一种提高光学电压传感器温度稳定性的方法

肖智宏 于文斌 张国庆 张祥龙 郭志忠 申 岩

（1. 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001 2. 国网北京经济技术研究院 北京 100052）

1 引言

在高电压领域，光学互感器有传统互感器无法比拟的优点，已成为当今互感器研究的热点，并有望在不久的将来成为主流产品[1-5]。目前，具有实用化前景的光学电压互感器主要是电容分压型光学电压互感器。基于 Pockels电光效应的体调制型光学电压传感器（Optical Voltage Sensor，OVS）是光学电压互感器的核心部件，其测量精确度的温度漂移问题一直是光学电压互感器难于实用化的主要原因之一[6,7]。根据光学电压传感原理，光学电压传感器属于开环测量系统。开环测量系统的高测量精确度依赖于传感系统各部分参数的高稳定性，传感系统任何一部分受温度影响而产生的变化，必然带来电压传感器输出信号的漂移，从而产生测量误差。

提高光学电压传感器测量精确度最直接的方法是采用参数稳定的结构和材料，但是由于技术和造价等方面的原因，这种方法目前还难以实现。目前，提高光学电压传感器测量精确度的方法主要是补偿方法[8-13]。这些补偿方法一般都是对传感系统的某个环节采取温度补偿措施。尽管在某种程度上这些补偿方法提高了光学电压传感器的测量精确度，但是温度对传感系统的影响存在很大的分散性和不确定性，所以补偿效果并不理想。

文献[14]提出了一种自愈光学电压传感器的设计。该设计中被测电压源和参考电压源分别作用于两套独立的光学电压传感单元上，利用参考电压源实现光学电压传感器的补偿功能。但是，现有工艺很难保证光学电压传感单元的一致性，温度等环境因素对两个独立光学电压传感单元的影响同样存在很大的不确定性和分散性，从而影响了该方法的温度补偿效果。该设计仅在+25℃～+50℃的温度范围内提高了光学电压传感器的测量精确度。

综上所述，现有光学电压传感器测量精确度的一致性和长期温度稳定性很难满足电力系统对电压测量精确度的要求。

为此，本文提出了一种提高光学电压传感器温度稳定性的方法，设计了一种自校准光学电压传感器（Self-calibration Optical Voltage Sensor，SOVS），通过设计基准电压源，使基准电压源与被测电压源串联共同作用于同一个光学电压传感单元，并通过远端采集模块对基准电压源进行准确测量，采用自校准算法获得自校准系数，利用此系数对光学电压传感单元测量的被测电压源的信号进行修正，使得光学电压传感器的电压测量结果的温度稳定性提高了一个数量级。

将SOVS应用于电容分压型光学电压互感器的设计中，能有效提高光学电压互感器测量精确度的温度稳定性，为实现电容分压型光学电压互感器的实用化提供思路。图1为基于本文设计的SOVS研制的电容分压型光学电压互感器，于2012年7月在河北承德 220kV智能变电站投运，至今已运行 20余月，运行稳定可靠。它的主体包括电容分压器和SOVS两部分。

图1 电容分压型光学电压互感器Fig.1 Capacitor divider optical voltage transformers

2 光学电压传感器的测量原理

光学电压传感器采用基于 Pockels电光效应原理的传感器，其测量原理如图2所示。光学电压传感器以 BGO电光晶体为传感材料，整个传感器包括起偏器、检偏器、λ/4波片和电光晶体四个主要部件。

图2 光学电压传感器的测量原理Fig. 2 Measuring principle of OVS

在外加电压U的作用下，各向同性的电光晶体变成了各向异性的双折射晶体。当波长为λ的光通过长度为l的电光晶体时，出射的两光束产生位相延迟

式中，n0为BGO晶体的折射率；γ41为BGO晶体的线性电光系数；d为外加电压方向的晶体厚度；Uπ为晶体的半波电压，且。

由式（1）可知，只要测出相位差δ，即可精确测出外加电压U的大小。

3 自校准光学电压传感器的设计

图3为图1所示的电容分压型光学电压互感器的结构示意图。其电容分压器采用新型叠压串并联结构[15]，由上下两节电容器构成，由完全相同的电容器元件构成。上节电容器C1和下节电容器的高压电容器C2的电容器元件采用叠压串联结构全部串联，下节电容器的低压电容器C3的电容器元件采用叠压并联结构全部并联。电容器C1、C2和C3采用串联方式耦合。

图3 电容分压型光学电压互感器的结构示意图Fig.3 Structure diagram of capacitor divider optical voltage transformer

