高精度光学电压互感器技术及应用

陈波，李俊一，王军龙，于文鹏，魏晓邢

（1.南方电网科学研究院有限责任公司智能电网研究所，广东广州 510663；2.北京航天控制仪器研究所，北京 100854；3.北京市光纤传感系统工程技术研究中心，北京 100094）

高精度光学电压互感器技术及应用

陈波1，李俊一2，3，王军龙2，3，于文鹏2，3，魏晓邢2，3

（1.南方电网科学研究院有限责任公司智能电网研究所，广东广州 510663；2.北京航天控制仪器研究所，北京 100854；3.北京市光纤传感系统工程技术研究中心，北京 100094）

主要介绍了0.05级高精度光学电压互感器的技术方案、关键技术以及装置的实现。目前，该装置已经通过了国家高压电器质量监督检验中心的精度试验，准确级达到0.05/3P；光学电压互感器作为标准源已在广西钦州排岭220 kV智能变电站挂网应用，实现了对榄坪II线A相电子式电压互感器的在线校验，校验数据通过MMS网络向后台发布，结果表明，被校电子式电压互感器与标准光学电压互感器比值误差小于0.2%，相位误差小于10′，满足0.2级准确度要求。

光学电压互感器；泡克尔斯效应；数据预处理算法；在线校验；MMS网络

电压互感器是电力系统中进行电网信息采集的关键设备。随着特高压技术的快速发展，电网运行电压等级不断提高，传统电磁式和电容分压式电压互感器呈现出越来越多的问题。其中，电磁式电压互感器绝缘结构复杂，体积庞大，生产成本大幅上升，容易发生磁路饱和，测量准确度不易满足，会产生铁磁谐振，存在潜在的爆炸危险；电容分压式电压互感器的暂态特性和误差特性较差，不易满足短路时继电保护的要求。除此之外，这两种电压互感器获取的电压信号均是模拟量，无法与数字接口兼容，不满足智能电网的要求。近些年，由于光纤传感技术的不断发展，光学电压互感器越来越受到人们的青睐，其采用光学晶体作为传感头敏感电压，使电网与测量电路有效隔离，避免了二次短路的危险；此外，其绝缘结构简单、无磁饱和、动态范围宽、测量精度高、频率响应范围宽、输出数字化、体积小易集成等优点受到普遍关注，并逐步在现场试点运行[1-2]。

互感器在变电站中起着给后续计量、保护及监控设备提供信号的重要作用，其运行的稳定性是尤为重要的。电子式互感器与传统互感器原理不同，不能采用传统的校验方法和设备进行校验。而且，传统互感器由于结构相对简单，技术相对成熟，一般是采用定期停电检修校验的方法，期限可能为10年甚至更长。但是，电子式互感器采用了大量的电子元器件或光学器件，稳定性受到一定的限制，不论是从电能计量还是保护的应用考虑，都不能采用传统互感器的定期校验的方法，而是在必要的时候应该随时对其误差特性进行校验。

由于目前不论是传统互感器还是电子式互感器的校验基本都是在离线状态下进行校验，缺乏在线检测电子式互感器性能的有效手段和校验规范，限制了电子式互感器的性能检测、提高及完善，也制约了其在智能变电站中的推广应用。目前，在智能示范站中，采用部分传统互感器代替电子式互感器，如果长期发展下去，将会严重阻碍电子式互感器的发展。

目前，对电子式电压互感器在线校验的研究较少，有专利提出一种电子式电压互感器在线校验系统[3]，通过自动升降装置将标准互感器与一次母线完成自动搭接，实现电子式电压互感器的在线校验。然而，由于标准互感器采用传统电磁式电压互感器，因而带电接入电网时可能产生铁磁谐振，给带电操作带来危险。且当电压等级较高时，设备体积大、重量重，不利于现场使用。还有专利采用环形电场传感阵列作为电压传感单元，无需与一次导线直接相连，而是通过电磁感应的形式获取一次电压信号，不会对线路的正常运行产生影响[4]，但是环形电场传感器本身是电子设备，自身会引入电磁干扰，影响测量精度。

