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1、全光学电压互感器关键技术及其工程应用（张志鑫 谭金权 石梅荣 张峰 孙祥龙）南瑞航天（北京）电气控制技术有限公司北京 100085摘要：全光学电压互感器基于Pockels光电测量原理，实现了电压的非介入式、宽频域及精密测量，准确度 达到0.2/3P，具有本质安全、强绝缘能力、突出的抗快速暂态过电压（VFTO）干扰性能及可靠性等优点。 此外，全光学互感器大幅度降低了运行维护成本，不需要定期检修，通过状态自诊断即可实现产品状态维 修，节省占地面积。我国独立自主率先开发出工程化产品，解决了无源式电子式互感器温度、振动等环境 适应性及长期可靠性的关键技术难题，在我国智能化变电站建设中10余个工程项目得
2、到应用，应用数量超 过 100 台，产品运行稳定，总体运行情况良好。光学电压互感器基于全新的测量原理，在集成一体化、智 能化、安全性、可靠性方面具有突出的优势，在未来的智能变电站建设中具有广阔的应用空间。关键字：全光学电压互感器、温度、振动，工程应用The key technologies and the engineering applications of all optical voltage transformer ZHANG Zhi-xing, TAN Jin-quan, SHI Mei-rong, ZHANG Feng, SUN Xiang-long NAE（Beijing） El
3、ectric Control Technology Ltd. 100085Abstra : All optical voltage transformer based on the principle of Pockels photoelectric measurement achieves the voltage of the non intrusive, wide frequency range, precision measurement, the accuracy of 0.2/3P and has the advantages of intrinsic safety, strong
4、insulating ability, the outstanding performance of VFTO interference and reliability etc. Furthermore, all-optical transformer dramatically reduces operation and maintenance cost. It saves floor space and doesnt need regular overhauling as it can achieve condition-based maintenance by self-diagnosis
5、. China has taked the lead in developing engineering products, solves the key technical problems of passive electronic transformer temperature, vibration, other environmental adapt ability , long term reliability and they have applied in more than 10 projects of Intelligent substation construction i
6、n China. The number of application is more than 100. The products are running stable, generally operating in good condition. All-optical voltage transformer based on the new measuring principle has the outstanding advantages of integration, intelligence, security and reliability and has a broad appl
7、ication space in the future construction of Smart Substation.Key Words： All optical voltage transformer, Temperature, Vibration, The engineering applications0引言近年来，随着物联网、云计算等技术在 电网的应用，发展可靠、安全和高效的智能 电网已上升为国家能源战略。新一代智能电 网将是电力系统未来10年的主要发展方向。 互感器在电网中起着精确快速测量电学参 量的作用，是智能电网的核心基础设备。电 磁式互感器在常规输变电领域中长期应用， 但存
8、在磁饱和、绝缘复杂、有爆炸、电磁谐 振、二次短路危险及暂态性能差等固有缺点 已不能满足新一代智能电网集成一体化、智 能化、安全性、可靠性的需求。因此，互感 器技术已成为新一代智能电网技术发展的 瓶颈技术之一。电子式电压互感器与传统的电磁式互 感器相比具有高精度，高线性度，宽频带， 体积小，重量轻等优点。电子式电压互感器 可以根据需要输出低压模拟量和数字量，可 直接用于微机保护和电子式计量设备，而且 能实现在线检测和故障诊断，适应了电力系 统数字化、智能化和网络化的需要。电子式 电压互感器分为有源式和无源式电压互感 器。有源式电压互感器主要有电阻分压电子 式电压互感器和电容分压电子式电压互感 器
