0 引言
隨著電力系統(tǒng)傳輸容量的增大和電壓等級(jí)的提高，保護(hù)、控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)通訊的一體化發(fā)展，傳統(tǒng)電磁式電壓互感器和電流互感器不僅體積、重量大，制造成本高，而且，因自身的傳感機(jī)理所限，呈現(xiàn)出種種難以克服的問題，很難滿足電力系統(tǒng)自動(dòng)化、數(shù)字化以及小型輕量化的發(fā)展要求。因而，在電氣工業(yè)中的信息傳輸、計(jì)測(cè)診斷、太陽(yáng)能電池等各種現(xiàn)場(chǎng)，均在逐步開發(fā)和有效利用新型光電技術(shù)。作為計(jì)測(cè)、診斷領(lǐng)域的典型實(shí)例有：光控?zé)o觸點(diǎn)探測(cè)器(光 PD)、光電式電流互感器(光CT)、光導(dǎo)纖維分布式測(cè)溫計(jì)、紅外線溫度計(jì)等。
利用光的計(jì)測(cè)、診斷技術(shù)，由于具有以下特點(diǎn)而尤其引人注目。(1)能實(shí)現(xiàn)測(cè)定點(diǎn)的電氣絕緣，對(duì)測(cè)定對(duì)象的干擾最小;(2)藉光學(xué)的信息傳輸，抗電磁波噪音的能力強(qiáng);(3)可望達(dá)到直流GHz(109Hz)級(jí)的頻率響應(yīng)。
本文的前面部分對(duì)充分發(fā)揮上述特色而相繼開發(fā)的傳感器，以及利用這種傳感器測(cè)量高電壓的光電技術(shù)進(jìn)行了描述;后面部分，則重點(diǎn)介紹了新型光電式電流互感器的組成與工作原理，并展示了目前的研制現(xiàn)狀和廣闊的應(yīng)用前景。
1 電光效應(yīng)及其應(yīng)用原理
1.1 電光效應(yīng)
在晶體上施加的恒定電場(chǎng)和頻率如遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光頻率的交變電場(chǎng)，則將引起組成介質(zhì)的粒子內(nèi)束縛電荷分布的顯著變化，影響到極化特性和微觀結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，影響到介質(zhì)或晶體的光學(xué)性質(zhì)。這就是電光效應(yīng)。電光效應(yīng)改變了介質(zhì)的電容率(介電常數(shù))，還可能使各向同性介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋?或者導(dǎo)致原有的各向異性性質(zhì)的改變，產(chǎn)生人工雙折射現(xiàn)象。這種由外加電場(chǎng)引起介質(zhì)折射率變化的效應(yīng)已成為光電調(diào)制器件工作的物理基礎(chǔ)。
電光效應(yīng)表現(xiàn)為普克爾斯(Pockels)效應(yīng)和克爾(Kerr)效應(yīng)兩種。Pockels效應(yīng)引起介質(zhì)折射率的變化，與外加電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，即，也叫線性電光效應(yīng)(應(yīng)用更廣);而Kerr效應(yīng)引起的折射率變化與電場(chǎng)的平方成正比例，即，故稱二次電光效應(yīng)。立方(3次)以上的高次項(xiàng)極其微小故可忽略。Pockels效應(yīng)和Kerr效應(yīng)兩者的大小不同，按構(gòu)成物質(zhì)結(jié)晶的對(duì)稱性或極化分子的結(jié)構(gòu)，僅凸出顯示其中的一種效應(yīng)。
電光效應(yīng)已在激光技術(shù)、光學(xué)信息處理和光通信等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。
1.2 應(yīng)用電光效應(yīng)的工作原理
將物質(zhì)中傳播的光波，分解為垂直于進(jìn)行方向的物質(zhì)固有振動(dòng)面上的2個(gè)偏振波(極化波)。
在某些物質(zhì)中，由于從外部施加的電場(chǎng)及其極化狀態(tài)的變化，將導(dǎo)致介質(zhì)常數(shù)的各向異性。從那里傳輸?shù)?個(gè)極化波所反應(yīng)的折射率也呈現(xiàn)各向異性，顯示出所謂的雙折射現(xiàn)象(電光效應(yīng))。
