納米材料介電屏蔽型光學電壓互感器設計

尹昌慶，楊耿煌，灣世偉，灣曉文，董 建

（1.天津職業技術師范大學自動化與電氣工程學院，天津 300222；2.揚中智容電力科技有限公司，鎮江 212000）

隨著我國高壓電網技術的快速發展，傳統的電磁式電力互感器存在絕緣難度大、動態范圍小和結構復雜等缺陷，而光學電壓互感器（optical potential transformer，OPT）的相關研究逐漸成為熱點并開始試點應用[1-2]。OPT是測量高壓環境中電壓的一種新型的電力互感器，也是大電網建設必需的基礎設備之一[3]。基于逆壓電效應及彈光效應的OPT，需經2種物理轉換后才能得到所需信息，這將造成信號失真，從而引發穩定性和可靠性不足的問題[4]。同時，OPT普遍利用聚合物進行電場屏蔽，這將會造成關鍵器件的電場屏蔽和絕緣出現問題，導致在高電壓下運行時引發持續發熱，存在安全運行隱患[5]。針對上述問題，本文在基于Pockels效應的分布式光學電壓互感器基礎上[6]，利用納米復合材料構成的介電屏蔽單元，設計了納米材料介電屏蔽型光學電壓互感器（nano-material dielectric shielding optical potential transformer，NOPT），實現對外界干擾電場的屏蔽，并大幅減少OPT發熱現象的發生。

1 基于Pockels效應的NOPT

1.1 OPT工作原理

OPT采用光電技術實現對電壓的精確測量[7]，根據傳感原理的不同，OPT主要分為基于Pockels效應的光學互感器[8]、基于Kerr效應的光學互感器[9]和基于逆壓電效應的光學互感器[10]。其中，基于Pockels效應的OPT制作簡單，電光效應強，可進行強電場的測量，應用較為廣泛。基于Pockels效應的OPT工作原理如圖1所示。

圖1 光學電壓互感器工作原理

圖1中，光源通過起偏器、1/4波片入射到Bi4Ge3O12晶體（以下簡稱為BGO晶體）。BGO晶體上施加有被測電壓，在外電場作用下，其折射率和通過BGO晶體的光偏振態發生變化，產生雙折射，光束被分為2束偏振方向互相垂直的線偏振光，通過BGO晶體后，2束光將會產生相位差，相位差與外加電壓呈正比關系。由光探測器測得2路光強，可求出偏振態的變化，進行光電變換、信號放大及處理后，即可測得電壓。

1.2 NOPT的結構

NOPT利用納米復合材料實現對雜散電場的屏蔽，從而實現對電壓值的精確測量[11]，其結構包括微型光學電場傳感單元、介電屏蔽絕緣單元和光電及信號處理單元，如圖2所示。

圖2 基本結構

微型光學電場傳感單元由一組光學微型電場傳感器組成，用于測量其所在處電場，并以光信號的方式將測得的數據通過光纖傳輸到光電及信號處理單元。介電屏蔽絕緣單元由介電屏蔽結構和電氣絕緣段構成，2個間距為L的導體電極分別位于電氣絕緣段兩端，將待測電壓加在2個導體電極上，電氣絕緣段在2個導體電極內部形成介電屏蔽，實現屏蔽外界雜散電場的干擾，在電氣絕緣段的內部放置光學微型電場傳感器，用于測量所在處電場。光電及信號處理單元由光探測電路、數據采集和處理系統構成，利用光探測電路將光學電場傳感單元輸出的光信號轉換為電信號，通過數據采集和處理系統進行數據分析和處理，再由特定數值積分方法精確地計算出待測電壓值。以上3個單元相互結合構成了NOPT，通過微型光學電場傳感單元放置在高壓環境中測量所處電場值，再由光電及信號處理單元求出待測的電壓值。被測電壓可以是交流電壓，也可以是直流電壓，NOPT能克服外界環境因素造成的干擾，并且具有較高的測量精度。