采用基于Pockels效应的0.05级高精度光学电压互感器作为标准源，与被校电容式电压互感器同相建设，实现长期实时、远距离地掌握该电容式电压互感器的运行状态和误差数据，尽早发现被校电压互感器的误差超差情况，可以在其失效前进行故障诊断，有效提高智能变电站计量、测量和保护装置的运行稳定性及可靠性，为制定电子式互感器在线校验技术规范，促进我国电子式互感器在线校验型式鉴定试验标准的不断完善提供有力的技术支撑。

1 高精度光学电压互感器技术

1.1 高精度光学电压互感器技术方案

光学电压互感器基于泡克尔斯（Pockels）效应，当一束线性单色偏振光通过有外加电场的锗酸铋（BGO）晶体时，入射光束分裂成初相相同、振动方向相互垂直的两束光，这两束光在晶体中的传播速度不同产生了相位差，该相位差正比于加在晶体上的电场或电压，利用偏光干涉的方法可将相位差转变为出射光强的变化来检测。考虑采用BGO晶体横向调制，有：

式中：λ为光波波长；n0为晶体的折射率；l为晶体通光方向的长度；d为晶体沿施加电压方向的厚度；γ41是晶体材料的线性电光系数；E为晶体所处的外加电场的场强；V为晶体上外加电压的大小；Vπ为晶体的半波电压（是指由泡克尔斯效应引起两光束产生相位差为180°时所需外加电压的大小）；δ为由泡克尔斯效应引起的双折射两光束的相位差。由式（1）可见，通过检测该相位差即可得知外加电压的大小。

光学电压互感器原理如图1所示，输入光经过起偏器后，形成偏振光，在外加电场的作用下，入射BGO晶体的光分解成初相相同、偏振方向相互垂直的两光束。由于两光束在晶体中的传播速度不同，因此从晶体出射时产生了相位差。但因为两双折射光束的偏振方向不一致，不能直接产生干涉，需要采用检偏器使它们的偏振方向一致，成为同频率、同方向的相干光束，产生干涉信号，进入检测及解调回路，经过光电探测器和一系列的电路处理、误差抑制等关键步骤，将电压信号解调出来[5-8]。本技术方案采用1/4波片、双光路补偿技术、高精度光路集成工艺技术、温控结合温补技术解决了光学电压互感器输出线性化与长期稳定性问题，实现了高精度的稳态与暂态性能，稳态精度达到IEC 0.05级。

图1 光学电压互感器原理Fig.1 Principle of the optical voltage transformer

1.2 0.05级光学电压互感器关键技术

1）光学电压互感器中相位延迟的环境适应性

在图1所示光学电压互感器中，四分之一波片用来产生圆偏振光，从而可以在后续的晶体中使两个正交线偏振所受到的相移不同。因为温度不能控制恒定，四分之一波片无法保证准确的90°相位延迟，从而使两正交线偏振光波之间产生了误差。为有效解决该问题，采用了如图2所示的两个90°全反射棱镜构成的四分之一反射延迟器，取代普通的四分之一波片，延迟量不再受温度影响，从而可以大大改善互感器的稳定性[9]。

图2 全反射棱镜Fig.2 Total reflection prism

图2中，光线通过全反射棱镜内所产生的相位延迟为：

式中，n为棱镜的折射率。全反射棱镜几乎是消色差的，因为棱镜内的相位延迟也不依赖于波长，因此比普通的四分之一波片更稳定。

2）光学电压互感器集成工艺技术

光学电压互感器所有的光学组件，包括BGO晶体、全反射棱镜、偏振器、自聚焦透镜等均由光学粘胶胶合而成。由于各光学部件光学面的光洁度和平行度由制造厂家的制作水平决定，其精度受到其制造工艺的限制；另一方面，光学粘胶的固化时间较长，由于光学仪器及光学工具的限制，在粘接过程中各光学部件间的微小位移无法避免。所以，选取的光学粘胶应具有粘接力大、机械强度高、耐高低温性能好、化学稳定性强等特点。与此同时，粘接前后各光学部件产生的微位移必须控制在容许的偏差角内，尽量使偏差角减到最小，以避免给系统带入误差[9]。

