反射式500kV全光纤电压传感器设计及电场分析

电压传感器在电力系统中起着重要的作用，它是电力系统中不可缺少的基本设备，为电力系统提供用于计量、控制和继电保护所必需的信息 。随着电力系统向着超高压、大容量趋势的发展，传统的电磁式电流、电压互感器 在电力系统的安全运行、提高电能测量的精度和提高电力自动化程度方面日益显出它的缺点：体积庞大，重量惊人，绝缘结构复杂，存在铁磁饱和、铁磁谐振现象以及爆炸危险 J。因而，开发体积孝重量轻、性能优良，且能与现代光电通信技术兼容的电压互感器成为当前研究的热点。

光纤电压传感器作为-种具有极强的生命力和竞争力的电压检测装置，与传统的电磁互感技术相比，它具有抗电磁干扰，耐腐蚀，耐高压，防燃，防爆，测量精度高，可靠，安全，并可远距离现场测量等优点 J，越来越受到人们的关注。国外，瑞典的ABB跨 国公司、法国的 GEC ALTHOM公司、加拿大 的NXT Phase公司、日本的东电、住友等企业在光学电压传感器研究方面取得了诸多可喜成果，例如，K。

Bohnert等人成功研制了基于模间干涉原理的光纤电压传感器 ，Andrew Michie等人研究了基于热极化光纤的电压传感器 等。国内，自上个世纪80年代以来，科研工作者在光学电压传感器的研究方面也取得了长足进展，如清华大学的廖延彪、罗承沐教授等人先后和北京电科院、沈阳互感器厂合作开发了多种电压互感器l ；华中科技大学的刘延冰、叶妙元教授等人研制成功的多台电子互感器样项 目来源：浙江省 自然科学基金项 目(LY12F05006)；浙江侍育厅基金项目(Y201121906)收稿日期：2012-10-29 修改日期：2013-01-29第3期 王河林，杨爱军：反射式500 kV全光纤电压传感器设计及电场分析 343机在广东新会等地挂网运行 等。从测量原理来看，通常应用 Pockels效应和逆压电效应来测量高电压，其中基于逆压电效应的双模光纤电压传感系统，与传统的玛赫-泽德干涉系统相比，具有结构简单，不需要分离的参考臂，也不需要耦合器，受环境的干扰很小，测量的高压范围广，因而逐渐被采用。

考虑到高双折射保偏光纤具有较好的保俯生和高双折射特性，且被广泛的应用到-些传感测量系统中 ”]，如压力传感器，应变传感器和温度传感器等，本文建立在前期对双模( Pn。和 偶模)光纤电压互感器和电流互感器研究的基础上 1 引，通过应用高双折射保偏光纤中传输的两个正交线偏振模( 和L )干涉来取代双低阶模(LP0 和 偶模)干涉或者双臂光路干涉(玛赫-泽德干涉)，设计了-种基于石英晶体逆压电效应的反射式全光纤高电压传感器，给出了相应互感器的结构，分析了其工作原理，重点研究了不同结构的电压传感头的内外电场强度分布，讨论其绝缘生和安全问题，验证了其可行性。

1 反射式全光纤电压传感器结构及原理新型的反射式 500 kV全光纤电压传感器是基于石英晶体的逆压电效应，当把椭圆芯单模保偏光纤缠绕在压电石英晶体上时，待测高压电场作用使压电石英晶体产生周期性伸缩 ，进而引起高双折射单模光纤中两个正交线偏振模( 和 5 )之间的相位差发生变化，而相位差变化与电场存在线性关系，因此通过探测相位差的变化即可得到待测的高压信号，其结构和原理如图 1(a)和(b)所示。