电容分压器在下节电容器的低压电容器C3两端获得与一次高电压成正比例的低电压，作为SOVS的输入电压。本文设计的220kV的光学电压互感器的电容分压器的分压比约为0.003 2，在额定电压时，对应SOVS的输入电压在400V左右。在下节电容器的低压电容器C3两端并联设置一级瞬态过电压保护器件气体放电管，以吸收瞬态信号的大部分能量。SOVS安装在该电容分压器的底座内，并设置有屏蔽罩，实现对外界电磁干扰的屏蔽；通过光缆连接二次转换器、合并单元和激光电源等装置，实现与二次设备的电气隔离。

3.1 自校准结构设计

图3中SOVS的结构主要包括光学电压传感单元、基准电压源、远端采集模块、过电压保护模块和电源转换模块。

各组成模块间的连接关系描述如下：光学电压传感单元的上端电极为SOVS的一个电压信号输入端，过电压保护模块的接地端为SOVS的另一个电压输入端，该输入端为接地端；过电压保护模块的非接地输出端连接光学电压传感单元的下端电极；过电压保护模块的输入与基准电压源输出相连接；远端采集模块的输入端与基准电压源的输出端相连接，采集基准电压源输出的基准电压信号，并将采集到的电压信号转换成光脉冲信号输出至SOVS的校准信号输出端；光学电压传感单元的光源输入端是SOVS的光源输入端；光学电压传感单元的光学传感信号输出端是SOVS的感应信号输出端。

3.1.1基准电压源与过电压保护设计

基准电压源由信号发生电路和隔直放大电路构成，如图4所示。采用单片集成函数发生器芯片XR2206设计信号发生电路，它能产生高稳定度和高准确度的正弦波、方波和三角波等，这些输出信号受外加电压控制，从而可以实现振幅调制和频率调制。为避免被测电压信号的影响，信号发生电路输出与被测电压信号u1频率f1不同的正弦波信号。对于本文设计的光学电压传感器的应用，信号发生电路的输出通过隔直放大之后，产生有效值U2为7V、频率f2为800Hz的基准电压信号u2。基准电压源的输出通过过电压保护电路与光学电压传感单元串联。

图4 基准电压源及过电压保护电路结构示意图Fig.4 Structure diagram of reference voltage source and over voltage protection circuit

为防止包括雷击等瞬态过电压的破环，在设计上使用不同类型的瞬态抑制器构成两级保护：一级保护由气体放电管提供；二级保护由 TVS管构成的瞬态抑制电路提供，具体连接设置如图4所示。

3.1.2远端采集模块设计

远端采集模块采用成功运用在混合式光学电流互感器设计中的方案，测试和现场运行数据已表明该模块具有很好的温度稳定性[16,17]。

图5为其结构示意图，它包括前置调整电路、压频转换电路和电光转换电路三部分。前置调整电路接受基准电压源的隔直放大电路输出的基准电压信号u2，并将其调整至合适的范围输入压频转换电路，压频转换电路将接受的电压信号转换成频率信号，通过由HFBR—1414T构成的电光转换电路转换成光脉冲信号送出。

图5 远端采集模块的结构示意图Fig.5 Structure diagram of remote acquisition module

3.2 自校准方法实现

SOVS自校准方法的具体实现如下：远端采集模块准确采集基准电压源的输出电压信号u2，并将采集到的电压信号转换成光脉冲信号通过光纤由校准信号输出端传输至二次转换器，通过数字解调后得到高温度稳定性、高精确度的基准电压信号u2；二次转换器发出的光源通过光纤传输至光学电压传感单元的光源输入端，基于 Pockels效应原理的光学电压传感单元同时敏感电压信号u1与，并通过光纤反馈至二次转换器；二次转换器对接收到的光信号进行处理，获得感应被测电压信号和感应基准电压信号。

3.3 自校准系数计算

SOVS自校准系数计算的实现过程主要包括以下几个步骤：

（1）基准电压源产生频率为f2、有效值为U2的基准电压信号，二次转换器从SOVS的校准电压输出端接收的基准电压信号u2经过解调处理后，得到高温度稳定性、高精确度的电压信号，表示为

式中，n为数据样本的计数；tn为第n个数据的采样时间；φ2为远端采集模块采集的基准电压信号u2的初始相位。

（2）二次转换器从SOVS的感应信号输出端接收光学电压传感单元敏感获得的感应被测电压信号和感应基准电压信号，并对该信号进行数据处理，得到易受环境温度影响的感应被测电压和感应基准电压，分别表示为

式中，Δk为环境温度等外界影响因素引起光学电压传感单元的输出系数变化量，与敏感电压信号频率无关；φ1为光学电压传感单元敏感的感应被测电压信号的初始相位；U1为被测电压源输出电压信号的有效值；为光学电压传感单元敏感的感应基准电压信号u2'的初始相位。

（3）利用三角窗加权算法[18]和离散傅里叶算法，二次转换器实现对获得的感应基准电压信号和基准电压信号u2的多周期数据的有效值计算。较大的累加周期数改善了信噪比，使得有效值计算结果的稳定性和准确度得到了提高。