將2個(gè)波強(qiáng)度相等，且無(wú)相位差的直線偏振光(線偏光)向物質(zhì)發(fā)射，在物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生相位差以后，從物質(zhì)射出時(shí)合成2個(gè)偏振波，形成橢圓偏振光(圓偏光)。使用只透過某一特定方向偏波成分的檢偏器，對(duì)圓偏光進(jìn)行檢波。
電場(chǎng)的強(qiáng)度被轉(zhuǎn)換為光的強(qiáng)度(明暗)。電場(chǎng)E一旦達(dá)到，透過光的強(qiáng)度I0即為極大值。也就是說，對(duì)應(yīng)于相同電場(chǎng)(電壓)下，的值越小，光強(qiáng)度的變化越大。因而，將以此表示相應(yīng)于電光效應(yīng)靈敏度的指標(biāo)。Pockels效應(yīng)主要出現(xiàn)于固體物質(zhì);Kerr效應(yīng)主要表現(xiàn)在液體、氣體中。表1引出有電光效應(yīng)的物質(zhì)及其靈敏度指標(biāo)。
由于電場(chǎng)為矢量，測(cè)定的電場(chǎng)方向和光的傳播方向之間的關(guān)系列于表2。按橫型調(diào)制方式，可測(cè)定與光的傳播垂直方向的電場(chǎng)，特別是藉改變檢偏鏡的方向，能分離出正交的2個(gè)電場(chǎng)分量并進(jìn)行測(cè)定。因此，可用于測(cè)量電場(chǎng)。按縱型調(diào)制方式，則能測(cè)定與光的傳播方向平行方向的電場(chǎng)，從而，就能直接得到與光傳播路徑上的電場(chǎng)積分值成正比例的、也即與電位差(電壓)成比例的信息。
2 高靈敏度的計(jì)測(cè)
將電光效應(yīng)應(yīng)用于實(shí)際的計(jì)測(cè)，如表1所示，相應(yīng)于電場(chǎng)靈敏度很低，或因傳感器的介電常數(shù)比周圍介質(zhì)的介電常數(shù)大，施加于傳感器的電場(chǎng)小，難以獲得大的輸出等，故在很多場(chǎng)合需要開發(fā)高靈敏度的計(jì)測(cè)技術(shù)。
最近，光源中裝入相位調(diào)制器，由于引入了將調(diào)制信號(hào)重疊于光極化波之間相位差的方式(光相位調(diào)制方式)，將靈敏度極低的氣體Kerr效應(yīng)用于測(cè)量也是可能的。
藉聲光調(diào)制元件(PEM)對(duì)偏振波之間的相位差，用頻率f進(jìn)行調(diào)制。已透過檢偏鏡的檢測(cè)信息，由鎖定(lock-in)放大器同期檢波。
通過上述調(diào)制，可望達(dá)到以下效果：(1)只透過要測(cè)定的頻率范圍，可實(shí)現(xiàn)能增幅的理想帶通(band-pass)濾波器;(2)由于調(diào)制頻率的引入，可在噪音低的頻率范圍內(nèi)測(cè)定;(3)因?yàn)槭?8)所列的正弦函數(shù)形式，故在電場(chǎng)極小的0值附近靈敏度提高。這能改善信噪比(S/N)103~105 倍。
采用這種光相位調(diào)制方法(調(diào)制頻率f=50kHz)，能使激光5次往返而增大了光程長(zhǎng)度(5～13m)。由此，0.2～0.5MPa的六氟化硫 (SF6)、氮(N2)、CO2氣體中的直流均勻電場(chǎng)，以及大氣壓空氣中的50Hz交流電場(chǎng)均可進(jìn)行測(cè)定。大氣壓空氣中的最低檢測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度為 300V/mm(偏振波之間相位差為2×10-5rad)。
利用被測(cè)定空間介質(zhì)自身的Kerr效應(yīng)，因能非接觸式測(cè)定電場(chǎng)，故可以說，藉Kerr效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量是理想的計(jì)測(cè)方法。
在調(diào)制頻率為數(shù)10kHz場(chǎng)合下，測(cè)定帶域能對(duì)應(yīng)于工業(yè)頻率級(jí)，如調(diào)制頻率更高時(shí)，則對(duì)雷電脈沖等更快速的現(xiàn)象也能適應(yīng)。
3 傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用
圖3(a)所示為Pockels傳感器的一個(gè)實(shí)例，這是由Bi4Ge3O12(鉍鍺氧，BGO)結(jié)晶的波長(zhǎng)板緊貼著偏振光束分裂器(PBS)，通過微型透鏡連接光導(dǎo)纖維的一體化傳感器。BGO結(jié)晶如按表2的縱型調(diào)制方式配置，則能測(cè)定施加于光的入射面和出射面之間的電壓。因而，在結(jié)晶的兩面裝設(shè)透明電極，與施加電壓用的引線連接。在光源與傳感器之間采用保偏光纖;而在傳感器與受光部分之間，則用多傳輸模(multimode)光纖。