(a)光纤电压传感器的结构图(b)原理图图1 光纤电压传感器超辐射发光二极管发出的低相干消偏光源经过光纤偏振器和 2×2保偏光纤耦合器后分成两路具有相同偏振态的线偏振光，如图 1(b)所示，其中-路线偏振光经过延时控制和 90。熔接点后其偏振态旋转了 90。，而另-路线偏振光经过 PZT压电陶瓷后其偏振态保持不变，这样在第二个 2×2保偏光纤耦合器的输出端形成了两个正交线偏振光，这两个正交线偏振挠着经过单向旋转的法拉第旋转器后，它们的偏振态都发生了45。旋转，旋转后的两正交线偏振光最后以平行于椭圆芯保偏光纤的快轴和慢轴的方式送人到椭圆芯单模保偏光纤中，便得到了两个正交线偏振模( 和 )。为了保证两线偏振模入射到传感头后其偏振态不变，必须使传感头中第-段传感光纤的快慢轴也相应的旋转 45。，而第二段传感光纤的快轴和慢轴相对第-段传感光纤的快轴和慢轴也应该旋转 90。，这样安排的目的是为了使反射光再次经过法拉第旋转器后的两正交线偏振模的偏振态相对于入射到传感头时两正交线偏振模的偏振态发生了90。的旋转，即是说，在第二个 22保偏光纤耦合器中，入射的两个线偏振模的偏振方向经过光纤传感头后都旋转了90。，如图 1(b)所示。反射后的两正交线偏振光再次经过相位调制单元后产生干涉，相干信号通过光检测单元进行解调，便可以得到要检测的电压信号。

由于石英晶体是压电晶体，且具有-个三重晶轴( -轴)和两个二重晶轴( -轴和y-轴)。设计电压传感头时，使电压传感头纵向传感轴与石英晶体的二重晶轴 轴重合，这样，当交变电压沿圆柱形石英晶体的 轴加上时，就会在 Y轴方向产生交变的压电应变，从而使晶体的沿圆周方向的f 线度发生相应的变化，其相对长度变化为 ：A， 1 -÷d1]E sin(∞ t) (1) tt. Z式中E 为沿 轴的电场强度的幅度，E U/h，h为沿 轴方向的石英晶体高度， 和 分别为待测高电压的幅度和频率，d。 2.31×10n m/V为石英晶体的压电系数。假设石英晶体的直径为 d，则未加待测高电压时，Z rd。

压电形变由缠绕在石英晶体表面的椭圆芯光纤传感，该光纤以不变的间距和确定的张力绕在传感晶体表面上，石英晶体的压电应变引起光纤纵向长度的变化，进而导致光纤中传输的两正交线偏振光问的相位差发生变化。相应的变化与电场的线积分rJ Eds成比例，积分路径沿传感头的传感轴方向。压344传 感 技 术 学 报 第26卷电晶体形变引起的两正交线偏振模间的相位差变化可由下式给出：6(△ )：-2r NAl，， (2)式中Ⅳ是光纤匝数， ： 是相移为27r时所要求的光纤长度的改变。假定电场是均匀的，则将式(2)代人式(1)可以得到：- - 铷 sin(∞ t) (3)式(3)为高压的调制幅度，由式(3)可见， (△ )正比于被测电压，因此只要测出 (△ )的大型可以得到被测电压。由于光敏探测器无法响应激光的高频率，所以待测场所产生的相位调制不可能直接被探测到，通常应先把相位调制转换为幅度调制，而后探测光强的变化即可得到相位的变化。

