一種提高光學電壓傳感器溫度穩定性的方法

肖智宏 于文斌 張國慶 張祥龍 郭志忠 申 巖

（1. 哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001 2. 國網北京經濟技術研究院 北京 100052）

1 引言

在高電壓領域，光學互感器有傳統互感器無法比擬的優點，已成為當今互感器研究的熱點，并有望在不久的將來成為主流產品[1-5]。目前，具有實用化前景的光學電壓互感器主要是電容分壓型光學電壓互感器。基于 Pockels電光效應的體調制型光學電壓傳感器（Optical Voltage Sensor，OVS）是光學電壓互感器的核心部件，其測量精確度的溫度漂移問題一直是光學電壓互感器難于實用化的主要原因之一[6,7]。根據光學電壓傳感原理，光學電壓傳感器屬于開環測量系統。開環測量系統的高測量精確度依賴于傳感系統各部分參數的高穩定性，傳感系統任何一部分受溫度影響而產生的變化，必然帶來電壓傳感器輸出信號的漂移，從而產生測量誤差。

提高光學電壓傳感器測量精確度最直接的方法是采用參數穩定的結構和材料，但是由于技術和造價等方面的原因，這種方法目前還難以實現。目前，提高光學電壓傳感器測量精確度的方法主要是補償方法[8-13]。這些補償方法一般都是對傳感系統的某個環節采取溫度補償措施。盡管在某種程度上這些補償方法提高了光學電壓傳感器的測量精確度，但是溫度對傳感系統的影響存在很大的分散性和不確定性，所以補償效果并不理想。

文獻[14]提出了一種自愈光學電壓傳感器的設計。該設計中被測電壓源和參考電壓源分別作用于兩套獨立的光學電壓傳感單元上，利用參考電壓源實現光學電壓傳感器的補償功能。但是，現有工藝很難保證光學電壓傳感單元的一致性，溫度等環境因素對兩個獨立光學電壓傳感單元的影響同樣存在很大的不確定性和分散性，從而影響了該方法的溫度補償效果。該設計僅在+25℃～+50℃的溫度范圍內提高了光學電壓傳感器的測量精確度。

綜上所述，現有光學電壓傳感器測量精確度的一致性和長期溫度穩定性很難滿足電力系統對電壓測量精確度的要求。

為此，本文提出了一種提高光學電壓傳感器溫度穩定性的方法，設計了一種自校準光學電壓傳感器（Self-calibration Optical Voltage Sensor，SOVS），通過設計基準電壓源，使基準電壓源與被測電壓源串聯共同作用于同一個光學電壓傳感單元，并通過遠端采集模塊對基準電壓源進行準確測量，采用自校準算法獲得自校準系數，利用此系數對光學電壓傳感單元測量的被測電壓源的信號進行修正，使得光學電壓傳感器的電壓測量結果的溫度穩定性提高了一個數量級。

將SOVS應用于電容分壓型光學電壓互感器的設計中，能有效提高光學電壓互感器測量精確度的溫度穩定性，為實現電容分壓型光學電壓互感器的實用化提供思路。圖1為基于本文設計的SOVS研制的電容分壓型光學電壓互感器，于2012年7月在河北承德 220kV智能變電站投運，至今已運行 20余月，運行穩定可靠。它的主體包括電容分壓器和SOVS兩部分。

圖1 電容分壓型光學電壓互感器Fig.1 Capacitor divider optical voltage transformers

2 光學電壓傳感器的測量原理

光學電壓傳感器采用基于 Pockels電光效應原理的傳感器，其測量原理如圖2所示。光學電壓傳感器以 BGO電光晶體為傳感材料，整個傳感器包括起偏器、檢偏器、λ/4波片和電光晶體四個主要部件。

