雙模干涉式光學(xué)電壓互感器雙模干涉式光學(xué)電壓互感器的基本原理

由于當(dāng)前的光學(xué)互感器大都利用sgo, sso等塊狀晶體的電光效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其本身具有一定的局限性。因?yàn)椋@種光學(xué)電壓互感器產(chǎn)品需要自聚焦透鏡、起偏器、波片、電光晶體等光學(xué)部件組合粘接而成，光學(xué)器件的加工和粘接工藝都比較復(fù)雜，不利于大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)由于光學(xué)部件材料自身的原因，在安裝、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中材料易損壞，給現(xiàn)場(chǎng)安裝、運(yùn)行和調(diào)試帶來(lái)一定的困難。

為了進(jìn)一步提高光學(xué)互感器的性能，克服以上的缺點(diǎn)，一種新型的光學(xué)電壓互感器相繼而產(chǎn)生。這種新型的傳感器僅采用石英晶體和光纖作為敏感器件，通過(guò)光纖來(lái)檢測(cè)和傳輸信號(hào)，不需要自聚焦透鏡、起(檢)偏器、波片、電光晶體等光學(xué)元件，加工工藝大大簡(jiǎn)化，同時(shí)由于石英材料自身的良好性能，使系統(tǒng)的抗外界干擾能力大大增強(qiáng)，而目‘這種傳感器的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，體積更小，重量更輕，能集成在氣體絕緣開(kāi)關(guān)等高壓設(shè)備中，便于智能化。 基于石英晶體逆壓電效應(yīng)的光纖電壓傳感器是利用地與高電勢(shì)間電場(chǎng)的線積分來(lái)測(cè)量高電壓的，這種傳感器可用于空氣絕緣室外電力系統(tǒng)。利用電場(chǎng)線積分的方法求電壓可防止鄰近電場(chǎng)的干擾，以確保傳感器信號(hào)不受電場(chǎng)分布的影響。

光學(xué)電壓互感器就是利用光電子技術(shù)和光纖傳感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓測(cè)量的新型互感器。與傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器和電容分壓電壓互感器相比較，光學(xué)電壓互感器的突出優(yōu)點(diǎn)是：

（1）高低壓完全隔離，安全性高，具有優(yōu)良的絕緣性能和優(yōu)越的性價(jià)比光電互感器是將高壓側(cè)信號(hào)通過(guò)絕緣材料做成的光纖傳輸?shù)蕉卧O(shè)備，這使得其絕緣結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，而目‘隨著電壓等級(jí)的升高，其性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)越明顯。它是用光纜而不是電纜作為信號(hào)傳輸工具，實(shí)現(xiàn)了高壓端和低壓端的徹底隔離，不存在電壓互感器二次回路短路或電流互感器二次開(kāi)路給設(shè)備和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。

（2）沒(méi)有鐵芯，不存在磁飽和、鐵磁諧振等問(wèn)題由于光學(xué)互感器在原理上與傳統(tǒng)互感器有著本質(zhì)的區(qū)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(xiàn)象，而使互感器運(yùn)行暫態(tài)響應(yīng)好，穩(wěn)定性好，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性。

(3)功能齊全，測(cè)量精度高光學(xué)互感器能同時(shí)用于電壓/電流測(cè)量和保護(hù)兩種功能，不必使用多個(gè)不同用途的鐵芯線圈，便可同時(shí)滿足計(jì)量和繼電保護(hù)的需要，而目‘還可以將電壓、電流組合在一起，構(gòu)成組合式光學(xué)互感器，這對(duì)于傳統(tǒng)互感器而言是不可能的。目前，光學(xué)互感器的測(cè)量精度最高可以達(dá)到0.2級(jí)。

(4)頻率響應(yīng)寬，動(dòng)態(tài)范圍大光學(xué)互感器傳感頭部分的頻率響應(yīng)取決于光在傳感頭上的渡越時(shí)間，實(shí)際能測(cè)量的頻率范圍主要決定于電子線路部分。光學(xué)傳感部件已經(jīng)用于測(cè)量高壓電力線路上的諧波和脈沖暫態(tài)電壓。

(5)沒(méi)有因充油而潛在的易燃、易爆等危險(xiǎn)由于光學(xué)互感器的絕緣結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般不采用油作為絕緣介質(zhì)，不會(huì)引起火災(zāi)、爆炸等危險(xiǎn)。

(6)體積小，重量輕，節(jié)約占地面積因無(wú)鐵芯、及絕緣油等，光學(xué)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，便于運(yùn)輸和安裝。

(7)無(wú)污染，無(wú)噪音，具有優(yōu)越的環(huán)保性能由于光學(xué)互感器中信號(hào)是通過(guò)光來(lái)傳輸?shù)?，因此，其不?huì)產(chǎn)生噪音、電磁波等污染源，同時(shí)，可采用硅橡膠絕緣子和氣體作為絕緣介質(zhì)，替代傳統(tǒng)的磁套絕緣子和絕緣油，這樣可大大降低這些配套設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中帶來(lái)的環(huán)境污染，具有優(yōu)越的環(huán)保性能。

