用于高電壓環(huán)境下的光學電壓電場傳感器

馮 運，陳洪波，白 歡，王 靖，馬劍輝

(1.四川電力科學研究院，四川 成都 610072;2.武漢康普常青軟件技術有限公司，湖北 武漢市 430071)

0 引言

自1970年半導體激光器在室溫連續(xù)工作和低損耗光纖實現(xiàn)之后，隨著兩者的飛速發(fā)展，光纖通信和光纖傳感技術的應用領域顯著擴大。近年來，為適應大規(guī)模、大容量電力系統(tǒng)的需要，尤其是遙控、遙測和人工智能等開發(fā)研究中的特殊需要，針對光纖傳感技術的研究蓬勃發(fā)展，利用光纖的無感性、絕緣性、細徑性、柔軟性、耐熱性、耐腐蝕以及低損耗傳輸?shù)入姎馕锢硖匦匝兄瞥傻脑硇路f、種類繁多的光纖傳感器，應用領域涉及電磁噪聲下的檢測、雷電檢測、安全檢測、狹小空間的檢測、移動體內部檢測以及在高溫、化學氣氛、水下和空間的檢測。檢測參數(shù)包括電場、磁場、溫度、壓力、位置、移動和轉動等。下面將對最新研制成功的利用鍺酸秘電光效應的光纖電壓傳感器和電場傳感器的原理結構和基本特性進行探討。

1 電光效應測量電壓電場原理

光纖電壓電場傳感的結構主要由傳感頭、信號傳輸光纖及測量系統(tǒng)組成，以工作波長為1550 nm的LED作為光源;PIN光電二極管(或光電倍增管)光電接收組件作為光探測器，用單模光纖傳輸光信號;傳感頭由起偏器、BGO晶片、1/4波長片、檢偏器和短程透鏡構成。LED光源發(fā)出的光經透鏡準直，由起偏器變成線偏振光，1/4波長片將線偏振光再變成圓偏振光，之后穿過處于電壓或電場中的BGO晶體，由于加在BGO上的電壓或電場的作用，這個圓偏振光轉換成橢圓偏振光。經檢偏器檢偏后的光信號其調制度相當于交流電壓和電場，光電平的相對大小則對應著直流電壓或電場。因而，加在BGO上的電信號就可通過檢測光信號來測量。

圖1 電場對偏振光的調制示意圖

在沒有外電場及干擾雙折射時，BGO晶體是光學各向同性體，其逆介電張量為

在外加電場E的作用下，BGO晶體的折射率橢球方程為

當通光方向和外加電場方向平行時，電場作用下的光軸方向為 y1y2y3，調制偏振光振動方向為y1y2，如圖1所示。

折射率橢球方程為

由于在x1x2x3坐標系和y1y2y3中，x3y3重合，因此令x3=0等效于y1y2y3坐標系令y3=0。因此令x3=0，可求得偏振光振動面上橢圓方程為

上式表明E1、E2并不影響偏振光的振動方向和折射率。對橢球方程主軸化為

新坐標系的兩個坐標軸方向是原坐標軸繞電場方向y3旋轉45°而成，且與電場無關(坐標變換矩陣Q是一個與E無關的量)。主軸化后的橢圓方程直觀地表示了振動平面上的兩個主軸方向的雙折射率。

兩個偏振方向光程差△n* l=n03γ41E，相位差δ =(2π/λ)n03γ41El。

由上式看出，相位差僅δ和電場強度一個變量相關，且關系為線性，其他均為BGO晶體的材料常數(shù)，該相位差通過偏光干涉的方法轉變?yōu)楣鈴姸刃盘朠。

包含相位信息的光強度信號耦合入單模光纖的光線經過BGO傳感頭，在被測電壓或電場的調制下到達PIN二極管，經過光電接收組件(由前置跨阻放大器，AGC放大電路組成)。濾波電路將其分離成直流和交流兩部分，探測到的光功率交流分量PAC和直流分量PDC的比值PAC/PDC和被測交流電場線性相關。

當施加到BGO上的電場信號較弱時，輸出光信號的強度調制為

其中，P0為入射到1/4波長片表面的光強;K為和BGO尺寸和封裝外殼材料形狀相關的常數(shù);E0為電場強度，于是 PAC/PDC=K*E0*sinωt。

因此，來自光源、光探測器的能量漲落以及系統(tǒng)中光纖連接，耦合的變化均可以得到消除。

在這個BGO光學電場傳感器測量系統(tǒng)中，LED耦合到單模光纖中的能量非常微弱，約為1～2 μW，由于起偏器、檢偏器和1/4玻片的存在，傳感器的插入損耗在8～10 dB之間，因此光電探測器實際上能接收到的光能量僅為100 nW級。因此對光電探測組件的要求需要能夠測量nW量級光功率。