作為光源，有激光、LD(激光二極管)、SLD(超發(fā)光度二極管)、LED(發(fā)光二極管)等。這一順序是按光波的強(qiáng)度和相干(涉)性、由大到小排列的。在將光強(qiáng)度變換為電氣信號(hào)的受光部分，當(dāng)然，不僅要注意靈敏度，而且要注意其頻率特性。
若把兩根引線接到被測(cè)定對(duì)象，則形成一電壓測(cè)定器，如圖3(b)所示。傳感器本體裝入一對(duì)半球電極的內(nèi)部，并將引線接至每個(gè)電極。這樣，就可測(cè)定半球電極之間的感應(yīng)電壓。同時(shí)，傳感器的輸入靜電容(量)能達(dá)到PF(微微法拉)級(jí)，因而，也能用于放電電路內(nèi)電位差的測(cè)定。而且，圖3(a)的傳感器中未接引線時(shí)，如配置按橫型調(diào)制的Pockels結(jié)晶，則可構(gòu)成僅使用電介質(zhì)的電場(chǎng)傳感器。
針對(duì)傳感器的超小型化，還研制了Pockels結(jié)晶上的光波導(dǎo)電路。在YZ截面?zhèn)鞑サ腖iNbO3基板上設(shè)有寬7μm，長(zhǎng)500μm波導(dǎo)面，對(duì)此波導(dǎo)型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了開發(fā)。電暈放電下的電極表面電場(chǎng)的計(jì)測(cè)，以及表面放電時(shí)的絕緣物表面電場(chǎng)的計(jì)測(cè)均適用。
4 高電壓測(cè)量器
4.1 Pockels高電壓測(cè)量器
與原來(lái)落地式結(jié)構(gòu)不同的是，Pockels高電壓測(cè)量器采用圖4所示，從測(cè)定部位吊掛的輕量型高電壓測(cè)量器，具有適當(dāng)?shù)碾娮杪屎拖鄬?duì)電容率�？砂醋匀浑p折射小的縱型調(diào)制方式工作。使用了適合于高電壓測(cè)量的BGO結(jié)晶。8塊 的結(jié)晶串聯(lián)配置。施加其兩端的電壓無(wú)須分壓，是一種可直接測(cè)量的結(jié)構(gòu)。
檢測(cè)出的光強(qiáng)度與被測(cè)定的所施加電壓的關(guān)系式，采用式(5)那樣易于理解的三角函數(shù)表示。施加某一定電壓(半波電壓： Vπ = EπL)以上，光強(qiáng)度比與施加電壓之間不存在一對(duì)一的相應(yīng)關(guān)系，也即，不可能由光強(qiáng)比直接確定所施加的電壓值。在測(cè)定信號(hào)強(qiáng)的高電壓區(qū)，對(duì)高靈敏的測(cè)量更費(fèi)事，故需要解決這一課題。
半波電壓Vπ取決于傳播光的波長(zhǎng)而變化。利用這一特性，將波長(zhǎng)1.31μm，Vπ=75.5KV和波長(zhǎng)1.55μm，Vπ=91.0KV兩個(gè)波長(zhǎng)的光同時(shí)入射，觀測(cè)其輸出。由此，允許擴(kuò)展可測(cè)定的電壓范圍達(dá)到數(shù)MV。
Pockels高電壓測(cè)量器的優(yōu)點(diǎn)是完全不會(huì)受測(cè)量器周圍結(jié)構(gòu)部分的影響，而且，無(wú)論直流、交流或脈沖的高電壓，用一個(gè)裝置就能測(cè)定。今后應(yīng)該解決的課題是：存在結(jié)晶的壓電振動(dòng)可能導(dǎo)致光輸出的雜音重疊，如何抑制這一現(xiàn)象，目前正處于探討階段。
4.2 Kerr高電壓測(cè)量器
圖5為利用Kerr效應(yīng)的高電壓測(cè)量器(落地式)的概念圖。結(jié)構(gòu)上是將平行的平板電極配置于介質(zhì)(高氣壓的氣體)中。對(duì)上部電極施加被測(cè)定的高電壓，利用介質(zhì)的Kerr效應(yīng)而測(cè)量電極間所形成的電場(chǎng)。考慮到介質(zhì)密度的不均勻性和波動(dòng)產(chǎn)生的噪音，作為Kerr效應(yīng)的介質(zhì)，氣體要比液體更好。由于氣體Kerr效應(yīng)小，藉測(cè)定系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置100m左右的長(zhǎng)光程可提高靈敏度。但因局部放電，一旦產(chǎn)生離子，介質(zhì)的Kerr常數(shù)就會(huì)改變，故應(yīng)注意避免局部放電的發(fā)生。
5 光電式電流互感器及其工作原理