(8)適應(yīng)了電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需要光學(xué)互感器可以根據(jù)需要輸出低壓模擬量和數(shù)字量，這可直接用于微機(jī)保護(hù)和電子式計(jì)量設(shè)備，而且能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)和故障診斷，在變電站綜合自動(dòng)化中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

由于OVT具有眾多突出的優(yōu)點(diǎn)，因此它在電力系統(tǒng)中有著十分廣闊的應(yīng)用前景 。

近年來(lái)，光學(xué)互感器在電力工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。相對(duì)于傳統(tǒng)的互感器而言，目前的光學(xué)電壓互感器產(chǎn)品有眾多優(yōu)點(diǎn):具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力;能實(shí)現(xiàn)高、低電位之間的電隔離;而目測(cè)量頻帶很寬，能很好的與計(jì)算機(jī)、DsP等現(xiàn)代信號(hào)處理系統(tǒng)相兼容;體積小、重量輕 。

電壓互感器采用全光纖干涉方案，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(gè)干涉儀，即傳感干涉儀和接收干涉儀構(gòu)成，二個(gè)干涉儀都由橢圓芯雙模光纖和壓電晶體構(gòu)成。

為了提高禍合效率用單模保偏光纖(起傳光作用)把二個(gè)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(shí)，要使兩光纖軸心錯(cuò)開(kāi)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(tǒng)中光源為780 nm低相干多模激光二極管，輸出功率為4 mw，實(shí)際工作波長(zhǎng)為793 nm。系統(tǒng)由光源/檢測(cè)(相位跟蹤器)、光纖引線和傳感頭三部分組成。

光纖引線為連接光源/探測(cè)器和傳感頭部分，它處于控制室與現(xiàn)場(chǎng)之間。其作用一方面是將光源發(fā)出的光如實(shí)地傳輸?shù)絺鞲蓄^部分，另一方面要將經(jīng)傳感頭后被電壓信號(hào)調(diào)制的光波如實(shí)地傳輸?shù)綑z測(cè)部分，因而要求光纖引線對(duì)周圍環(huán)境的擾動(dòng)不敏感，所以采用單模保偏光纖作為光纖引線。

雙模干涉式光學(xué)電壓互感器的研究涉及到很多學(xué)科領(lǐng)域，例如激光原理、光波導(dǎo)理論和晶體物理學(xué)等，是一個(gè)跨學(xué)科的課題。這就需要清晰論述各相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，還要將多學(xué)科的理論有機(jī)地結(jié)合到一起，從而形成關(guān)于雙模干涉式光學(xué)電壓互感器的系統(tǒng)理論。本章詳細(xì)闡明這些理論，為雙模干涉式光學(xué)電壓互感器的研究提供理論基礎(chǔ)，并給出雙模干涉式光學(xué)電壓互感器的設(shè)計(jì)。

1、光源 從雙模干涉式光學(xué)電壓互感器的基本原理可知要檢測(cè)逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的相位差，需要采用白光干涉的辦法將相位差信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)信號(hào)。白光干涉要求采用低相干長(zhǎng)度的光源[85]。單縱模激光二極管相干長(zhǎng)度一般為幾米，因而不能滿足要求;發(fā)光二極管(LED)屬于低相干光源，但是它與光纖的禍合效率很低;相比而言，多模激光二極管既有較低的相干長(zhǎng)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(xué)電壓互感器系統(tǒng)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(yīng)產(chǎn)生的雙模光纖中LPo i和LPl模的相位差的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)高電壓的測(cè)量。

3、石英晶體與壓電陶瓷 雙模干涉式光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的傳感是基于石英晶體的逆壓電效應(yīng)，而主動(dòng)零差相位跟蹤是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)進(jìn)行相位調(diào)制。因此我們論述石英晶體和壓電陶瓷的性能特點(diǎn)，尤其是二者的壓電效應(yīng) 。

對(duì)雙模干涉式光纖電壓互感器的誤差分析有利于系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化選擇和誤差的補(bǔ)償，下面就是分析誤差的影響因素，并給出解決辦法。

環(huán)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(huán)境溫度不變時(shí)當(dāng)橢圓芯雙模光纖的參數(shù)選擇適當(dāng)，使得歸一化頻率略低于LP 0dan模截止頻率時(shí)，就能夠保證有較大的光程差，殘余可見(jiàn)度小到可以忽略不計(jì)，因此主動(dòng)零差相位跟蹤誤差也幾乎為零。但是當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)中很多參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化，對(duì)系統(tǒng)的精度產(chǎn)生很大的影響。雙模干涉式光纖電壓互感器光源/檢測(cè)部分位于控制室中，控制室中溫度可以控制得較為穩(wěn)定，因此溫度對(duì)雙模接收光纖、壓電陶瓷、光源等處于控制室中的組件的影響可以忽略不計(jì)。 單模保偏光纖引線位于控制室與現(xiàn)場(chǎng)之間，在此忽略它對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差。

雙模傳感光纖和石英晶體，即傳感頭部分位于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，環(huán)境溫度變化很大，因此溫度對(duì)誤差的影響主要是體現(xiàn)在對(duì)石英晶體和雙模傳感光纖的影響 。

