xué)電壓互感器比差隨溫度變化曲線

圖7 電容分壓原理的光學(xué)電壓互感器角差隨溫度變化曲線

對Pockel 效應(yīng)原理的光學(xué)電壓互感器試驗結(jié)果如圖8、圖9 所示。當溫度從-40℃變化到70℃，光學(xué)電壓互感器比差從0.95%變化到0.08%，角差在3'至1'之間變動，按照0.2 級互感器誤差要求，比差已經(jīng)嚴重超差。為評估Pockel 效應(yīng)原理的光學(xué)電壓互感器溫度性能，在-40℃變化到70℃同時測試了另外2 臺相同原理同一廠家的光學(xué)電壓互感器，3 臺光學(xué)電壓互感器平均比差變化1.4%，角差變化3'，難以滿足要求。

4 結(jié)束語

分析了光學(xué)電壓互感器原理，建立了光學(xué)電壓互感器誤差試驗系統(tǒng)并對2 種實用化的光學(xué)電壓互感器開展了溫度影響下的誤差對比試驗。實驗結(jié)果表明，溫度對Pockels 光學(xué)電壓誤差影響較大，而電容分壓原理的電子式電壓互感器溫度特性較好。

圖8 Pockels 效應(yīng)光學(xué)電壓互感器比差隨溫度變化曲線

圖9 Pockels 效應(yīng)光學(xué)電壓互感器角差隨溫度變化曲線

[1]陳銘明，盧樹峰，包玉樹，等.光學(xué)電流互感器實時誤差分析系統(tǒng)的設(shè)計[J].江蘇電機工程，2013，32(2)：47-48.

[2]王紅星.電容分壓型光學(xué)電壓互感器研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動化學(xué)院，2010.

[3]李開成，孫 健，何 昊.光學(xué)電壓互感器的誤差及誤差抑制方法研究[J].電測與儀表，2013，50(11)：1-3.

[4]李開成，李振興，易 楊.電子式互感器校驗系統(tǒng)的研究[J].電測與儀表，2009，46(12)：43-47.