現(xiàn)在電力系統(tǒng)中普遍使用電磁式電流互感器(CT)測(cè)量一次側(cè)的大電流，二次側(cè)(副邊)為計(jì)量、控制、保護(hù)等設(shè)備提供電流信號(hào)，一般輸出電流小(5A或1A)。隨著電壓等級(jí)的提高和傳輸容量的增大，電磁式CT存在以下缺點(diǎn)：(1)絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、造價(jià)高;(2)動(dòng)態(tài)范圍小，出現(xiàn)的諧波暫態(tài)信號(hào)容易使保護(hù)誤動(dòng)作;線性度不好，電流較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，影響二次的保護(hù)設(shè)備正確識(shí)別故障;(3)輸出不能直接與微機(jī)化計(jì)量及保護(hù)設(shè)備接口;(4)易產(chǎn)生鐵磁諧振，易燃易爆等。和電磁式CT相比，基于光學(xué)技術(shù)、微電子技術(shù)、微機(jī)技術(shù)的光電式電流互感器，則具有無(wú)鐵芯、絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、體積小重量輕、線性度好、動(dòng)態(tài)范圍大、無(wú)飽和現(xiàn)象、輸出信號(hào)可直接與微機(jī)化計(jì)量及保護(hù)設(shè)備接口等優(yōu)點(diǎn)。這些正好滿足了電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，也正是今后發(fā)展光電式電流互感器的充分理由。
5.1 無(wú)源光電式電流互感器(OCT)
根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，光電式互感器是一種電子式互感器。從傳感頭有無(wú)電源的角度可區(qū)分為：無(wú)源式和有源式兩類。OCT主要利用了Faraday 磁光效應(yīng)。1846年Faraday首次發(fā)現(xiàn)：磁場(chǎng)不能對(duì)自然光產(chǎn)生直接作用，但在光學(xué)各向同性的透明介質(zhì)中，外加磁場(chǎng)H可使在介質(zhì)中沿磁場(chǎng)方向傳播的平面偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象被稱為磁致旋光效應(yīng)或Faraday效應(yīng)。
當(dāng)一束線性偏振光通過置于磁場(chǎng)中的Faraday旋光材料(如重火石玻璃)時(shí)，若磁場(chǎng)方向與光的傳播方向相同，則光的偏振面將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。
V為磁光材料的Verder常數(shù)，角度θ與被測(cè)電流成正比。利用檢偏器將角度θ的變化轉(zhuǎn)換為輸出光強(qiáng)度的變化，經(jīng)光電變換及相應(yīng)的信號(hào)處理，便可求得被測(cè)電流i，如圖6所示。
實(shí)際應(yīng)用中還有一種全光纖(all-fiber)式CT，其工作原理與OCT的相同，如圖7所示。
5.2 全光纖電流互感器(AFOCT)
光纖電流互感器(FOCT)同樣是基于Faraday效應(yīng)來(lái)測(cè)定電流的。因?yàn)椴捎霉饫w作為傳感介質(zhì)，故在絕緣性、抗電磁干擾、可靠性等方面，比傳統(tǒng)的電磁式CT有很大優(yōu)勢(shì)。而且，它還不含交流線圈，不存在開路危險(xiǎn)。以前，光纖CT的研究主要集中在磁光晶體結(jié)構(gòu)的傳感頭方案上。歐洲ABB公司研制出達(dá)到IEC標(biāo)準(zhǔn)0.2級(jí)晶體結(jié)構(gòu)的FOCT。近年來(lái)，北美Nxtphase公司已研制出超過IEC0.2S級(jí)的全光纖AFOCT;我國(guó)清華、華中科技大學(xué)也相繼研制出正常環(huán)境下精度為0.3%的塊狀結(jié)構(gòu)AFOCT。北航研制的新型AFOCT，傳感光纖采用共光路設(shè)計(jì)，因而具有較好的互易性和較強(qiáng)的抗干擾能力。全溫下比例因數(shù)變化< 0.5%。
