溫度對(duì)典型光學(xué)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(xué)研究院 國(guó)家電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 211103)

隨著國(guó)網(wǎng)公司智能變電站建設(shè)工作的展開(kāi)[1]，光學(xué)電壓互感器已在智能變電站逐步得到應(yīng)用，如2011年4 月18 日安徽桓譚110 kV 智能變電站投運(yùn)在世界首次應(yīng)用110 kV 全光學(xué)電壓互感器，我省已經(jīng)投運(yùn)的常熟南智能變電站也采用了光學(xué)電壓互感器。光學(xué)電壓互感器誤差特性和傳統(tǒng)的電磁或電容式電壓互感器有很大區(qū)別，同時(shí)目前光學(xué)電壓互感器的實(shí)現(xiàn)原理上有多種，其誤差特性易受溫度影響，而目前對(duì)于光學(xué)電壓互感器的測(cè)量性能研究分析工作大都停留在理論分析和試驗(yàn)室測(cè)試上，其在工程應(yīng)用中的試驗(yàn)與分析評(píng)價(jià)方法還很缺乏，迫切需要進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)分析來(lái)論證研究分析的結(jié)果，并解決光學(xué)電壓互感器運(yùn)行中的技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定性等問(wèn)題。

1 光學(xué)電壓互感器原理研究

光學(xué)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(yīng)、Kerr 效應(yīng)等。

1.1 電容分壓原理

基于電容分壓原理的光學(xué)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(cè)量過(guò)程如下：被測(cè)高壓信號(hào)由電容分壓器從電網(wǎng)取出，信號(hào)經(jīng)放大、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換及電光轉(zhuǎn)換，以數(shù)字光信號(hào)的形式送至合并單元，合并單元首先由電光轉(zhuǎn)換器PIN 將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，將串行信號(hào)變成并行信號(hào)，并按IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)打包將測(cè)量結(jié)果輸出給計(jì)量和微機(jī)保護(hù)設(shè)備。

圖1 電容分壓原理的光學(xué)電壓互感器

光學(xué)電壓互感器置于室外運(yùn)行，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，其電容器的電容量也會(huì)發(fā)生變化，從而會(huì)對(duì)分壓比產(chǎn)生影響[2]。

1.2 Pockels 效應(yīng)

1893年德國(guó)物理學(xué)家F.Pockels 首先發(fā)現(xiàn)電光效應(yīng)。所謂Pockels 電光效應(yīng)是指某些透明的光學(xué)介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下，其折射率線性地隨外加電場(chǎng)而變化。Pockels 效應(yīng)又稱線性電光效應(yīng)。其原理如圖2 所示。

圖2 Pockels 電光效應(yīng)原理

若晶體在通光方向長(zhǎng)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(chǎn)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(gòu)成的光纖電壓傳感器如圖3所示。它由光纖、準(zhǔn)直透鏡、起偏器，檢偏器、1/4 玻片、電光晶體和耦合透鏡通過(guò)光學(xué)膠（如紫外光學(xué)膠或A+B 光學(xué)膠）黏接而成，因不同材料具有不同溫度系數(shù)，當(dāng)溫度在較大范圍（-40～+70℃）變化時(shí)，各元件的收縮或膨脹變形不一致，從而引起光路系統(tǒng)中光的耦合效率發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出光功率的波動(dòng)，則導(dǎo)致測(cè)量誤差[3]。

圖3 光纖電壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 Kerr 效應(yīng)

1875年蘇格蘭物理學(xué)家J.Kerr 發(fā)現(xiàn)某些本來(lái)是各向同性的介質(zhì)在外加電場(chǎng)的作用下變成各向異性的介質(zhì)，從而產(chǎn)生雙折射，這種效應(yīng)就是Kerr 效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，Kerr 效應(yīng)中外電場(chǎng)的方向相當(dāng)于介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下所轉(zhuǎn)變成的各向異性晶體的光軸。當(dāng)光的振動(dòng)方向與外電場(chǎng)方向一致時(shí)，介質(zhì)的折射率為ne，相互垂直時(shí)，射率為no，外加電場(chǎng)強(qiáng)度為E，則：

式（4）中：λ為光在真空中的波長(zhǎng)；K為一個(gè)常數(shù)，稱為克爾常數(shù)。

通過(guò)對(duì)折射率引起的相位差的測(cè)量來(lái)間接測(cè)量外加電壓。由于折射率之差與外加電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，Kerr 效應(yīng)又稱為二次電光效應(yīng)。Kerr 效應(yīng)較Pockels 效應(yīng)相比要微弱得多，且具有非線性性，因此在實(shí)際傳感器中應(yīng)用不多。

