光学互感器研究现状

郑伟光

(广东深圳供电局，深圳 518000)

1 引言

随着世界电网水平的不断发展，对电力系统中的电压互感器要求也日益提高。目前电力系统中广泛使用的是电磁式电压互感器和电容分压式电压互感器，这两类电压互感器在多年的运行过程中也暴露出了一系列的缺点。鉴于目前使用的电力互感器的诸多缺点，人们一直在寻求一种安全可靠、理论完善、性能优越的新方法来实现高电压大电流的测量。为了简单地解决高低压之间的绝缘问题，简化互感器的整体结构和减小体积与成本，光学互感器是一种具有良好发展前景的解决方案。近年来，光纤技术、光电子技术和微电子技术的发展，为光学互感器的发展奠定了基础。

2 光学互感器研究现状

尽管早在发现法拉第(Faraday)效应和泡克尔斯(Pockels)效应不久后就有人提出用光学原理来测量高压电压和电流的想法，但由于受到当时技术条件的限制，其研究仅限于试验和设想阶段。直到20世纪70年代，随着半导体集成电路技术、激光技术、光纤传输和传感器技术的出现，光学互感器才进入了实用化研究的时期。特别是从80年代后期开始，光学传感技术在电力系统中的应用研究取得了突破性进展。美国、日本、法国及前苏联等国先后研制出多台实用性的光学电压互感器(OVT)和光学电流互感器(OCT)样机，并在实际高压电站进行了挂网试运行。1988年11月，IEEE学会在美国新奥尔良召开的“光纤传感器专题会议”上，来自世界各国的众多专家学者报告了各自关于OVT和OCT的最新研究成果，标志着光纤电力互感器将从实验室走向工业现场，开始进入其发展时期。

近15年来，世界各国的大公司及高等院校，如瑞典的ABB公司、法国的GECALTHOM公司、加拿大的NxtPhase公司、日本的东电、住友公司、我国的上海互感器厂、清华大学、华中科技大学、西安交通大学、北方交通大学、北京航空航天大学、燕山大学等都投入了大量的人力财力和物力从事OVT和OCT的研究和开发，并取得了大量阶段性的成果，设计制作了各种不同原理、不同结构的OVT和OCT推动了光学互感器的实用化进程。

2.1 国外光学互感器研究现状

国外的OVT研究起步较早，依靠其雄厚的科研能力和经济实力，在新型电力互感器领域的研究取得了诸多可喜成果。

1986年，日立公司研制出利用锗酸铋 BGO(Bi2GeO20)晶体Pockels效应的光学电压互感器。采用电容分压式结构，测量电压为70kV，在0～500kV的被测电压范围内，比差为±0.2%，在－20℃ ～+60℃的温度范围内，其误差小于±1%，并在GIS系统中试运行。次年，日本东电公司利用铌酸锂(LiNbO3)晶体作为敏感元件，研制出用于GIS系统中的300kV电压互感器，其参数指标同日立公司的成果接近。

1987年，美国在田纳西州电管局所属的Moccasin电站首次安装了三相161kV全Faraday磁光型组合式光学电压/电流互感器。日本的NGK公司则研制成功地压组合式光学零序电压/电流互感器。

1995年，法国的 GECALSTHOM公司在美国的Bonneville安装了525kV的组合式光学电压/电流互感器。同年，在加拿大魁北克安装了345kV的分立式电流/电压互感器。其后，又陆续在荷兰、比利时、法国等国的变电站挂网试运行。

1997年，瑞典ABB公司推出了额定电流2000A的115～550kV的组合式光学电压/电流互感器。其电流的测量采用基于Faraday磁光效应的块状玻璃光学电流传感器，电压测量采用基于Pockels纵向电光效应的光学电压传感器(其原理如图1所示)，该公司还研制出有源型数字OCT和OVT，已经有了很多挂网试运行的经验。

图1 基于Pockels效应的电压测量系统

2000年，美国Nxtphase公司在哥伦比亚安装了额定电压为230kV的新型OVT和OCT，其电压测量采用三个分布式电场传感器经过信号处理后实现，电流测量采用类似光纤陀螺的Sagnac效应原理。电压测量实现了在0.5% ～120%额定电压范围内±0.2的精度，已经满足了IEC60044－7中对OVT的精度要求。