当高压电施加到石英晶体上时，两线偏振模场E 和 E 之间相位差的改变导致输出干涉模斑发生变化。若采用光纤陀螺技术中的开环相敏检波法，则探测的信号可表示为：， 1Vcos[ sin( )咖 sin( ) o ] (4)式中，，0正比于光源的功率， 是干涉条纹的可见度函数， 和 09 分别为用于解调的调制信号幅度和频率， 和 ∞ 分别为高压产生的周期性调制信号幅度和频率， 。 为两线偏振模场之间的静态相位差。利用贝塞尔公式：eiXSin(o)∑ e .， ( )Jo(X)2∑ )·cos(2rap)i2∑ ( )sin[(2n-1) ]，将式(4)进行展开，并结合式(3)可得：，：每 。 [6(△ ) [ (咖 )2∑J2n( )cOS(2n f)]- sin[6(△ )][2∑ -。( )sin((2n-1) )] (5)式中J ( )为第-类贝塞耳函数，式(5)表示信号光经探测器光电转换以后，传感器输出电压信号由无穷次谐波组成，而且每次谐波上都载有高压传感相移信息，其中，它的-次谐波 ，。和二次谐波 ，2分别为： -，0 ( m)sin( m )sin[6(△ )咖 ](6)，2，oW：( )cos(20) t)COS[ (△ )咖0 ]式中，.，，( )，J：( )为-阶贝塞耳函数，通过控制调制信号幅度 1.84 rad和 3.05 rad，可使式(6)中， ( )和J ( )获得最大值，考虑到两正交线偏振模之间的相位变化 6(△ )很小，因此在o 7r(k0，±l，-2)处 ， 和，2对6(△ )的灵敏度最高，于是，运用开环相敏检波法可得到输出的-次谐波和二次谐波信号幅度为：fvotK IovJ。( )sin[6(△ )] ， 、Vo K2IoVJ2(咖 )COS[6(△ )]式中，K。和 为信号检测单元的放大系数.运用式(7)，图2给出了相应的-次谐波和二次谐波信号的模拟结果。由图1可知，应用开环相相敏检波法，能有效的检测出待测的高电压信号，实现了设计的预期结果。

Phase shift 6(△ )图 2 模 拟的-次和二次谐波信号幅度与 电压致模 间相位差变化的关系2 反射式电压传感头的设计与电场分析对于高电压传感器而言，传感头的合理设计对光纤电压互感器稳定性和安全性取到了决定性的作用。由图 1知道，光纤电压传感头由金属电极、4块中30 mm(150 mm的压电石英晶体棒和环氧树脂筒(绝缘管)和法兰组成。对于传感头而言，除了稳定性之外，主要是与安全相关的绝缘问题，而绝缘性可以通过材料内部及表面的场强来反映。因此，针对提出的500 kV的光纤高压互感器，分析其传感头的电场分布极为重要。在设计传感头时，按照国际电工委员会的关于电压互感器的 IEC-60044-7标准，对于额定线电压为 525 kV(rms)的电压互感器，除要求能承受额定线电压外，还应在短期(如 1 min)内承受 680 kV(rms)的交流电压，以及峰值为 1 175kV切换脉冲电压和连续承受正负极性各 15次的1 550 kV雷电脉冲电压(8/20 s的雷电波形，1 550kv指的是峰值电压)〖虑到高电压加载到传感头上时，晶体的隔离作用使传感头中无电流存在，而且高压互感器是在工频电压下工作，电极间电压随时间的变化比较缓慢，因而计算时可按静电场来进行分析传感头内外的电场分布情况。

第3期 王河林，杨爱军：反射式500 kV全光纤电压传感器设计及电场分析 3473 结论- 种反射式的500 kV全光纤高电压传感器被合理设计，该光纤电压传感器基于石英晶体逆压电效应，采用电场线性积分的方式来测量工频高压，其光电系统能有效的和全光纤电流传感器结合起来 ，构成组合式的全光纤电压/电流传感器。基于所设计的光纤高电压传感头，通过分析其内外电场分布情况发现，在保证光纤传感头总长度(160 cm)和石英晶体的长度不变(15 cm)的情况下，电压传感头内采用长度递增 1 cm的电极时，能将传感头的内外电场强度分布降到 1.19 kV/mm和2.79 kV/mm，它们均低于空气和石英晶体的击穿电场强度(3.5kV/mm和>100 kV/mm)，从而提高了系统的绝缘性，保证了系统的安全，达到了设计的要求。该系统的成功设计，对将来实验和设计更高数量级的全光纤传感器起到了-定的指导作用。