1.3 微型光學電場傳感單元

微型光學電場傳感單元基于Pockels效應原理實現[12]，其中BGO晶體在NOPT中取縱向方位，即BGO晶體的光軸方向與晶體中檢測光束的方向、待測電場的方向處于平行狀態。縱向光學電場傳感器如圖3所示。

圖3 縱向光學電場傳感器

當光學電場傳感器安放在縱向方位時，產生的線性雙折射僅依賴于BGO晶體的外加電場，此時晶體的靈敏度僅由光源在真空中的波長、晶體的折射率及晶體的電光系數決定，與晶體的長度和幾何尺寸無關。這樣晶體內產生π相位差的光波所對應的電壓，即為半波電壓。當外加電壓和半波電壓的關系為V＜＜Vπ時，光學電場傳感器的透射率可近似為

從式（1）可知，微型電場傳感器的透射率與外加電壓有直接的關系，在電場傳感器上外加一個小電壓便會引起折射率較大的變化，這表明電場傳感器具有高靈敏度、高線性度以及高精度。

1.4 介電屏蔽絕緣單元

外界電磁的干擾主要來源于附近的非待測電流、設備上的靜電荷以及周圍的電氣設備等，以上這些的存在會嚴重影響電場的測量[13]。NOPT的介電屏蔽單元通過采用納米復合材料實現，其是以聚合物為基質的納米或微米電介質復合材料制成的結構，并由一種或幾種納米、納米和微米混合或微米尺度的陶瓷、金屬導體以及對應各類纖維物等材料作為聚合物基質摻入構成的。介電屏蔽絕緣單元包括介電屏蔽單元和高壓電氣絕緣單元，如圖4所示。

圖4 介電屏蔽絕緣單元

高壓電氣絕緣單元由上、下端電極，上、下法蘭盤和中空高壓電氣絕緣子組成，通過2塊法蘭盤與中空高壓電氣絕緣子構成密閉空間，上端電極和下端電極分別固定在密閉空間的上部和下部，其中上端電極與高壓輸電線電位連接，下端電極與大地電位連接，并且使用干燥氮氣、干燥空氣或絕緣材料填充密閉空間；介電屏蔽單元位于上、下端導體電極間的區域內，與高壓電氣絕緣單元的兩電極做電氣與機械連接，形成介電屏蔽區域，此區域可以消除或減少外界雜散電場的干擾，使微型光學電場傳感單元可以精確地測量所處電場值。

1.5 光電及信號處理單元

光電及信號處理單元是將電場傳感單元中攜帶電場數據的光信號轉換為電信號進行采集的，通過對其進行信號分析處理，計算得出最終待測電場的電壓值，主要包括：將光信號轉換為電信號的光電探測電路，對電信號進行數據采集的數據采集卡和用于對采集的數據進行分析、處理的計算機。通過光電探測電路將攜帶電場信息的光信號進行光電轉換，并將其轉換為電信號，然后利用數據采集卡對電信號進行采集，輸入計算機進行信號數據處理。光電及信號處理單元主要實現對光信號的采集、處理、顯示以及儲存等多個功能。通過對采集的信號進行濾波、傅里葉變換和補償等，提高了信號處理系統的性能，使測量得到的電場電壓值準確且穩定。

2 制作與實驗

NOPT是通過微型光學電場傳感單元、介電屏蔽單元、高壓電氣絕緣單元和光電及信號處理單元由內至外設置的。NOPT通過光源發出光束，經過調制后進入微型光學電場傳感單元，由微型光學電場傳感器測出所在處電場的值，并以光信號的方式傳輸到光電及信號處理單元，將攜帶電場信息的光信號轉換為電信號，即可求出待測高壓輸電線路的電壓值。