9、，但存在温度漂移、杂散电容和电压过零 误差及抗干扰等不足，不能满足高电压等级 的需求。对于GIS结构，由于采用SF6气体 绝缘，可以采用电容环分压结构，这种结构 的电子式电压互感器具有优良的暂态性能， 但存在敏感温度误差难以保证、抗快速暂态 过电压（VFTO）难题。总体来看，有源式电子式电压互感器在 AIS应用场合存在绝缘性能不好及暂态特性 差的不足，在GIS应用上存在抗VFTO干扰 的难题，在实际运行中故障率较高。无源电 子式电压互感器不需电容分压，绝缘性能好 暂态特性好、集成度高，可以实现与GIS高 度集成，大幅度节省安装空间。但是光学电 压互感器研制难度大，需要解决温度、振动 稳定性及长
10、期可靠性难题。无源式电压测量主要有 Pockels 效应原 理及逆压电效应原理，目前工程化产品均为 Pockels 效应原理。我国对光学电压传感器 的研究始于 80 年代，南瑞航天、华中科技、 许继光电等对光学电压互感器开展了研究。 目前，南瑞航天突破稳定性、可靠性工程化 难题，率先开发出工程化产品，并通过中国 电科院武高所型式试验及评测，并在国内10 座变电站得以应用，应用数量100 余台，运 行稳定可靠。全光学电压互感器（OVT）基于Pockels 电光效应12的3电压传感技术为基础，实 现高压一次电压非接触光学准确测量，克服 了电磁感应、电容分压型电压互感器安全感 性差、谐振、暂态特性不
11、好等问题。具有故 障智能自诊断和抗VFTO干扰性能，易于集 成。安装方式灵活，可与隔离式断路器、GIS、 等高压一次设备高度集成，大幅度节约占地 本文从 OVT 的光路、光学器件、工艺 及工程应用设计方面进行研究，提出了全光 学电压互感器温度、振动等环境适应性及长 期可靠性问题的解决技术方案。 1全光学电压互感器原理及关键技术 1.1 全光学电压互感器原理Pockels 效应是指某些光学晶体材料在 外加电场作用下，其折射率随外加电场发生 变化的一种现象，亦称为线性电光效应。当 一线偏振光沿某一方向入射处于外加电场中的电光晶体时，由于 Pockels 效应使线偏 光入射晶体后产生双折射，这样从晶
12、体出射 的两双折射光束就产生了相位延迟，该延迟 量与外加电场的强度成正比，通过检测该相 位差即可得知外加电压/电场的大小。如图1 所示。图 1 Pockels 效应原理图1.2 关键技术OVT 研制难度大，下面主要从光路、 光学器件、工艺及工程应用设计方面进行研 究，解决 OVT 温度、高压绝缘及工程应用 等关键技术问题。主要包括：1）利用 Pockels 双偏振复用光路测量， 通过双极光路误差抑制技术，提高产品的准 确度光学电压互感器创新双偏振复用光路 的干涉解调技术，显著降低了光学晶体热特 性、应力特性对精度的影响；光学闭环反馈 控制回路可以使SLD光源输出功率更稳定, 有效地控制了 SL
13、D 光源中心波长的漂移现 象。对双光路信号中的交流量和直流量同时 获取,减少模拟电路受温度漂移和带宽限制 的影响。图 2 双极光路2）优化敏感元件锗酸铋（BGO）处理工 艺,提高稳定性及可靠性通过 BGO 横向调 制技术测量电压, BGO 敏感晶体的工艺处 理及封装固化为核心技术之一,通过大量的 试验及工艺改进,突破工艺难题,实现工程 化长期稳定性产品；3）突破金属化光纤气密技术及零电位 安装非接触电压测量,根本上解决高压绝缘 难题，全球首次实现高压GIS 一体化集成技 术，并实现独立式（图3所示）、GIS罐体 式（图4所示）及嵌入式安装方案（图5所 示），节省空间 90%以上，可大幅度较少尺
14、 寸、降低成本，并具有突出绝缘优势，测量 准确度可达到0.2/3P,并实现组合式光学互 感器（图 6 所示）；图 3 独立式 OVT图 4 罐体式 OVT图 5 GIS 嵌入式 OVT 图 6 组合式光学互感器4）全光学电压互感器的故障主要为器 件或部组件的失效为主，可分为三部分，包 括光路故障、硬件或光电子器件故障以及采 集电路故障。其中，光路故障包括光纤断裂、 光学元器件损坏造成的无光或者光功率衰 减；采集电路故障包括 AD 和 AD 驱动电路 损坏。全光学电压互感器设计了在线实时自 诊断系统，这些故障均可以进行有效诊断， 从而能够及时向后端发送故障报警信号，避 免由于互感器本身故障造成的
15、保护误动。5）创新特种光学器件、部件制备和高 压电场等势腔的独创性工艺技术，攻克高低 温、振动及电磁干扰等环境适应性难题。在光学电压互感器中，分立的光学器件 如光学棱镜、波片等，光学器件微位移带来 的光路偏差角以及系统干扰双折射等因素 会严重影响系统稳定性。通过高精度全光纤 四分之一波片制备，补偿了光纤敏感线圈温 度变化引起的标度因数漂移;采用Lyot消偏 器消除了光路偏振态受温度、光纤振动等因 素引起的光功率波动，解决了光学电压互感 器对温度、振动等环境的适应性与长期稳定 性难题。PBS 和四分之一波片的制备及温度补偿 技术 错误！未找到引用源。7 所示的结构中，以 两个90全反射棱镜构成的
16、入/4反射延迟 器取代了普通的九/4波片，这样，不仅使 测量装置的结构更紧凑，便于安装固定，而 且两个90全反射棱镜构成的九/4反射延 迟器与传统的入/4波片相比，可以大大改 善光学电压互感器的稳定性。光学电压互感器准确度会随外界温度 而变化，为了降低温度的影响，本项目通过 改变制备的四分之一波片相位角的方法，实 现与敏感元件对标度因数的影响大小相等， 符号相反，补偿了标度因数随温度的变化 （见图 8）。通过四分之一波片的制备与温度 补偿，将装置全温度范围误差由 1%提高至 0.2%。图 8 四分之一波片功能示意图 采用高压电场等势腔技术，将干扰电场 对精度的影响减小 2 个量级以上。特别是 llOkV三相一体GIS旁路干扰非常大，通过 等势腔抗干扰技术，从根本上解决工程现场 电磁干扰问题。图9 等势腔电场屏蔽技术1. 3 试验验证情况我国光学电压互感器研制处于世界先 进水平，开发出全