2003年，ABB公司的研究人员利用模间干涉和白光干涉技术设计实现了额定电压为170kV的气体绝缘型电压传感器，当被测电压为1kV以上时具有±0.2%的测量精度。

综合以上的研究现状可以看到国外在OVT的研究方面起步早、投入大，无论在传感原理和实际经验上都处于领先地位，ABB和NxtPhase等大公司已经推出了具备实用化水平的样机，这对我国OVT产业的发展是一个严峻的考验。

2.2 国内光学互感器的研究现状

我国的OVT的研究始于上世纪80年代，先后有清华大学、华中科技大学、大连理工大学、哈尔滨工业大学、华北电力大学、燕山大学等高校做了大量的理论和实际研究工作。国内一些大型的电力生产部门，如南瑞集团、北京电科院、上海互感器厂、沈变互感器厂、保定天威保变集团等，凭借多年生产互感器的经验，利用他们的设备和经济实力，纷纷开展了独立研究或同高校合作方式的新型电力互感器的研究。

1989年，沈阳互感器厂研制的电子式电流互感器在四平挂网试运行，创造了国内光学互感器首次挂网运行的记录。

1991年，由清华大学和北京电科院联合研制的110kVOCT通过国家鉴定并挂网试运行。不仅如此，清华大学在廖延彪、罗承沐等教授的主持下，对Pockels晶体材料的热应力效应、传感头的组装工艺、补偿技术和接口技术等也进行了深入的理论和实验研究，推动了基于Pockels效应原理的光学电压互感器研究。

1993年，华中科技大学电力系在叶妙元、李开成等教授主持下，与广东省新会电力局合作研制出单项110kVOVT和OCT样机，并于同年在新会电力局挂网试运行。随后，在1998年，华中科技大学基于电容分压式的110kVOVT在广东三江变电站挂网试运行，并在国内率先开展了组合式OVT/OCT的研究工作。近年来，西安交通大学和上海大学都对基于块状玻璃的Pockels效应原理的光学电压传感器探头的电场进行了分析计算，研究了互感器内部电场分布对测量精度的影响。

2005年，华中科技大学在刘延冰等教授的主持下，采用纵向Pockels效应制作光学电压互感器，并对双光路输出的纵向Pockels器件进行了实验，实验结果表明该纵向Pockels器件在200～600V范围内的测量准确度优于0.2%与精密分压器配合使用，可用做高压下的电压互感器。

3 光学互感器的优点

光学互感器乃是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电力系统电压测量的新型互感器，是信息技术、计算机技术、新材料技术与传统工业相结合的产物，是一种有别于传统互感器的新型电力设备，是一种光、机、电相结合的高科技产品。与常规的电磁式和电容分压式电压互感器相比，光学互感器具有诸多优点［1，2］。

3.1 高低压完全隔离，安全性高

光学互感器是将高压侧信号通过光纤传输到低压侧的二次设备，这使得其绝缘结构大大简化，尤其是随着电压等级的提高，其性价比优势更加明显。光学互感器彻底实现了高低压间的电气隔离，不存在电压互感器二次回路短路给设备和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。气体绝缘传输线(GIL)中光学传感器的布置如图2所示。

图2 气体绝缘传输线(GIL)中光学传感器的布置

3.2 无铁芯，不存在磁饱和和铁磁谐振

由于光电互感器在原理上与传统互感器有着本质区别，一般不需要铁芯做磁耦合，因此消除了磁饱和及铁磁谐振现象，而使互感器运行暂态响应好，稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。

3.3 功能齐全、测量精度高

光学互感器能同时用于电压的测量和保护两种功能，不必使用多个不同用途的测量结构就可以同时满足计量和继电保护的需要，并且可以将电流和电压的测量组合到一起构成组合式光学互感器，这对于传统互感器而言是不可能的。

3.4 频率响应快、动态范围大

光学互感器的传感头部分的频率响应取决于光纤在传感头上的渡越时间，实际能测量的频率范围主要决定于电子线路部分，这使得光学互感器能够满足测量高压电力线路上的谐波和脉冲暂态电压。