圖2 光學電壓傳感器的測量原理Fig. 2 Measuring principle of OVS

在外加電壓U的作用下，各向同性的電光晶體變成了各向異性的雙折射晶體。當波長為λ的光通過長度為l的電光晶體時，出射的兩光束產生位相延遲

式中，n0為BGO晶體的折射率；γ41為BGO晶體的線性電光系數；d為外加電壓方向的晶體厚度；Uπ為晶體的半波電壓，且。

由式（1）可知，只要測出相位差δ，即可精確測出外加電壓U的大小。

3 自校準光學電壓傳感器的設計

圖3為圖1所示的電容分壓型光學電壓互感器的結構示意圖。其電容分壓器采用新型疊壓串并聯結構[15]，由上下兩節電容器構成，由完全相同的電容器元件構成。上節電容器C1和下節電容器的高壓電容器C2的電容器元件采用疊壓串聯結構全部串聯，下節電容器的低壓電容器C3的電容器元件采用疊壓并聯結構全部并聯。電容器C1、C2和C3采用串聯方式耦合。

圖3 電容分壓型光學電壓互感器的結構示意圖Fig.3 Structure diagram of capacitor divider optical voltage transformer

電容分壓器在下節電容器的低壓電容器C3兩端獲得與一次高電壓成正比例的低電壓，作為SOVS的輸入電壓。本文設計的220kV的光學電壓互感器的電容分壓器的分壓比約為0.003 2，在額定電壓時，對應SOVS的輸入電壓在400V左右。在下節電容器的低壓電容器C3兩端并聯設置一級瞬態過電壓保護器件氣體放電管，以吸收瞬態信號的大部分能量。SOVS安裝在該電容分壓器的底座內，并設置有屏蔽罩，實現對外界電磁干擾的屏蔽；通過光纜連接二次轉換器、合并單元和激光電源等裝置，實現與二次設備的電氣隔離。

3.1 自校準結構設計

圖3中SOVS的結構主要包括光學電壓傳感單元、基準電壓源、遠端采集模塊、過電壓保護模塊和電源轉換模塊。

各組成模塊間的連接關系描述如下：光學電壓傳感單元的上端電極為SOVS的一個電壓信號輸入端，過電壓保護模塊的接地端為SOVS的另一個電壓輸入端，該輸入端為接地端；過電壓保護模塊的非接地輸出端連接光學電壓傳感單元的下端電極；過電壓保護模塊的輸入與基準電壓源輸出相連接；遠端采集模塊的輸入端與基準電壓源的輸出端相連接，采集基準電壓源輸出的基準電壓信號，并將采集到的電壓信號轉換成光脈沖信號輸出至SOVS的校準信號輸出端；光學電壓傳感單元的光源輸入端是SOVS的光源輸入端；光學電壓傳感單元的光學傳感信號輸出端是SOVS的感應信號輸出端。

3.1.1基準電壓源與過電壓保護設計

基準電壓源由信號發生電路和隔直放大電路構成，如圖4所示。采用單片集成函數發生器芯片XR2206設計信號發生電路，它能產生高穩定度和高準確度的正弦波、方波和三角波等，這些輸出信號受外加電壓控制，從而可以實現振幅調制和頻率調制。為避免被測電壓信號的影響，信號發生電路輸出與被測電壓信號u1頻率f1不同的正弦波信號。對于本文設計的光學電壓傳感器的應用，信號發生電路的輸出通過隔直放大之后，產生有效值U2為7V、頻率f2為800Hz的基準電壓信號u2。基準電壓源的輸出通過過電壓保護電路與光學電壓傳感單元串聯。

圖4 基準電壓源及過電壓保護電路結構示意圖Fig.4 Structure diagram of reference voltage source and over voltage protection circuit

為防止包括雷擊等瞬態過電壓的破環，在設計上使用不同類型的瞬態抑制器構成兩級保護：一級保護由氣體放電管提供；二級保護由 TVS管構成的瞬態抑制電路提供，具體連接設置如圖4所示。