AFOCT的結(jié)構(gòu)及工作原理：全光纖CT系統(tǒng)構(gòu)成如圖8。整個(gè)結(jié)構(gòu)按功能可分為光學(xué)傳輸、光學(xué)傳感頭和信號(hào)處理電路三部分。其中光學(xué)傳輸部分完成光信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換和干涉;光學(xué)傳感頭部分則傳感導(dǎo)線中的電流，并將它轉(zhuǎn)換為干涉光的相位信息;信號(hào)處理電路產(chǎn)生調(diào)制電壓;對(duì)信號(hào)進(jìn)行解算得到電流值。
SLD光源發(fā)出的光經(jīng)過單模耦合器后由起偏器起偏成為線偏光。線偏光以45°注入保偏光纖分別沿X軸和Y軸向前傳播。當(dāng)這兩束正交模式的光經(jīng)過 λ/4波片后，分別變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光進(jìn)入傳感光纖。由于受到導(dǎo)線中的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用，左右旋圓偏振光以不同的速度傳播，從而引起光波相位變化。光在由傳感光纖端面的鏡面反射后，這兩束圓偏振光的偏振模式互換，再次通過傳感光纖而再次受到磁場(chǎng)作用，使所受的作用效果加倍。這兩束返回的光再次通過λ/4波片后，恢復(fù)為線偏振光，并在起偏器處發(fā)生干涉。最后，攜帶相位信息的光由耦合器耦合進(jìn)入探測(cè)器。在整個(gè)光的傳播過程中，光都經(jīng)歷了保偏光纖的X 軸和Y軸與傳感光纖的左旋和右旋模式，只在時(shí)間上略有差異。
loss —光路損耗;P0 —光源輸出光強(qiáng);φm —調(diào)制相移;φf = 4NVI—法拉第相移，其中N為傳感光纖的匝數(shù)，V為Verder常數(shù)，I為導(dǎo)線中的電流。
5.3 有源光電式電流互感器
這是一種基于傳統(tǒng)互感器傳感原理，利用有源器件調(diào)制技術(shù)、以光纖為信號(hào)傳輸媒介將高壓側(cè)轉(zhuǎn)換得到的光信號(hào)送到低壓側(cè)解調(diào)處理，并得到被測(cè)電流信號(hào)的新型互感器。它既發(fā)揮了光纖系統(tǒng)的絕緣性能好、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，明顯降低了高壓、大電流互感器的體積、重量和制造成本，又利用了傳統(tǒng)互感器原理技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)，避免了純光學(xué)互感器光路復(fù)雜、穩(wěn)定性差等技術(shù)難點(diǎn)。
有源OCT的結(jié)構(gòu)原理：它是通過一次采樣傳感器(空心線圈或小CT，電阻分流器)將電流信號(hào)傳遞給發(fā)光元件而變成光信號(hào)，再由光纖傳遞到低電位側(cè)、變換成電信號(hào)以后輸出。高壓側(cè)電子器件供電方式有光供電、母線電流供電和太陽(yáng)能電池供電等。目前應(yīng)用最多的是采用空心線圈的有源式OCT，其組成原理如圖9所示。
空心線圈(Rogowski線圈)實(shí)際上是均勻密繞在一環(huán)形非磁性骨架上的空心螺管線圈。這是由Rogowski.w.等人提出的，其輸出電壓正比于被測(cè)電流的變化率。
6 應(yīng)用前景
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)提出了更高要求。為了協(xié)調(diào)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，高電壓、長(zhǎng)距離輸電勢(shì)在必行。這就對(duì)承擔(dān)著計(jì)量和保護(hù)重要責(zé)任的互感器也提出了更高要求。新型電子式互感器的優(yōu)點(diǎn)正好滿足了電力發(fā)展的需要。它將隨著加工工藝、材料工藝的提高，微電子技術(shù)、微機(jī)技術(shù)、光電子技術(shù)的發(fā)展，在電力系統(tǒng)將有著廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 日高幫彥，利用光傳感器的高電壓測(cè)量技術(shù)，《電氣評(píng)論》2005，No.7
[2] 陳卓婭，趙玉富、谷曉冉，任穎，新型電子式電流互感器，《河南電力》2006，No.1
[3] 袁玉廣，馮麗爽，王夏霄，姜中英，全光纖電流互感器，檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，《光電工程》2006年，No.5. |
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