3）光学电压互感器输出相位延迟补偿技术

在实际应用中，光学电压互感器同时受到传感头结构、BGO晶体自然双折射、光路系统等各种干扰因素的影响。此时，晶体内所有双折射的总相位延迟，包括泡克尔斯效应引起的相位延迟δ、弹光效应引起的相位延迟δS及晶体自然双折射产生的相位延迟δN。此外，上述分析的由2个三角形棱镜组成的π/2相位延迟器同样也是存在误差δR的。将所有干扰双折射的总和设为δe，则有：

式中：Ii为入射光经起偏器后的光强；Io为从检偏器出射的光强；ψ1、ψ2分别为检偏器和起偏器的偏差角。将sin（δ+δe）按Taylor级数展开得到：

由上式可知，其输出结果中除了反映被测信号的基波成分和反映干扰双折射的直流成分外，还有被测基波的倍频信号，且其基波及倍频成分的幅值均与干扰因素δe有关。将所有倍频成分的总和用Δ表示，则有：

这样，由检偏器输出的两路光的光强表达式应为

根据双光路补偿技术方案可以得到

其中，k为与电路放大相关的系数为

可见，双光路处理后的干扰双折射对光学电压互感器的输出是无法完全消除的[10-12]，且δe的大小随温度变化而变化[13]，还需要通过在电路上对关键光学组件进行温控的方式将δe的变化控制在很小的范围内，然后再结合温补方式对光学电压互感器输出进行相位延迟补偿。同时，在算法上优化标度因数，使得光学电压互感器的精度达到IEC0.05级。

1.3 高精度光学电压互感器实现及准确度检测

0.05 级支柱式光学电压互感器如图3所示。采用绝缘套管进行支撑，光学敏感头置于壳体零点安装，与高压电极不直接接触，也不需要分压，直接在壳体零电位敏感壳体内壁的电场，高压电极通过高压套管将高电压引出SF6气室，通过绝缘盆安装固定，光学敏感头安装在罐体上，罐体接地，内部通过SF6绝缘，SF6气体密度通过气密表实时监测。由于基于电场测量，敏感头与高压电极不需要固体连接，也不需要电容、电阻分压，光学敏感光路采用灵活冗余配置。光学敏感头输出通过光纤引至电气单元安装箱中，电气单元实现光源控制回路、检测及解调回路，采用220 V直流供电[14-15]。

图3 0.05级支柱式光学电压互感器Fig.3 The pillar-type optical voltage transformer of 0.05 accuracy class

光学电压互感器在国家高压电器质量监督检验中心进行了基本准确度试验，并取得了检测报告，如图4所示。试验原理如图5，参照GB/T 20840.7-2007、JJG 1021-2007和JJG 314-2010 标准要求，对光学电压互感器进行了准确度试验，试验数据见表1。考虑到温度对光学电压互感器的影响，为了测试其影响大小，对其进行了温度试验，试验数据见表2。由以上检测数据可知，光学电压互感器及合并单元的误差满足标准规定的0.05%误差限值。

图4 准确度检测报告Fig.4 Accuracy class test report

图5 试验原理图Fig.5 Test schematic diagram

表1 试验数据Tab.1 Experimental data

2 高精度光学电压互感器应用

0.05 级高精度光学电压互感器于2016年1月19日在广西钦州排岭220 kV智能变电站进行了挂网运行测试。建立了以0.05级支柱式光学电压互感器为标准源，榄坪II线A相0.2级电子式电压互感器为被校互感器，相应合并单元，在线校验仪、上位机、状态监测工作站和智能远动机组成的电子式互感器在线校验系统，系统框图以及现场图如图6、图7所示。