雙模的兩個(gè)“?！庇惺裁磪^(qū)別？有人認(rèn)為我們家的機(jī)頂盒上電話線也能接、以太網(wǎng)也能接、電纜線也能接，是多模。這是不一樣的概念，我們所說(shuō)的“模”在技術(shù)專業(yè)上有很嚴(yán)格的分類。到目前為止，數(shù)字電視只有兩種傳輸模式，一種是基于廣播方式的傳播，一種是基于IP的協(xié)議模式，兩個(gè)模式各有優(yōu)缺點(diǎn)。DVB最大的優(yōu)點(diǎn)就是高碼率，我們電視觀眾很幸運(yùn)，可以共享幾個(gè)G的帶寬，是目前主要推廣的模式。但DVB是一點(diǎn)對(duì)無(wú)窮點(diǎn)的廣播方式，用戶只是它的一個(gè)對(duì)象，自己無(wú)法控制內(nèi)容，除非有雙向的網(wǎng)絡(luò)。

IP模式正好相反，是每個(gè)人獨(dú)享帶寬，但是速率不一定有那么高，IP最大的優(yōu)勢(shì)就是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)為我們提供了一個(gè)前所未有的互動(dòng)平臺(tái)，讓我們的使用者能非常自由的實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。

雙模機(jī)頂盒既可以連接電腦，也可以連接電視，既可以連接電話線、ADSL，也可以連接有線電視線纜，而成本增加很小。

這兩個(gè)模式實(shí)際上并不是對(duì)手，而是很好的合作伙伴。兩種模式聯(lián)合起來(lái)，廣播的高碼流彌補(bǔ)IP的低碼流，IP的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)取代廣播的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，變成雙模電視，既能夠接收廣播信號(hào)，又能夠接收IP協(xié)議的流媒體信號(hào)。這樣就可以在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)享受音頻和視頻的服務(wù)。此外，還可以把許多IP的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用加入進(jìn)去。

自愈式光學(xué)電壓互感器包括電容分壓器和光學(xué)電壓傳感頭兩個(gè)部分:電容分壓器用于對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆謮?，以保證光學(xué)傳感系統(tǒng)線性度的要求.光學(xué)電壓傳感部分用于實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)電壓的精確測(cè)量。

電容分壓器

光學(xué)電壓互感器用電容分壓器與電容式電壓互感器中的電容分壓器作用相同，均為分壓作用，但是對(duì)光學(xué)電壓互感器用電容分壓器有更高的精度和穩(wěn)定性要求，因此對(duì)電容分壓器進(jìn)行了更為精細(xì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是通過(guò)雜散電容的仿真和計(jì)算分析雜散電容引起的比差和角差來(lái)進(jìn)行額定電容的選取。

設(shè)計(jì)的電容分壓器共包含176個(gè)電容元件，由上下兩節(jié)組成，上節(jié)由88個(gè)高壓電容串聯(lián)組成，下節(jié)由86個(gè)高壓電容串聯(lián)后再與并聯(lián)后的2個(gè)低壓電容元件串聯(lián)組成，其加工后整體結(jié)構(gòu)尺寸為:絕緣子根部直徑215 mm，大傘群外徑為336，小傘裙外徑為281，法蘭直徑350 mm。

電容分壓器高壓端額定電壓為220萬(wàn)kV，工作頻率為50 Hz，低壓端額定電壓360 V，完全滿足傳感器響應(yīng)度和線性度的要求。

自愈式傳感系統(tǒng)

自愈式傳感系統(tǒng)包括基準(zhǔn)源測(cè)量系統(tǒng)、光學(xué)傳感系統(tǒng)以及自愈處理系統(tǒng)?；鶞?zhǔn)源測(cè)量系統(tǒng)包括基準(zhǔn)電壓源與電壓采集單元?；鶞?zhǔn)電壓源是一個(gè)輸出電壓有效值為10 V，輸出電壓頻率為800 Hz(經(jīng)測(cè)試，頻率選為800 Hz可以有效避免同載光路兩路信號(hào)之間的相互干擾)的電壓源模塊，在實(shí)際應(yīng)用中，其工作電源取自互感器應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的220 V工頻電壓。電壓采集單元為一個(gè)電光轉(zhuǎn)換器，將基準(zhǔn)源電壓轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)信號(hào)，再通過(guò)光纖傳輸?shù)阶杂幚韱卧?

光學(xué)傳感系統(tǒng)即同載光路系統(tǒng)，包括參考傳感光路與測(cè)量傳感光路，兩套光路平行排列，其相應(yīng)光學(xué)元件的尺寸與結(jié)構(gòu)完全一致，保證了環(huán)境溫度對(duì)光學(xué)元件的影響程度一致，同時(shí)為了避免由于加工等因素造成的電光晶體材料對(duì)溫度敏感性不同，兩個(gè)傳感通道采用同一塊電光晶體。

自愈處理系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換裝置、電子電路部分及數(shù)字信號(hào)處理(digital signal process, DSP)運(yùn)算單元。自愈處理系統(tǒng)主要完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大和處理、輸出所需電壓信號(hào)等。