3.1.2遠端采集模塊設計

遠端采集模塊采用成功運用在混合式光學電流互感器設計中的方案，測試和現場運行數據已表明該模塊具有很好的溫度穩定性[16,17]。

圖5為其結構示意圖，它包括前置調整電路、壓頻轉換電路和電光轉換電路三部分。前置調整電路接受基準電壓源的隔直放大電路輸出的基準電壓信號u2，并將其調整至合適的范圍輸入壓頻轉換電路，壓頻轉換電路將接受的電壓信號轉換成頻率信號，通過由HFBR—1414T構成的電光轉換電路轉換成光脈沖信號送出。

圖5 遠端采集模塊的結構示意圖Fig.5 Structure diagram of remote acquisition module

3.2 自校準方法實現

SOVS自校準方法的具體實現如下：遠端采集模塊準確采集基準電壓源的輸出電壓信號u2，并將采集到的電壓信號轉換成光脈沖信號通過光纖由校準信號輸出端傳輸至二次轉換器，通過數字解調后得到高溫度穩定性、高精確度的基準電壓信號u2；二次轉換器發出的光源通過光纖傳輸至光學電壓傳感單元的光源輸入端，基于 Pockels效應原理的光學電壓傳感單元同時敏感電壓信號u1與，并通過光纖反饋至二次轉換器；二次轉換器對接收到的光信號進行處理，獲得感應被測電壓信號和感應基準電壓信號。

3.3 自校準系數計算

SOVS自校準系數計算的實現過程主要包括以下幾個步驟：

（1）基準電壓源產生頻率為f2、有效值為U2的基準電壓信號，二次轉換器從SOVS的校準電壓輸出端接收的基準電壓信號u2經過解調處理后，得到高溫度穩定性、高精確度的電壓信號，表示為

式中，n為數據樣本的計數；tn為第n個數據的采樣時間；φ2為遠端采集模塊采集的基準電壓信號u2的初始相位。

（2）二次轉換器從SOVS的感應信號輸出端接收光學電壓傳感單元敏感獲得的感應被測電壓信號和感應基準電壓信號，并對該信號進行數據處理，得到易受環境溫度影響的感應被測電壓和感應基準電壓，分別表示為

式中，Δk為環境溫度等外界影響因素引起光學電壓傳感單元的輸出系數變化量，與敏感電壓信號頻率無關；φ1為光學電壓傳感單元敏感的感應被測電壓信號的初始相位；U1為被測電壓源輸出電壓信號的有效值；為光學電壓傳感單元敏感的感應基準電壓信號u2'的初始相位。

（3）利用三角窗加權算法[18]和離散傅里葉算法，二次轉換器實現對獲得的感應基準電壓信號和基準電壓信號u2的多周期數據的有效值計算。較大的累加周期數改善了信噪比，使得有效值計算結果的穩定性和準確度得到了提高。

環境溫度等外界影響因素引起光學電壓傳感單元的輸出系數變化量Δk通過下式計算得到。

（4）利用上述系數對光學電壓傳感單元敏感的感應被測電壓信號進行修正，得到幾乎不受環境溫度影響的輸出電壓信號為

式中，1+Δk為SOVS輸出信號的自校準系數。

被測電壓源輸出電壓信號u1除包含基波頻率外，還可能包含其他高次諧波頻率，上述計算方法同樣適用。

4 自校準光學電壓傳感器的測試

4.1 誤差測試

圖6為SOVS的誤差測試系統結構示意圖，主要包括被測電壓源、SOVS、環境溫度試驗箱（溫控箱）、標準電壓互感器、二次轉換器、合并單元、數據采集卡、同步脈沖發生器和工業控制計算機。