2 誤差特性試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

因?yàn)獒槍?duì)各種光學(xué)電壓互感器的誤差特性，需要構(gòu)建一套能夠?qū)鈱W(xué)電壓互感器提供一次大電壓和二次輸出接收與檢測(cè)的設(shè)備系統(tǒng)[4]。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。系統(tǒng)接入工頻單相220 V 電源給升壓系統(tǒng)，通過(guò)升壓系統(tǒng)產(chǎn)生的一次電壓U1同時(shí)作用于標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器和光學(xué)電壓互感器，由標(biāo)準(zhǔn)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(fā)一次采集，得到標(biāo)準(zhǔn)源電壓值Uref；U1作用于OVT 上，由OVT 感應(yīng)采集實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)，通過(guò)光纖傳輸?shù)組U，由MU 整理后將采集量通過(guò)IEC 61850-9-1，IEC 61850-9-2 或FT3 傳輸?shù)焦饫w收發(fā)器，再由FPGA 數(shù)字量接收裝置接收。

2.2 試驗(yàn)方案

數(shù)字量輸出光學(xué)電壓互感器采用外部同步校驗(yàn)時(shí)的接線如圖5 所示。當(dāng)采用外部同步方式校驗(yàn)數(shù)字量輸出光學(xué)電壓互感器時(shí)，如果光學(xué)電壓互感器校驗(yàn)儀沒(méi)有同步信號(hào)輸出功能時(shí)，可采用外部同步信號(hào)來(lái)同步。測(cè)量誤差時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)互感器和光學(xué)互感器一次極性應(yīng)同方向，標(biāo)準(zhǔn)互感器二次正極性接入。

圖4 光學(xué)電壓互感器誤差試驗(yàn)系統(tǒng)

圖5 數(shù)字量輸出光學(xué)電壓互感器校驗(yàn)接線圖（外部同步方式）

3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

3.1 電容分壓原理光學(xué)電壓互感器溫度影響試驗(yàn)

電容分壓原理的光學(xué)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(xué)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(biāo)軸表示溫度，右坐標(biāo)軸表示比差或角差，橫坐標(biāo)表示測(cè)量時(shí)刻。從圖6、圖7 可看出，當(dāng)溫度從-40℃變化至70℃時(shí)，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(jí)互感器誤差要求。

3.2 Pockel 效應(yīng)原理的光學(xué)電壓互感器試驗(yàn)

圖6 電容分壓原理的光學(xué)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(xué)電壓互感器角差隨溫度變化曲線

對(duì)Pockel 效應(yīng)原理的光學(xué)電壓互感器試驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9 所示。當(dāng)溫度從-40℃變化到70℃，光學(xué)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(dòng)，按照0.2 級(jí)互感器誤差要求，比差已經(jīng)嚴(yán)重超差。為評(píng)估Pockel 效應(yīng)原理的光學(xué)電壓互感器溫度性能，在-40℃變化到70℃同時(shí)測(cè)試了另外2 臺(tái)相同原理同一廠家的光學(xué)電壓互感器，3 臺(tái)光學(xué)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(jié)束語(yǔ)

分析了光學(xué)電壓互感器原理，建立了光學(xué)電壓互感器誤差試驗(yàn)系統(tǒng)并對(duì)2 種實(shí)用化的光學(xué)電壓互感器開(kāi)展了溫度影響下的誤差對(duì)比試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度對(duì)Pockels 光學(xué)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(yīng)光學(xué)電壓互感器比差隨溫度變化曲線

圖9 Pockels 效應(yīng)光學(xué)電壓互感器角差隨溫度變化曲線

[1]陳銘明，盧樹(shù)峰，包玉樹(shù)，等.光學(xué)電流互感器實(shí)時(shí)誤差分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].江蘇電機(jī)工程，2013，32(2)：47-48.

[2]王紅星.電容分壓型光學(xué)電壓互感器研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)院，2010.

[3]李開(kāi)成，孫 健，何 昊.光學(xué)電壓互感器的誤差及誤差抑制方法研究[J].電測(cè)與儀表，2013，50(11)：1-3.

[4]李開(kāi)成，李振興，易 楊.電子式互感器校驗(yàn)系統(tǒng)的研究[J].電測(cè)與儀表，2009，46(12)：43-47.