环境温度等外界影响因素引起光学电压传感单元的输出系数变化量Δk通过下式计算得到。

（4）利用上述系数对光学电压传感单元敏感的感应被测电压信号进行修正，得到几乎不受环境温度影响的输出电压信号为

式中，1+Δk为SOVS输出信号的自校准系数。

被测电压源输出电压信号u1除包含基波频率外，还可能包含其他高次谐波频率，上述计算方法同样适用。

4 自校准光学电压传感器的测试

4.1 误差测试

图6为SOVS的误差测试系统结构示意图，主要包括被测电压源、SOVS、环境温度试验箱（温控箱）、标准电压互感器、二次转换器、合并单元、数据采集卡、同步脉冲发生器和工业控制计算机。

图6 自校准光学电压传感器误差测试系统结构示意图Fig.6 Structure diagram of error testing system of SOVS

测试系统中，被测电压源产生被测电压信号，同时与SOVS和标准电压互感器相连接；SOVS敏感被测电压信号通过二次转换器得到光学传感电压信号，二次转换器将光学传感电压信号按照FT3格式进行数据组帧，采用异步方式通过光纤发送至合并单元，工业控制计算机通过以太网接受合并单元发送的SOVS敏感的光学传感电压信号；标准电压互感器将被测电压信号转换成模拟小电压信号得到标准电压信号，数据采集卡将标准电压信号通过PCI总线送入工业控制计算机；同步脉冲发生器产生同步秒脉冲信号，同时送入合并单元的同步输入端和数据采集卡的同步采样触发端，从而保证工业控制计算机接收到的SOVS敏感的光学传感电压信号和标准电压互感器测量的标准电压信号的数据同步；工业控制计算机通过软件对接收到的SOVS敏感的光学传感电压信号和标准电压互感器测量的标准电压信号的数据进行处理，得到SOVS敏感的光学传感电压信号和标准电压互感器测量的标准电压信号之间的误差结果。

4.1.1常温下的误差测试

在常温下，按照图7所示的SOVS的误差测试系统的接线图进行测试，按照电子式互感器国家标准GB/T 20840.7—2007的规定调整被测电压，按照SOVS输入电压 400V的 2%、5%、80%、100%和120%进行调整。

图7 自校准光学电压传感器误差测试系统Fig.7 The error testing system of SOVS

图8为0.2级测量用电压互感器与3P级保护用电压互感器比值误差和相位误差的联合允许误差限值曲线。由图可知，在不考虑温度变化时，SOVS的误差能满足测量0.2级与保护3P级的准确度基本要求。

图8 常温下自校准光学电压传感器误差曲线Fig.8 Error curves of SOVS under normal temperature

4.1.2温度循环下的误差测试

为考核SOVS的温度稳定性，测试时将SOVS置于环境温度试验箱中，在施加输入电压 400V的情况下，控制环境温度试验箱在-40～+70℃的温度范围内变化，每个温度点下稳定 30min，得到在-40～+70℃的温度范围内的误差结果如图9所示。图中校准前代表普通OVS测试结果，校准后代表SOVS的测试结果。

图9 温度循环时自校准光学电压传感器误差曲线Fig.9 Error curves of SOVS under temperature cycle

由图9可以看出，在-40～+70℃的温度范围内，普通OVS（校准前）的比值误差波动范围达到了2.5%，而SOVS（校准后）的比值误差波动范围则小于 0.25%。由于本文校准方案中的自校准系数仅对输出幅值进行补偿，所以不影响输出信号的相位，图9的测试结果也显示校准前后的相位误差基本一致，理论与试验结果吻合。

测量结果表明：在-40～+70℃的温度范围内，本文设计的 SOVS的测量误差小于±0.12%，明显减小了光学电压传感器测量结果受温度影响的程度。

4.2 绝缘测试

为考核SOVS的绝缘水平，按照互感器的相关国家标准，对SOVS进行了绝缘测试，测试要求及结果见下表。

表 自校准光学电压传感器的绝缘水平测试Tab. Tests of insulation level of SOVS

测试结果表明，本文设计的SOVS能满足电压互感器的对低压端子的绝缘要求。

5 结论

本文提出了一种自校准光学电压传感器，通过设计基准电压源，使基准电压源与被测电压源串联共同作用于同一个光学电压传感单元，从而实现光学电压传感器的自校准功能，解决了现有光学电压传感器测量精确度温度稳定性差的问题。

设计的自校准光学电压传感器减小了光学电压传感器测量结果受温度影响的程度，经过测试，在-40～+70℃的温度范围内测量误差小于±0.12%，能满足电压互感器测量精确度IEC 0.2级的要求。

将SOVS应用于电容分压型光学电压互感器的设计中，可有效提高光学电压互感器测量精确度的温度稳定性，为实现电容分压型光学电压互感器的实用化提供思路。

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