高電壓光電測量的優(yōu)缺點及發(fā)展現(xiàn)狀

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)高電壓光電測量的優(yōu)缺點及發(fā)展現(xiàn)狀摘 要為了能夠比較精確的在較高電壓或極端電磁環(huán)境下獲得電壓或電場的參數(shù)，利用光電元件測量高電壓的應用受到廣泛關注。本文首介紹了高電壓測量的特殊要求和光電測量的基本原理,隨后論述了基于光電互感器的光電測量系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀。最后通過與傳統(tǒng)測量系統(tǒng)的比較，分析了其優(yōu)缺點,進而說明了光電測量系統(tǒng)在高電壓測量與研究領域必將會有廣泛應用前景。關鍵詞： 光電測量 高電壓 光電互感器1引言現(xiàn)代電力系統(tǒng)輸電電壓等級不斷提高，伴隨著特高壓輸電的出現(xiàn)，高電壓以及

2、高電壓環(huán)境下強電磁場等參量的測量逐漸成為研究的重點。由于電壓等級很高，輸電線路周圍電磁場環(huán)境很復雜，因此對測量系統(tǒng)提出了很多新的要求：1測量點往往處于高電位和強場區(qū)域。因此，測量系統(tǒng)的傳感器探頭部分與后級信號處理部分需要有很好的隔離。 2為了盡量減小傳感器對被測電磁場的影響以及空間精確定位測量，需要盡可能縮小探頭的體積。面對這些新的要求，采用傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器的測量系統(tǒng)很難滿足。自二十世紀六十年代開始，人們一直在尋求一種安全、可靠、理論完善、性能優(yōu)越的新方法來實現(xiàn)高電壓的測量。由基于電光效應而制造的光電互感器或應用光通信方式組成的測量系統(tǒng)能夠克服很多采用傳統(tǒng)高壓分壓器或分流器為主的測量系統(tǒng)

3、的缺點，在近幾十年來一直受到學者和工程技術人員的廣泛關注和深入研究。本文將介紹高電壓光電測量的原理以及其發(fā)展現(xiàn)狀，總結高電壓光電測量的優(yōu)缺點。2光電測量系統(tǒng) 光電測量系統(tǒng)是一種利用各種電光效應或光通信方式進行測量的系統(tǒng)，在高電壓技術領域內(nèi)，可以用它進行高電壓、大電流、電場強度以及其他參量的測量。光電測量系統(tǒng)常采用以下幾種調(diào)制方式：（1）幅度-光強度調(diào)制（AM-IM）這種調(diào)制方式采用發(fā)光二極管作為光電變換器，發(fā)光二極管發(fā)出的光強度與流過它的電流大小成正比。圖2-1為采用幅度-光強度調(diào)制方式的光電測量系統(tǒng)原理圖。被測電壓先經(jīng)過二極管產(chǎn)生光信號，然后光信號通過光導纖維傳到信號處理端，通過光電倍增管將

4、光信號還原成電信號輸入示波器。圖2-1 采用幅度-光強度調(diào)制方式的光電測量系統(tǒng)原理圖（2）調(diào)頻-光強度調(diào)制（FM-IM）這種調(diào)制方式是利用壓控振蕩器的輸出頻率隨調(diào)制信號的大小發(fā)生線性變化的原理來傳遞信息的。它的測量系統(tǒng)如圖2-2所示。被測電壓經(jīng)過FM-IM方式調(diào)制后形成光信號，用光纜傳輸?shù)叫盘柼幚矶?，在?jīng)過解調(diào)后輸出電信號。而且頻率-光強度調(diào)制比幅度-光強度調(diào)制具有更高的抗干擾能力，它可以克服光源非線性和溫度變化所造成的不利影響。圖2-2 采用調(diào)頻-光強度調(diào)制方式的光電測量系統(tǒng)原理圖（3）數(shù)字脈沖調(diào)制 數(shù)字脈沖調(diào)制是采用脈沖電碼傳送模擬信號各個采樣的量化值的一種方式。圖2-3為其測量系統(tǒng)原理圖

