机车和动车组通用光学电压互感器

◎杨彦萌

一、背景简介

高压电压互感器用于提供和监测机车/动车网压、零压（欠压）保护、电度表电压信号、相控整流触发同步信号等，在机车/动车升弓后，高压电压互感器接入27.5kV 工频交流电压开始工作。

当高压电压互感器因内部一次侧绕组发生匝间击穿、短路和接地等故障时，将会引发接触网顶电、变电所跳闸，严重时还会导致因大电流烧断接触网等行车事故；同时，其故障绕组严重过流、发热，引起高压电压互感器内油的化学反应，将析出氢气和烷烃类可燃性气体，使互感器内变压器油的理化分析和气相色谱分析相关指标超限，造成油箱内气体压力急剧升高引发的安全阀动作、喷油、器身爆裂，可燃气体和汽化的油喷出并爆燃，容易导致机车/动车火灾事故。

电力机车/动车的高压电压互感器的运行安全可靠性越来越成为影响电气化铁路安全运输的重要因素。

二、传统电磁式电压互感器的问题

传统电磁式电流互感器基于法拉第电磁感应原理，用于测量电参数已有一百多年的历史，但其存在一些固有的不足：

1.安全性差。

电磁互感器采用充油或气进行绝缘，时有爆炸事故发生，抗自然灾害能力差。

2.动态测量精度差。

电磁互感器磁路中有铁磁材料，在电网故障时，磁饱和导致波形产生严重畸变，从而直接影响测量精度。

3.绝缘结构复杂。

电磁传感器为了实现高低压之间、线圈匝间绝缘，必须采用复杂的绝缘结构，充绝缘油或气，且电压等级越高，绝缘结构越复杂，尺寸、重量、价格均呈几何级数增长。

三、全光学电压互感器的原理及优势

1.全光学电压互感器的原理。

全光学电压互感器测量是基于Pockels 效应原理。Pockels效应是指某些晶体材料在外加电场作用下，其折射率随外加电场发生变化的一种现象，亦称为线性电光效应。当一线偏振光沿某一方向入射处于外加电场中的电光晶体时，由于Pockels 效应产生了相位延迟，该延迟量与外加电场的强度成正比，通过检测该相位延迟即可得知外加电压/电场的大小。

2.全光学电压互感器的优势。

（1）本质安全与高可靠性。传统的电力电磁式电压互感器测量方式基于电磁感应，本质上属于“介入”式测量，属于双向“互感”式，必须采用复杂的结构消除自身引入的影响，可靠性低，输出端不能短路等情况，在高压测量方面还面临着绝缘、爆炸等安全隐患，对人身安全造成威胁。全光学电压互感器测量属于“非介入”式测量，属于单向的“传感”式，天然的绝缘特性大大提高了检测设备的安全性和可靠性，无爆炸隐患。光学高压检测设备还大大简化绝缘结构，具有优良的绝缘性价比。

（2）抗干扰能力强、测量精度高。全光学电压互感器测量技术实现了与被测电信号之间的隔离，光信号不会受到电磁场的干扰，具有很强的抗干扰能力，从而在复杂的工况环境下获得较高的测量精度。

（3）宽频域测量性能。传统的电传感器测量过程中，铁磁谐振以及过电压过电流磁路容易饱和等原因限制了其动态范围；其暂态过程长，容易产生的大量谐波噪声。而利用全光学电压互感器测量方式，光子的响应速度极快，本征频率高，测量带宽高。

（4）体积小、重量轻、省金属、省占地。全光学电压互感器测量方式因无需铁芯、线圈及绝缘油等，其重量一般仅为传统电学传感器重量的五分之一左右，且体积小，便于运输和安装。

（5）适应了电力机车/动车系统数字化、智能化和网络化的需要。全光学电压互感器测量方式可根据需要输出模拟量，或者直接输出数字量，可方便地适用于微机保护和电子式计量设备，易于传输和组网。故障自我诊断和修复也是全光学电压互感器测量技术的一个重要特点，光学测量方式可以方便的检查自身状态，在故障情况下自动报警，避免后端保护设备的误动作，这点在高压领域内的应用也是极为重要的。

四、全光学电压互感器结构和参数

1.全光学电压互感器的结构。

全光学电压互感器通过敏感头感应一次电压，并将电压的变化信息通过光缆传输至电气单元进行解析，最终得到实际电压，同时检测到的电压值将传输至数模转换装置，输出模拟量，上送给网压表。全光学电压互感器同时可以提供全光数字输出接口。

2.全光学电压互感器的参数。

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五、总结

针对现有机车采用的电磁式电压互感器存在的问题，本文提出了非介入式本质安全的全光学电流电压互感器解决方案。这种全光学解决方案充分发挥了光学测量的优点，克服了电磁式互感器的致命缺点。同时，本方案具有网压品质监测及故障录波功能，不仅可以显示监测到的电流电压值，而且可以进行谐波分析，实现互感器状态自诊断，提供电压、电流故障报警功能，并记录故障前后时间的数据，改进了列车各高压设备保障设施，满足电力机车系统数字化、智能化和网络化的需要。

因此，我们认为全光学解决方案可以满足用户高可靠性要求以替代传统的电磁式电压互感器，并实现此项的数字化监控。