對于電場分布的測量，BGO電場傳感器體積需要做得盡可能小，所有的光學元件需要用環(huán)氧樹脂粘接和包封以滿足電氣性能和機械強度的要求。因為傳感頭本身對空間電場在一定距離內會略微使得電場強度畸變，減小封裝材料的介電常數(shù)可以減少這種影響。此外，BGO傳感頭與光纖耦合應采用有機和無機絕緣材料做成的連接器，以保證高絕緣性和無感性。

2 基本特性試驗

以大型平板電極作為高電位，試驗臺面為地，分別以不同高度的絕緣柱做支撐，使平板電極和桌面平行。平板電極1 m x 1 m，厚度2 mm，不銹鋼材料。桌面不銹鋼材料，長方形，尺寸略大于上極板。晶體通光方向長度d=5 cm，折射率n0=2，介電常數(shù)ε=16，有效電光系數(shù)記為γ約1 pm/V。

試驗的2種方式調制為:(1)直接放在地極板表面，極板間隔23 cm;(2)橫向放置于塑料杯頂部，高度約為23 cm，極板間隔43 cm，如圖2所示。試驗結果如表1所示。

圖2 試驗布置圖

表1 傳感器調制試驗結果

由電光效應導致的偏振態(tài)附加相位差的測量值Δδ測 =U/U0，ΔI1=0.050，Δδ2=0.022。

由于相位差 δ=(2π/λ)n03γ41El，即電場強度測量值 Δδ1=(2π/λ)n03γE1d=(2π/1.55 μm) ×23γ E1×5 cm，計算可得 E1=30.8 kV/m;Δδ2=(2π/λ)n03γE2d=(2π/1.55 μm) ×23γE2×5 cm，計算可得E2=13.6 kV/m。

由于晶體本身介電常數(shù)為16，理想情況下，如果晶體和空氣之間界面為無限大，則其感應電場應為臨近空氣中電場的1/16=0.0625，但實際上，晶體本身的尺寸是有限的，而且其形狀也會影響附近的空間電場分布，研究表明，晶體尺寸越小，其內電場感應強度越接近于空氣中的實際電場。

同時從試驗結果可以看出:(1)晶體懸空和晶體貼近地電極的感應電場靈敏度有較大區(qū)別，原因是由于平板電極形成的空間電場在靠近上下極板的位置有較大的畸變，因此需要以懸空測量的數(shù)據作為標定量;(2)由于條件限制，傳感頭雖然有很小的介電常數(shù)，但在高電壓環(huán)境下，表面的感應電荷也會對測量結果造成影響。

3 應用

在各類輸、變電電氣產品的研究、設計、試驗和制作過程中，最為突出的是電氣絕緣設施和電場防護等問題，需要檢測不同部位的電壓和電場分布?，F(xiàn)有的典型檢測手段(靜電電壓表)除體積大、精度低和操作頻繁外，其抗干擾能力差，同時本身會嚴重影響壞境本身電場分布，因此往往不能反映真實情況。光學電場互感器除占用空間小、響應速度快、抗干擾能力強以外，最突出的優(yōu)點就是傳感頭和信號傳輸通道都不含有任何金屬，且由介電常數(shù)低的材料組成，對電場分布影響基本可以忽略，特別是在高電壓場合，極佳的絕緣性能保障了操作人員的安全，是目前的理想電場檢測手段。

由于BGO晶體不僅是優(yōu)良的電光晶體，而且還有優(yōu)良的電氣物理性能。因此，其靈敏度高，測量范圍廣，輸入阻抗高，抗干擾能力強，幾乎不受溫度影響，目前正在許多領域獲得應用。

(1)電壓測量

由于BGO傳感器是無感和高輸入阻抗的，所以可以對高壓輸電配電系統(tǒng)電氣設備進行無感、安全快速和遙控測量。例如對多級串聯(lián)超高壓絕緣子分壓的測量，可以得知每一個絕緣子承擔的電壓值。

(2)電場測量

不適合狹小空間和表面電場分布的測量。例如，高壓架空線絕緣子周圍電場分布測量，通過電場分布判斷絕緣子運行狀況。

(3)高頻沖擊波的監(jiān)測

BGO傳感器的輸入阻抗高、測量頻帶寬、響應速度快，適合于輸電網高頻電壓波動的分析及沖擊試驗和雷電沖擊波形的觀測與監(jiān)視。

4 結語

從電光效應基本原理出發(fā)，探討了BGO晶體光學電壓電場傳感器的原理、結構、基本特性及其應用。提出并通過試驗驗證了傳感頭本身對電場分布造成的影響，同時與傳感頭內感應電場強度和傳感頭放置位置以及方向相關，說明了傳感頭尺寸以及封裝材料對電場測量是至關重要的，應選用小介電常數(shù)的非金屬材料制成小尺寸表面光滑的封裝外殼。

光學電場電壓傳感器是以其絕緣強度高，抗干擾能力態(tài)范圍大、體積小、頻帶寬、絕緣性能好和無爆炸危險等優(yōu)點使其在電力系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用，勢必成為新一代電力監(jiān)測技術的主流。

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