5、。首先將所測電壓送到高采樣率和高分辨率的模數(shù)轉換器（ADC）中去，完成采樣的量化過程。然后將轉換器輸出的數(shù)字信號經(jīng)過編碼器，變換成二進制脈沖電碼，經(jīng)接口輸入到光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，在經(jīng)過另一個編碼器將脈沖電碼變換成適合光纖數(shù)字通信的碼型。把重新編碼的數(shù)字信號經(jīng)驅(qū)動電路放大后，驅(qū)動光源。光源將電信號變換為光信號送入光纖，經(jīng)過譯碼器、數(shù)碼轉換器（DAC）輸出模擬電壓信號，供示波器進行測量。圖2-3 采用數(shù)字脈沖調(diào)制的光電壓測量系統(tǒng)（4）利用電光效應的外調(diào)制電光效應（Electro-optical effect）是指在晶體上加有外電場時，晶體的折射率發(fā)生變化的一種現(xiàn)象。產(chǎn)生光電效應的機理是由于電場會改

6、變分子或原子中電子的運動，或者改變晶體的結構，從而導致晶體的折射率發(fā)生變化。如果晶體折射率的變化與電場強度成正比，這種電光效應稱為Pockels效應，也稱為一次電光效應，該效應是1893年由德國物理學家Pockels發(fā)現(xiàn)的。如果晶體折射率的變化與電場強度的平方成正比，這種電光效應稱為Kerr效應，也稱為二次電光效應，該效應是1875年由Kerr發(fā)現(xiàn)的。由于Pockels效應通常要比Kerr效應強得多，所以在研究應用中，我們主要使用Pockels效應。圖2-4即為一種采用電光效應測量高電壓的系統(tǒng)。它包括激光光源、光電傳感器、光纖、光電接收器PIN以及放大器、示波器等。其中的光電傳感器又包括起偏器

7、、電光晶體、1/4波片、檢偏器和自聚焦透鏡，這些設備的軸心都位于同一軸線。整個裝置的工作原理為由激光光源發(fā)出光信號，通過光纖傳輸?shù)教幱诒粶y電場中的光電傳感器，之后再通過光纖傳送到光電接收器PIN將光信號轉為電信號，最后經(jīng)放大器放大傳輸給示波器。這種測量系統(tǒng)的傳感器部分可以全部使用非金屬材料，不會對被測電場產(chǎn)生干擾，因此測量精度比采用傳統(tǒng)電磁式傳感器的測量系統(tǒng)要高。圖2-4 采用電光效應調(diào)制方式的光電測量系統(tǒng)原理圖3光電測量的發(fā)展現(xiàn)狀早在1849年，在法拉第發(fā)現(xiàn)磁光效應49年之后，就已經(jīng)有人提出利用光學原理測量電流的想法，但是受當時技術條件等原因的限制，其研究僅局限于試驗和設想階段。直到20世紀

8、70年代，隨著半導體技術的發(fā)展以及光纖傳導和傳感技術的出現(xiàn)，光電測量技術的發(fā)展進入實用化階段。特別是從80年代后期開始，光學傳感技術在電力系統(tǒng)中的應用研究得到了突破性進展,取得了令人矚目的成果,美國、日本、法國和前蘇聯(lián)等國先后研制出多種實用型光學電壓互感器(optical voltage transformer,簡稱OVT) 和光學電流互感器 (optical current transformer,簡稱OCT),然后利用這些光電互感器制造出了一些光電測量樣機，并成功地長時間運行于高壓電站中。進入21世紀后，美國和法國等一些技術發(fā)達國家對于高電壓光電測量的重視逐漸增加，而且一些大型電氣設備制造