圖6 自校準光學電壓傳感器誤差測試系統結構示意圖Fig.6 Structure diagram of error testing system of SOVS

測試系統中，被測電壓源產生被測電壓信號，同時與SOVS和標準電壓互感器相連接；SOVS敏感被測電壓信號通過二次轉換器得到光學傳感電壓信號，二次轉換器將光學傳感電壓信號按照FT3格式進行數據組幀，采用異步方式通過光纖發送至合并單元，工業控制計算機通過以太網接受合并單元發送的SOVS敏感的光學傳感電壓信號；標準電壓互感器將被測電壓信號轉換成模擬小電壓信號得到標準電壓信號，數據采集卡將標準電壓信號通過PCI總線送入工業控制計算機；同步脈沖發生器產生同步秒脈沖信號，同時送入合并單元的同步輸入端和數據采集卡的同步采樣觸發端，從而保證工業控制計算機接收到的SOVS敏感的光學傳感電壓信號和標準電壓互感器測量的標準電壓信號的數據同步；工業控制計算機通過軟件對接收到的SOVS敏感的光學傳感電壓信號和標準電壓互感器測量的標準電壓信號的數據進行處理，得到SOVS敏感的光學傳感電壓信號和標準電壓互感器測量的標準電壓信號之間的誤差結果。

4.1.1常溫下的誤差測試

在常溫下，按照圖7所示的SOVS的誤差測試系統的接線圖進行測試，按照電子式互感器國家標準GB/T 20840.7—2007的規定調整被測電壓，按照SOVS輸入電壓 400V的 2%、5%、80%、100%和120%進行調整。

圖7 自校準光學電壓傳感器誤差測試系統Fig.7 The error testing system of SOVS

圖8為0.2級測量用電壓互感器與3P級保護用電壓互感器比值誤差和相位誤差的聯合允許誤差限值曲線。由圖可知，在不考慮溫度變化時，SOVS的誤差能滿足測量0.2級與保護3P級的準確度基本要求。

圖8 常溫下自校準光學電壓傳感器誤差曲線Fig.8 Error curves of SOVS under normal temperature

4.1.2溫度循環下的誤差測試

為考核SOVS的溫度穩定性，測試時將SOVS置于環境溫度試驗箱中，在施加輸入電壓 400V的情況下，控制環境溫度試驗箱在-40～+70℃的溫度范圍內變化，每個溫度點下穩定 30min，得到在-40～+70℃的溫度范圍內的誤差結果如圖9所示。圖中校準前代表普通OVS測試結果，校準后代表SOVS的測試結果。

圖9 溫度循環時自校準光學電壓傳感器誤差曲線Fig.9 Error curves of SOVS under temperature cycle

由圖9可以看出，在-40～+70℃的溫度范圍內，普通OVS（校準前）的比值誤差波動范圍達到了2.5%，而SOVS（校準后）的比值誤差波動范圍則小于 0.25%。由于本文校準方案中的自校準系數僅對輸出幅值進行補償，所以不影響輸出信號的相位，圖9的測試結果也顯示校準前后的相位誤差基本一致，理論與試驗結果吻合。

測量結果表明：在-40～+70℃的溫度范圍內，本文設計的 SOVS的測量誤差小于±0.12%，明顯減小了光學電壓傳感器測量結果受溫度影響的程度。

4.2 絕緣測試

為考核SOVS的絕緣水平，按照互感器的相關國家標準，對SOVS進行了絕緣測試，測試要求及結果見下表。

表 自校準光學電壓傳感器的絕緣水平測試Tab. Tests of insulation level of SOVS

測試結果表明，本文設計的SOVS能滿足電壓互感器的對低壓端子的絕緣要求。

5 結論

本文提出了一種自校準光學電壓傳感器，通過設計基準電壓源，使基準電壓源與被測電壓源串聯共同作用于同一個光學電壓傳感單元，從而實現光學電壓傳感器的自校準功能，解決了現有光學電壓傳感器測量精確度溫度穩定性差的問題。

設計的自校準光學電壓傳感器減小了光學電壓傳感器測量結果受溫度影響的程度，經過測試，在-40～+70℃的溫度范圍內測量誤差小于±0.12%，能滿足電壓互感器測量精確度IEC 0.2級的要求。

將SOVS應用于電容分壓型光學電壓互感器的設計中，可有效提高光學電壓互感器測量精確度的溫度穩定性，為實現電容分壓型光學電壓互感器的實用化提供思路。

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