3.5 无易燃、易爆等危险

光学互感器的绝缘结构相对简单，一般无需采用油作为绝缘介质，没有潜在的引起火灾、爆炸的危险。

3.6 体积小、重量轻

因为无需铁芯及绝缘油，光学互感器的重量一般只有常规电磁式PT重量的十分之一，且体积小、运输安装方便。

3.7 无污染、无噪声

具有优越的环保性能由于光学互感器中信号是通过光来传输的，因此不会产生噪声、电磁波等污染源。同时，可以采用硅橡胶绝缘子和SF6气体等作为绝缘介质，替代传统的瓷套绝缘子和绝缘油，甚至可以做成无气无油的光学互感器，这样可以大大降低这些配套设备生产过程中带来的环境污染，具有优越的环保性能。

3.8 适应了电力系统智能化的需要

光学互感器可以根据需要输出低压模拟量和数字量，可以直接用于微机保护和电子式计量设备，在变电站综合自动化中具有明显的应用优势。

4 光学互感器存在的问题

光学互感器广阔的发展前景吸引了国内外众多科研机构和高等院校投入精力进行研究，经过多年的发展，在光学互感器的研究方面已经取得了巨大进步，技术已经趋于成熟。但是，目前仍然没有实现广泛的工业应用，究其原因主要是光学互感器还存在以下问题［3，4］:

(1)温度稳定性和长期运行的可靠性是当前光学互感器在实际运行中遇到的最大困难，也是最难以解决的问题。

(2)光学互感器中采用的激光二极管LD(Laser-Diode)发光功率和中心波长都会受到环境的影响而变化，导致总的双折射相位延迟发生变化，带来测量信号的不准确。

(3)传输光纤在受到如震动、连接器及光纤和光纤、光纤和光源的耦合变化等造成光纤内传输能量的转换等，降低了系统的稳定性。

(4)为了实现可靠的绝缘，光学互感器往往是置于一定气压的绝缘气体(如SF6)中，气体气压变化会对光学晶体产生气压双折射，为测量结果带来影响。

(5)光学系统中的光电探测器的响应线性度以及长期工作稳定性也为光学互感器引进了额外的测量误差。

(6)采用光学晶体的互感器，在系统组装过程中偏振角度的对准、连接粘胶的长期稳定性和粘接的一致性等都会为光学互感器带来测量误差。

(7)光学互感器一般输出都是驱动能力较小的小功率模拟信号或数字信号，同现有的电力二次设备接口不统一，也是制约光学互感器广泛使用的一个重要因素。

5 结论

(1)综观国内外的研究现状，国外在OVT的研究方面成果显著，尝试的原理和方案比较多，尤其是欧美国家凭借其多年的经验积累和相关学科的技术优势，经过多年的研究，OVT已经趋于实用化。而我国近年来在高压互感器(包括电压互感器和电流互感器)的研究领域同国外相比一直处于落后状态，目前对OVT还主要集中在Pockels效应原理的方案上，缺乏其他方法的研究工作经验，特别是在实用化发面的研究进展缓慢。

(2)光学互感器相比传统互感器具有很多明显的优点，但也不可避免的存在一些问题，在研究中应设法解决。

(3)随着我国经济的发展，电力输配电系统对光学互感器的要求也将日益迫切，这必将导致我国在光学电力互感器方面主要依靠进口，对我们的经济建设和发展是很不利的。所以进一步研究光电互感器的新方法、新理论，并尽快实现实用化和产品化是一项非常有意义的研究课题。

［1］叶妙元.光电互感器(一)——21世纪电力系统电压电流测量的基本设备［J］.广东输电与变电技术，2003(4):11－16.

［2］叶妙元.光电互感器(二)——21世纪电力系统电压电流测量的基本设备［J］.广东输电与变电技术，2004(1):4－8.

［3］罗苏南，叶妙元，徐雁.光纤电压互感器稳定性的分析［J］.中国电机工程学报，2000，20(12):15 －19.

［4］李开成，叶妙元，詹琼华，等.光纤电压互感器中电光晶体对测量精度的影响［J］.光电工程，2000，27(4):67 －71.