9、公司，例如ABB公司和西門子公司等也推出了比較成熟的產(chǎn)品，并且其性能越來越優(yōu)異。目前的重點主要是對采用電光效應調(diào)制方式的光電互感器測量系統(tǒng)的研究，因此本文主要介紹了國內(nèi)外在光電互感器方面的研究成果。3.1 國外在光電互感器研究方面的發(fā)展現(xiàn)狀日本在80年代便開始了組合式光電電壓電流測量裝置的研究工作，并且在1991年7月公布了部分產(chǎn)品用于配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的掛網(wǎng)運行數(shù)據(jù)。并且東芝公司已經(jīng)研制出1000kV的光電互感器。1995年，法國ALSTOM公司在美國安裝了525kV的組合式光學電壓電流互感器，之后又陸續(xù)在荷蘭、比利時、加拿大和法國等國掛網(wǎng)運行。1997年又打出了123kV-765kV組合式光學

10、電壓/電流互感器的廣告，其電壓傳感器采用了基于BGO晶體Pockels縱向電光效應的結構，電壓傳感器置于絕緣子頂部，絕緣子內(nèi)充的硅橡膠復合絕緣子，光纖在絕緣子內(nèi)以螺旋式結構由頂部引至下端。（3）1997年1月，ABB公司推出了額定電流2000A的115kV-550kV的組合式光學電壓電流互感器，其電壓測量采用了基于Pockels縱向電光效應的光學電壓互感器，并且已經(jīng)在許多國家投入運行。（4）2003 年，加拿大 Nxtphase報道了 121KV-550KV 的光學電壓互感器。3.2 國內(nèi)在光電互感器研究方面的發(fā)展現(xiàn)狀 我國對高電壓光電測量的研究始于20世紀80年代，先后有清華大學、電子部26

11、所、北京電科院、上海互感器廠、哈爾濱工業(yè)大學、華中科技大學等多家大學、科研院所和工廠開展這項研究工作。但是在2000年之前絕大多數(shù)工作都處于實驗室階段，很少有光電測量設備投入高電壓測量的實際應用之中。下面是國內(nèi)在高電壓光電測量領域的研究和應用：（1）1993年，由華中理工大學(現(xiàn)華中科技大學)電力系與廣東省新會電力局合作研制出單相110kV光電互感器樣機，并于同年12月在新會電力局掛網(wǎng)運行。1998年與廣東順德特種變壓器廠、廣東新會電力局合作研制出帶微機保護的三相光電電壓互感器樣機，并于同年十月在新會投入運行。（2）1998年5月，華中理工大學和湖南省電力局合作，研制出220kV組合式光學電壓

12、電流互感器，并通過了國內(nèi)專家技術評審。（3）2004年,華中科技大學研制了新型的220kV組合式無源光學電流/電壓互感器，無高壓側電路，全部用光纖傳輸信號，實現(xiàn)了高低壓徹底隔離，安全可靠；實現(xiàn)了電流、電壓傳感器全部組合在一個結構中，體積小、重量輕、準確度高。（4）2010年，東南大學和江蘇省電力設計研究院共同研制出500kV的光電電壓互感器。 總之，光電測量技術的研究已經(jīng)成為目前高壓測量領域研究的重點，國外許多技術發(fā)達的國家都投入了大量的人力、物力和財力從事這項研究工作。我國在這一領域的研究起步較晚，與國外先進水平還有較大差距，而且隨著一些國外成熟產(chǎn)品在我國市場的推廣，對于國內(nèi)相關企業(yè)也會產(chǎn)生

