一種基于電光效應的非接觸式過電壓傳感器的精度影響因素及誤差改進方法

賢天華,鄭 豐,褚海洋（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司天生橋局，貴州興義，562400）

一種基于電光效應的非接觸式過電壓傳感器的精度影響因素及誤差改進方法

賢天華,鄭 豐,褚海洋
（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司天生橋局，貴州興義，562400）

測量精度與穩定性是設計過電壓傳感器的重要指標，會受到多種因素的影響。本文在完成了對非接觸式過電壓傳感器基本結構設計的基礎上，從理論上分別對封裝的非接觸分壓單元和光電傳感單元進行誤差分析，并提出了相應的改進措施。

電光效應；過電壓傳感器；誤差改進；非接觸電壓測量

0 引言

變電站是電力系統的樞紐，一旦發生雷害事故，將造成大面積停電；并且站內的變壓器等主要電氣設備的內絕緣大多沒有恢復能力，一旦由于侵入波過電壓或操作過電壓引起損壞，修復起來十分困難，勢必造成嚴重的后果。準確地監測變電站雷電侵入波有著重要的意義。

文獻[4]提出了一種基于電光效應的非接觸式過電壓傳感器，通過利用傳感器與輸電線路之間的雜散耦合電容實現對線路過電壓的非接觸感應，測量現場無需電源供電，信號傳輸過程中受復雜電磁環境的干擾小。

測量精度與穩定性是設計過電壓傳感器的重要指標，會受到多種因素的影響。本文對該傳感器在實際生產應用中可能遇到的影響傳感器測量精度的因素進行理論分析，并提出相應的誤差改進措施，對該傳感器在相關領域的實際應用推廣帶來有益的借鑒。

1 非接觸分壓單元誤差分析

非接觸分壓單元由感應金屬板與定值電容串而成，其誤差主要通過分壓比的變化體現出來。傳感器在實際應用情況下，非接觸分壓單元的分壓比的計算比理論仿真計算情況復雜，具體分析如下：

圖1 屏蔽外殼對傳感器的影響

① 屏蔽外殼對傳感器測量的影響

由于感應金屬板外加屏蔽外殼，如圖1所示，感應金屬板與屏蔽外殼的側面和底面都存在雜散電容C3和C4，與低壓臂電容并聯，將使得實際低壓臂電容值增大，故實際計算中需要考慮到該雜散電容的影響以修正傳感器的實際分壓比。

② 光電傳感單元等效電容對分壓比的影響

非接觸分壓單元通過同軸電纜與非接觸分壓單元互聯，光電傳感單元在電路上可等效為一個電阻與電容并聯，會對非接觸分壓單元形成負載效應，如果負載效應較強將會在反算被測電壓時造成誤差。

LiNbO3晶體是絕緣體，電阻極大，電阻率ρ為1015Ω/m數量級，文獻[4]采用的晶體在外施電壓方向上長度為4mm，電阻值為1012數量級，其相對介電常數ε1=28，晶體夾在兩片5×30mm的電極中間，所以光電傳感單元實際可等效為一個電容C5：

而非接觸分壓單元的低壓臂電容值一般選用nF到μF級別，因此，光電傳感單元對非接觸分壓單元的分壓比十分微弱，可忽略不計。

2 光電傳感單元誤差分析

2.1 光電傳感單元的噪聲

光電傳感單元由多種光學元器件組合封裝而成，每個元器件的加工與結構精度會對測量過程的準確性造成直接影響。

① 激光源輸出穩定性

光纖激光源發出的激光存在一個中心波長，隨著激光源工作環境溫度及濕度的變化，其所發出的激光光波長會在中心波長附近波動，激光源的功率也會在長時間的工作中發生一定變化。

對于電光晶體而言，半波電壓和相位延遲角都是光波長的函數，激光波長的變化將會導致半波電壓和電光效應雙折射光相位延遲角發生變化；同時，光功率的不穩定將直接導測量結果的變化。這些都會導致測量時噪聲和誤差的增大。

故在實際工程應用中須嚴格保證所用激光源的輸出穩定性以減小噪聲，提高傳感器的測量精度。

② 傳輸光纖模式

光電傳感單元利用一次電光效應將電壓變化轉化為光的相位變化，最后將相位利用光的偏振原理轉化為光功率變化。光纖在光電傳感單元中起信號傳輸的作用。在光電傳感單元的光信號輸入端，不僅要保證輸入光信號的光功率穩定性，同時保證輸入光信號的偏振態穩定也是十分關鍵的，輸入光信號的偏振態變化將直接影響到輸出光功率的變化。故光電傳感單元的輸入端須采用保偏光纖以保持輸入光信號的偏振態不變。

在光電傳感單元的輸出端，傳輸光纖主要作用為傳輸光功率，對偏振態沒有嚴格要求，故在輸出端采用單模光纖以盡量減小輸出光信號在傳輸過程中的功率衰減即可。

2.2 信號在傳輸過程中的光強損耗

激光信號在光電傳感單元的整個光路中存在較大的光強損耗，而同時在光纖中長距離傳輸的時候會進一步增大損耗強度。這些損耗主要包括：激光在傳輸過程中依次經過起偏器、四分之一波片、電光晶體、檢偏器時光的折反射損耗；光纖準直器將輸出激光耦合進單模光纖時的耦合損耗；激光在光纖與光纖以及光纖與準直器連接時的接口損耗；激光在長距離傳輸過程中由于光纖自身性質造成的固有損耗。

所以，如果將傳感器用于現場實際測量，激光信號在光纖長距離傳輸中的固有損耗、接頭損耗、熔接損耗以及彎曲損耗等也是必須考慮的因素。實際應用做較多的為保偏光纖，單模光纖以及多模光纖。其中，保偏光纖在傳輸過程中衰減最小，其次為單模光纖，多模光纖衰減最大。同時，從非接觸分壓單元獲取的電壓信號可能僅為其線性測量范圍的三分之一左右，這樣會使電光效應引起的激光光功率變化更微弱。

采用大功率的激光源以及在輸出端采用單模光纖，均可改善測量信號的信噪比以及測量精度。也可在后臺采用合適的硬件濾波或軟件濾波的方式優化測量結果的精確度。

3 結語

本文對影響傳感器的測量精度和工作穩定性因素進行了討論，分析了傳感器在工作中產生的噪聲誤差及其產生的原因，并同時提出了相應的改進方法。

對于非接觸分壓單元，在理論計算分壓比的時候，須考慮感應金屬板與屏蔽外殼之間的雜散電容對低壓臂電容值的影響。

對于光電傳感單元，針對LiNbO3電光晶體在z向加電壓，x向通光橫向調制狀態下存在自然雙折射的實際問題，提出了“雙晶體結構”以改進光路，消除由自然雙折射引起的傳感器工作點漂移現象。同時理論分析了激光源，光電探測器以及傳輸光纖在實際應用中須考慮的必要因素，對傳感器在實際工程應用中提供有益的借鑒。

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Accuracy influence factors and error improvement methods of noncontact over voltage sensor based on electro optic effect

Xian Tianhua,Zheng Feng,Chu Haiyang
（Tianshengqiao Branch, EHV,China Southern Power Grid,Xingyi,562400,China）

The measurement accuracy and stability is designed an important indicator of the voltage sensor, will be affected by many factors. This paper completed the non-contact over the basic structure of the voltage sensor design based on, in theory respectively for the encapsulation of non-contact points pressure unit and a photoelectric sensing unit error analysis, and put forward the corresponding improvement measures.

electro optic effect；over voltage sensor；error improvement；non-contact voltage measurement