表2 准确度和温度关系试验数据Tab.2 Experimental data of accuracy and temperature relationship

图6 电子式互感器在线校验系统Fig.6 On-line calibration system for electronic transformers

图7 在线校验系统Fig.7 On-line calibration system

0.2级电子式电压互感器作为被校对象，在站内同步时钟的作用下，在线校验仪分别从与被校互感器和标准互感器对应的线路合并单元中读取数据，进行数据解析，通过基于数据预处理的加二阶汉宁卷积窗的高准确度算法[16]，如图8所示，进行在线校验，对运行的数据进行了实时记录及波形实时监测，随机选取部分电压比对数据（500个点的连续数据）绘制比差和角差曲线如图9（a）和（b）所示。测试结果表明，被测榄坪II线A相电子式电压互感器的电压测量值与标准光学电压互感器的测量值的比差小于0.2%，角差小于10′，满足0.2级准确度要求。进一步分析可以看出，比差均值大约为-0.095%，标准偏差约为0.02%；角差均值大约为-7.5’，标准偏差约为0.76’；可见，比差与角差相比更具有不稳定的因素，单点的电压比差是有可能超差的（系统是1秒得到1个比差值），因此，在实际应用中有必要延长求取比差和角差的时间，比如5 s将得到的比差和角差数据分别求取平均值，以降低单点超差的可能性，从而提高系统的稳定性。电压的校验结果通过MMS（manufacturing message specification，制造报文规范）网络在变电站状态监测工作站上进行显示，如图10所示，并根据逻辑量和数字量信息重要程度进行分级告警，通过智能远动机发送到调度主站，进行远程监测，实时了解变电站内被校电子式电压互感器的精度变化情况。

挂网运行试验表明，基于0.05级支柱式光学电压互感器的电子式互感器在线校验系统运行正常，校验数据均上传至监控后台，实现了在线校验，校验结果说明被校电子式电压互感器满足0.2级准确度要求。

图8 基于数据预处理的加二阶汉宁卷积窗的高准确度算法Fig.8 High accuracy algorithm of two order Hanning convolution window based on data pre-processing

图9 比差和角差曲线Fig.9 Curve of value and phase error

3 结语

本文介绍了0.05级高精度光学电压互感器的技术方案、关键技术以及装置的实现，互感器通过了国家高压电器质量监督检验中心的精度试验，准确级达到0.05/3P；构建了电子式电压互感器在线校验平台并在广西钦州排岭220 kV智能变电站进行了挂网应用，实现了误差实时计算及精度数据的后台分析，结果表明，被校电子式电压互感器满足0.2级准确度要求。

图10 电压校验数据MMS发布Fig.10 Voltage calibrated data issuing in MMS format

值得注意的是，虽然电压在线校验系统目前运行稳定，校验结果正常，但从长期来看，其校验结果的有效性很大程度上取决于作为标准互感器的光学电压互感器本身的稳定性和长期可靠性，如何对其进行评估仍是后续研究的重点内容，即通过在线监测标准互感器的状态信息进行互感器状态评估，完善电子式互感器在线校验系统，实现系统校验的有效性及长期运行的可靠性和稳定性。

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（编辑 徐花荣）

Technology and Its Application of High Precision Optical Voltage Transformer

CHEN Bo1，LI Junyi2，3，WANG Junlong2，3，YU Wenpeng2，3，WEI Xiaoxing2，3
（1.Smart Grid Research Institute，Southern Power Grid Science Research Institute Company Limited，Guangzhou 510663，Guangdong，China；2.Institute of Beijing Aerospace Control Devices，Beijing 100854，China；3.Beijing Optical Fiber Sensing System Engineering Technology Research Center，Beijing 100094，China）

This paper mainly introduces the technical scheme，key technology and realization of the 0.05 level high precision optical voltage transformer.At present，the device has passed the accuracy test of the National High Voltage Electrical Equipment Quality Supervision and Inspection Center，and its accuracy class is 0.05/3P.The optical voltage transformer as the standard voltage source has been applied in the Pailing 220 kV intelligent substation in Qinzhou in Guangxi，realizing the online calibration of A phase electronic voltage transformer in Lanping II line.The calibration data is published in the computer background by MMS network.The calibration results show that the value error of the calibrated electronic voltage transformer is 0.2%less than and the phase error is less than 10’than that of standard optical voltage transformer respectively，meeting the requirements of the 0.2 accuracy class.

optical voltage transformer； Pockels effect；data pre-processing algorithm；on-line calibration；MMS network

1674-3814（2017）06-0007-07

TM63

A

2016-08-13。

陈 波（1970—），男，博士，高工，研究方向为变电站自动化；

李俊一（1981—），男，博士，高工，研究方向为光纤传感；

王军龙（1975—），男，博士，研究员，研究方向为光纤传感与激光技术；

于文鹏（1975—），男，博士，高工，研究方向为光纤传感；

魏晓邢（1994—），男，硕士，工程师，研究方向为光纤传感。

南方电网科技项目（wykj00000022）。

Project Supported by the Technological Project of China the Southern Power Grid Company Limited（wykj00000022）.