2.1 介電屏蔽材料選擇

介電屏蔽絕緣單元是利用具有電氣絕緣強度高、工頻介電常數大、介電損耗低、熱耐受力高以及漏電流低等優勢的聚合物材料作為納米介電屏蔽材料的基質載體，如聚偏氟乙烯、聚乙烯及其衍生物或其他聚合物等。基質載體和納米介電屏蔽材料結合構成聚合物基質的納米復合介電屏蔽材料。

基質載體應具備足夠高的機械強度，能夠在-40℃～70℃內長期運行，同時也要具備較高的電氣絕緣強度和較低的工頻介電損耗，使NOPT能夠在干燥或潮濕環境中長期運行。所摻雜的介電屏蔽材料是以納米或微米尺度的陶瓷、金屬導體、氧化物以及各類纖維物等材料之中的一種或幾種作為添加組分，用于構成納米介電屏蔽的功能成分。基質載體與所摻雜的納米材料都具有很好的結合性和穩定性，摻雜的納米材料可以在聚合物基質中達到不同的納米材料含量，以此來實現不同的介電常數復合材料。

2.2 結構的安裝

納米材料介電屏蔽結構可以制成空心長圓管形狀，也可以制成其他形狀，其長度既可由中空高壓電氣絕緣子和上下端導體電極形成的密閉空間長度決定，也可由微型光學電場傳感器的尺寸決定。NOPT中的介電屏蔽結構與上、下端導體電極分別作電氣連接并且進行機械固定，設置于中空高壓電氣絕緣單元內部2個導體電極之間。介電屏蔽單元在進行設置時的中線與高壓電氣絕緣單元設置時的中線需要重合進行布置，介電屏蔽單元和高壓電氣絕緣單元所形成的公共區域是對外界雜散電場等干擾實現介電屏蔽效果的區域，構成了介電屏蔽絕緣單元。

微型光學電場傳感單元設置在介電屏蔽單元內部，由若干個微型光學傳感器組成，并分別安放在介電屏蔽絕緣單元的內部中線上的裝置。每一個微型光學傳感器的位置可以通過高斯積分算法確定，微型光學電場傳感器的放置見圖2，NOPT在安放微型光學電場傳感器時，其沿電場方向的總長度與2個導體電極間的間距L的比值通常小于2%，這樣可以使測量的值近似為電場值，同時也可以使NOPT得到足夠的精度。

利用納米材料實現介電屏蔽，其結構主要由納米介電復合材料這類以聚合物為基質的材料制成，由于介電屏蔽結構的作用，保證了光學電場傳感器可以在復雜的電場環境中實現精確的測量，同時也保證了光學電場傳感器2個電極之間的待測電場不會產生畸變。介電屏蔽結構并不會增強所測電場的強度，反而是將電場強度降低，這樣就無需選擇可承受強電場的昂貴的絕緣結構，并且在介電屏蔽結構與中空高壓電氣絕緣段之間填充干燥氮氣、干燥空氣或絕緣材料與介電屏蔽結構共同構成介電屏蔽區域。

2.3 實驗及數據處理

使用本文提出的NOPT對交變電場進行實驗測量，實驗設備包括在高壓環境以外的光源、光電及信號處理單元，在高壓環境以內的光纖、光學起偏器、光學準直耦合器、1/4波片、BGO晶體、偏振分光器，實驗結構如圖5所示。

圖5 實驗結構

從圖5可知，利用偏振分光器能夠得到2個相互補充的光強信號S1和S2，經過光電探測器和光電及信號處理單元中的模數轉換器可以將2個光強信號轉化為數字電子信號的輸出值a、b，再由特定數值積分方法計算出所測電場的精確值。光強S1、S2可以由數值a、b分別表示為

式中：Ka、Kb均為信號的功率損失因子。

在光電及信號處理單元中，利用a和b的值可以計算出所處電場值。微型光學電場傳感器的傳遞函數可以從下列方程中得到

式中：P0為進入微型電場傳感器的總光強；E為加在BGO晶體上的電場強度；Eπ為BGO晶體中2個正交的偏振模之間產生π相位差所需要的電場強度；α為微型電場傳感器制作中不完善程度系數；φ0為BGO晶體上2個正交偏振模之間的初始相位差；Δφ0為微型電場傳感器中殘留的相位偏置。