13、不小的沖擊。 4光電測量的優(yōu)缺點4.1光電測量的優(yōu)點與采用傳統(tǒng)電磁式互感器的測量方法相比，光電測量有如下突出優(yōu)點：（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)越的性價比 整個光電測量設備可以分為光電互感器和信號處理設備兩塊，處在強電場環(huán)境中的只有光電互感器，其通過絕緣材料做成的光纖將所測得的高壓信號傳輸?shù)胶竺娴男盘柼幚碓O備，這不僅實現(xiàn)了整個設備的高低壓側的徹底隔離，同時使得整個光電測量設備的絕緣結構大大簡化，而且隨著電壓等級升高，其性價比也會越來越高。（2）無噪音，低污染，具有優(yōu)越的環(huán)保性能 由于光電測量系統(tǒng)中的信號是通過光來傳輸?shù)?，因此不會產(chǎn)生噪音和電磁波等污染源。同時，在對光電互

14、感器進行設計時可以采用硅橡膠絕緣和氣體作為絕緣介質(zhì)，替代傳統(tǒng)的瓷套絕緣子和絕緣油，甚至可以做成無油無氣的光電互感器，這樣可以大大降低這些配套設備生產(chǎn)過程中所帶來的環(huán)境污染，具有優(yōu)越的環(huán)保性能。（3）功能齊全，測量精度高 光電測量系統(tǒng)所采用的光電互感器可以進行多種物理量的測量，而不局限在測量電壓等級，而且測量多個電場數(shù)據(jù)時僅使用一個光電互感器便可以實現(xiàn)。而且由于整個測量系統(tǒng)實現(xiàn)了高低壓隔離并且采用光纖對信號進行無損傳輸，而測量點附近的空間電磁場也不會干擾光線中傳輸?shù)墓庑盘?，而且整個光電互感器部分金屬元件較小，對被測點附近的電磁場影響較小，因而使得光電測量的精度可以達到很高。（4）頻率響應寬，動態(tài)

15、范圍大 光電測量系統(tǒng)中所采用的光電互感器具有響應速度快、靈敏度高的優(yōu)點，大大提高了測量頻率范圍和響應速度。用光纖實現(xiàn)信號傳遞可以保證有很高帶寬，可以實現(xiàn)從直流到 GHz 的測量。（5）體積小，重量輕，節(jié)約占地面積因光電互感器沒有鐵芯和絕緣油等，使得光電互感器只有傳統(tǒng)電磁式互感器重量的十分之一，且體積小，占地面積小，便于運輸和安裝。（6）適應了電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化的需要 光電測量系統(tǒng)可以根據(jù)需要輸出低壓模擬量和數(shù)字量，可以直接用于計算機設備進行保護程序的設定和管理，為實時監(jiān)測和故障診斷提供了優(yōu)勢，也推動了變電站的自動化管理進程。4.2光電測量的缺點雖然光電測量技術有著諸多的優(yōu)點，但是也

16、因其自身特性有著難以克服的缺點：（1）利用基于 Pockels 晶體傳感器的測量系統(tǒng)對外界機械作用力敏感，這就給整個系統(tǒng)帶來穩(wěn)定性的問題。（2）入射光通過電光晶體時存在折反射問題，從而限制了晶體長度的提高，而晶體長度越長，光電互感器的靈敏度越高，進而也限制了整個測量系統(tǒng)靈敏度的提高。（3）溫度對光電測量裝置的精度有較大影響，而絕大多數(shù)光電測量裝置是裝設在戶外的，對于晝夜溫差較大的地區(qū)，不可避免的對電壓實時測量會造成一定影響。 5總結 總的來說，由于理論和技術的限制，迄今為止大部分高壓光電測量裝置還停留在實驗階段，只有少部分產(chǎn)品被投入到實際應用中。而對于傳統(tǒng)的電容式、電阻式及阻容式電壓互感器，由于其理論比較完善，制造工藝要求相對較低，從而被廣泛的應用在實際工作中。但是隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,高電壓、長距離輸電的推廣勢在必行，這就對高電壓測量技術提出了新的要求。光電測量技術可以很好的克服了傳統(tǒng)高壓測量技術的諸多缺點，滿足了電力發(fā)展的需求，因此光電測量技術勢必會有更加廣闊的發(fā)展前景。參