溫度對典型光學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研究院 國家電網公司電能計量重點實驗室，江蘇南京 211103)

隨著國網公司智能變電站建設工作的展開[1]，光學電壓互感器已在智能變電站逐步得到應用，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用110 kV 全光學電壓互感器，我省已經投運的常熟南智能變電站也采用了光學電壓互感器。光學電壓互感器誤差特性和傳統的電磁或電容式電壓互感器有很大區別，同時目前光學電壓互感器的實現原理上有多種，其誤差特性易受溫度影響，而目前對于光學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果，并解決光學電壓互感器運行中的技術指標穩定性等問題。

1 光學電壓互感器原理研究

光學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、Kerr 效應等。

1.1 電容分壓原理

基于電容分壓原理的光學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取出，信號經放大、濾波、A/D 轉換及電光轉換，以數字光信號的形式送至合并單元，合并單元首先由電光轉換器PIN 將光信號轉換成電信號，將串行信號變成并行信號，并按IEC 61850 標準打包將測量結果輸出給計量和微機保護設備。

圖1 電容分壓原理的光學電壓互感器

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

1.2 Pockels 效應

1893年德國物理學家F.Pockels 首先發現電光效應。所謂Pockels 電光效應是指某些透明的光學介質在外電場作用下，其折射率線性地隨外加電場而變化。Pockels 效應又稱線性電光效應。其原理如圖2 所示。

圖2 Pockels 電光效應原理

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膠（如紫外光學膠或A+B 光學膠）黏接而成，因不同材料具有不同溫度系數，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，從而引起光路系統中光的耦合效率發生變化，導致輸出光功率的波動，則導致測量誤差[3]。

圖3 光纖電壓傳感器結構示意圖

1.3 Kerr 效應

1875年蘇格蘭物理學家J.Kerr 發現某些本來是各向同性的介質在外加電場的作用下變成各向異性的介質，從而產生雙折射，這種效應就是Kerr 效應。實驗表明，Kerr 效應中外電場的方向相當于介質在外電場作用下所轉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，稱為克爾常數。

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 效應又稱為二次電光效應。Kerr 效應較Pockels 效應相比要微弱得多，且具有非線性性，因此在實際傳感器中應用不多。

2 誤差特性試驗研究

2.1 試驗系統搭建

因為針對各種光學電壓互感器的誤差特性，需要構建一套能夠對光學電壓互感器提供一次大電壓和二次輸出接收與檢測的設備系統[4]。試驗系統如圖4所示。系統接入工頻單相220 V 電源給升壓系統，通過升壓系統產生的一次電壓U1同時作用于標準電壓互感器和光學電壓互感器，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，每秒觸發一次采集，得到標準源電壓值Uref；U1作用于OVT 上，由OVT 感應采集實時電壓數據，通過光纖傳輸到MU，由MU 整理后將采集量通過IEC 61850-9-1，IEC 61850-9-2 或FT3 傳輸到光纖收發器，再由FPGA 數字量接收裝置接收。

2.2 試驗方案

數字量輸出光學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字量輸出光學電壓互感器時，如果光學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，標準互感器和光學互感器一次極性應同方向，標準互感器二次正極性接入。

圖4 光學電壓互感器誤差試驗系統

圖5 數字量輸出光學電壓互感器校驗接線圖（外部同步方式）

3 試驗過程及結果分析

3.1 電容分壓原理光學電壓互感器溫度影響試驗

電容分壓原理的光學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 效應原理的光學電壓互感器試驗

圖6 電容分壓原理的光學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電壓互感器角差隨溫度變化曲線

對Pockel 效應原理的光學電壓互感器試驗結果如圖8、圖9 所示。當溫度從-40℃變化到70℃，光學電壓互感器比差從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，比差已經嚴重超差。為評估Pockel 效應原理的光學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電壓互感器，3 臺光學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 結束語

分析了光學電壓互感器原理，建立了光學電壓互感器誤差試驗系統并對2 種實用化的光學電壓互感器開展了溫度影響下的誤差對比試驗。實驗結果表明，溫度對Pockels 光學電壓誤差影響較大，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 效應光學電壓互感器比差隨溫度變化曲線

圖9 Pockels 效應光學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.光學電流互感器實時誤差分析系統的設計[J].江蘇電機工程，2013，32(2)：47-48.

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

[3]李開成，孫 健，何 昊.光學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的研究[J].電測與儀表，2009，46(12)：43-47.