當被測電壓的主要部分為50 Hz交變電場信號情況下，有

式中：E0為交變電場振幅。

為了使測量的電場值更精確，必須消除、減小或者補償因光源光強、溫度變化或者振動等干擾造成的a、b的值以及傳遞函數中各參數的變化。規范化傳遞函數可以通過式（4）和式（5）計算，即

施加在微型光學電場傳感器上的電場E可以從式（8）中解得

待測電場的值可由式（9）根據所測信號a和b求出。由式（9）求出的外加電場值，經過高斯數值積分方法計算后，即可求出待測電壓值

式中：Ez（zi）為2個導體電極中線上，即z軸上zi點處的電場沿z軸的分量；αi為電場值Ez（zi）所對應的權重；n為兩端電極中軸線上微型電場傳感器的數目。

通過對有限個電場取樣值進行加權求和，即可得到所測電場的電壓值。

3 實驗結果

通過實驗驗證設計的NOPT對高壓電壓測量的準確性及可行性。使用升壓變壓器將待測電壓升至20 kV，將NOPT設置在上述電壓條件下的電場區域內，上端導體電極連接高壓輸電線電位，下端導體電極連接大地電位，使待測的電壓加在2個導體電極上，利用微型光學電場傳感單元進行測量。在額定電壓100%的情況下進行測試，NOPT的測試時域圖和頻譜圖如圖6所示，使用標準電壓互感器進行測量時的時域圖和頻譜圖如圖7所示。

圖6 NOPT測試時域圖和頻譜圖

圖7 標準電壓互感器時域圖和頻譜圖

從圖6（a）可知，電壓幅值為28.433 6，幅值的0.707倍為電壓均方根，得到的均方根為20.110 kV，即為NOPT測量的實際電壓值；從圖7（a）可知，得出的幅值為28.439 5，電壓均方根為20.114 kV，NOPT和標準電壓互感器之間的比差為-0.020 7%，能夠達到標準電壓互感器的測量精度。

比較圖6（b）和圖7（b）可知，采用NOPT方法測量不同頻率下的振幅與標準電壓互感器方法測量大致相同，其相差僅為0.426 12°，均符合國家標準中電力系統繼電保護用的3P級標準[14]。

分別在額定電壓的2%和5%的情況下進行測試，其時域圖和頻譜圖分別如圖8和圖9所示。

圖8 額定電壓2%處時域圖和頻譜圖

圖9 額定電壓5%處時域圖和頻譜圖

從圖8和圖9可知，在額定電壓的2%情況下，NOPT的電壓均方根為0.416 kV，比差為-0.662 4%，相差為-170.17°；在額定電壓5%情況下，NOPT的電壓均方根為1.009 kV，比差為-0.489 6%，相差為-56.038°。參照國家標準，NOPT的測試結果已達到國家標準繼電保護用的3P級標準。

在高壓環境下對NOPT進行實驗測試，根據實驗結果可以得出：NOPT在作繼電保護用時，相差值達到國家規定的相差極限，比差測試結果也達到保護用電子式互感器3P標準。

4 結語

本文提出的NOPT采用納米復合材料解決了OPT中屏蔽和絕緣等問題，并且NOPT降低了OPT在額定電壓運行時介電屏蔽結構的發熱程度，從而減緩了光學器件和絕緣材料的損壞和老化速度，減少了額外的電能損耗，有效屏蔽了雜散電場的干擾，使得NOPT保持足夠高的測量精度，能夠安全可靠地運行。實驗結果表明，NOPT的測試結果符合國家標準繼電保護用的3P級標準，符合電力系統測量設備的發展要求，在變電站等建設中是必不可少的環節，有著廣闊的應用前景。