光学电压互感器的研究进展

光学电压互感器的研究进展

罗苏南叶妙元李开成徐雁崔瑛

摘要：采用光学晶体及光学纤维实现对电力系统高电压的测量一直是研究与发展的重要课题。本文概述了光学电压互感器的研究状况，并着重探讨了光学电压互感器实用化中存在的主要问题及今后的发展趋势。关键词：电压互感器；光学传感器；Pockels效应；稳定性

ADVANCES IN OPTICAL VOLTAGE TRANSFORMERS LUO Sunan YE Miaoyuan LI Kaicheng XU Yan CUI Ying (Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074) Abstract：Measuring the transmission level voltages using optical crystal and optical fiber has been intensively researched and developed.This paper outlines the research advances in optical voltage transformers, and discusses the main problems associated with practical optical voltage transformers and the study trends.

Keywords：voltage transformer, optical sensor, pockels effect, stability▲

1 前言

电压互感器是电力系统中取得计量与保护用电压信号的重要设备。随着电力系统传输的电力容量越来越大，电压等级越来越高，传统的电磁感应式或电容分压式电压互感器也因其传感机理而呈现出自身不可克服的难题，如绝缘结构日趋复杂、体积大、造价高、充油的电压互感器存在潜在的爆炸危险等。

多年来，人们一直在研究可以替换传统的电压互感器的光学电压互感器(Optical Voltage Transformer,简称OVT)。国外从八十年代开始投入了大量的人力财力从事这一课题的研究，如美国的ABB公司、法国的ALSTHOM公司、日本的东电、住友等公司。我国如华中理工大学、清华大学、机电部26所等单位也在积极从事这一课题的研究。如图1所示，光学电压互感器主要由三部分组成：(1)绝缘主体。(2)光学电压传感器。

(3)光电变换及信号处理电路。

图1 光学电压互感器结构示意图

经过近20年的研究，光学电压互感器已趋于成熟，国外已研制出123kV至765kV的系列光学电压互感器，我国也已研制出110kV的光学电压互感器。从目前已研制出的光学电压互感器来看，基本原理都相同，信号处理部分也基本一样，不同之处主要在于一次部分的结构及光学电压传感器的结构。本文拟对光学电压互感器发展历程中出现的有代表性的结构类型及光学电压传感器的主要类型进行总结，并对光学电压互感器实用化存在的主要问题及今后的发展趋势进行探讨。

2 OVT的主要结构类型

到目前为止国内外研制的OVT主要有以下几种结构类型：

(1) 利用光学电流传感器通过测量流过电容分压器的电流而间接地测量电压，如图2所示。美国田纳西州电管局于1989年挂网试运行的161kV OVT采用这种结构［1］。

图2 OVT结构类型(1)

(2) 利用电容分压器从被测母线高压分出一较低的电压加于光学电压传感器上。这种结构的OVT有两种分取电压的方式，一种为从电容分压器的低压端取电压，如图3(a)所示；另一种为从电容分压器的高压端取电压，如图3(b)所示。日本日立制作所于1987年挂网试运行的77kV OVT采用图3(a)所示的结构［2］。华中理工大学于1993年在广东新会市供电局挂网运行的110kV OVT亦采用这种结构［3］。法国ALSTHOM公司研制的123kV～765kV的OVT采用图3(b)所示的结构［4］。其样机已有多台在法国及北美运行。

图3 OVT结构类型(2)

(3) 如图4所示，光学的电压传感器通过一接地金属管置于上金属帽中，通过测量光学晶体处的电场间接地测量母线电压。这种结构的OVT 由丹麦学者Lars Hofmann Christensen开发，用于132kV～150kV的系统［5］。

图4 OVT结构类型(3)

(4) 光学电压传感器通过上下金属管置于绝缘子中间，如图5所示。ABB公司于1996年挂网试运行的362kV OVT采用这种结构［6］。华中理工大学于1998年广东三江变电站挂网试运行的110kV OVT也是采用这种结构［7］。

图5 OVT结构类型(4)

以上总结了目前有代表性的几种OVT的结构类型。结构(1)与结构(2)有电容分压器，一方面没有充分体现光学传感的优越性，另一方面电容分压器的长期运行会引进额外的测量误差。结构4结构紧凑，便于工业化生产，是目前OVT发展的主要结构方向。

3 光学电压传感器的几种主要结构

光学电压传感器是OVT的核心，主要有三种结构形式：

(1) 卧式横向调制光学电压传感器，如图6所示。所谓横向调制即晶体上外加电场方向与通光方向相互垂直。这种结构的光学电压传感器容易组装，但受晶体耐受电压的限制，主要用于图3所示的有电容分压装置的光学电压互感器中。

图6 卧氏横向调制光学电压传感器

(2) 立式横向调制光学电压传感器，如图7所示。这样结构的电压传感器实际上是通过测量晶体处的电场来实现对电压的测量。这种结构的光学电压传感器适用于图5所示结构的OVT。高压电极与低压电极通过绝缘材料如聚四氟乙烯相连，所有光学元件都粘结在地电极上，通过调整上、下极头间的距离可方便地实现对不同等级电压的测量。由于高低压电极间绝缘材料热胀冷缩的影响，环境温度的变化会影响高低压电极间的距离，从而影响电压互感器的工作稳定性。因此采用这种光学电压传感器的OVT需采取措施克服这个问题，如可在光学电压传感器附近