（电力系统及其自动化专业论文）光电传感数字化及其继电保护技术研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 了 高压端同步采样问 题。 在低压端信号处理部分， 提出了信息合并单元( i m u ) 的概念， 根 据i e c 6 0 0 4 4 - 7 / 8 标准， 详细介绍了 低压端 信息合并单元 ( i m u ) 的 体系结构、 接口 规 定和通信规约，勾画了实际产品的雏形。 从i m u单元出来的数字信息通过光纤通信网络传送到二次设备， 即构成变电站新 型的光电 数字化二次回路。 论文在分析了 金属电缆模拟通信的弊端后， 在分散分布式 变电 站体系结构的基础上，对二次回路通信模式展开了讨论:论述了底层 i mu的网 络拓扑结构和数据链路层、传输控制层的网 络协议，以 及i e c 6 1 8 5 0 标准在应用层的 应用，以此构成完整的光电数字化二次回路技术方案。 对于关键的数据链路层通信协 议，论文提出了应用e t h e me t 网络技术方案，利用网络仿真软件o p n e t进行了仿真 试验，证明了其可行性。并探讨了二次回路通信网络安全性和可靠性问题。 在光电数字化二次回路的基础上，智能二次设备将以数字网 络形式获取其所需要 的信息。 论文首先探讨了 保护系统与光电 传感器的模拟和数字两种接口形式， 指出其 应用环境和特点;然后以 变压器差动保护为对象， 重点研究不同故障情况下， 采用光 电 传感器后的动作特性曲 线。 研究结果表明，由于光电 传感器在大电流情况下无饱和 现象， 显著提高了基于谐波制动原理的差动保护的安全性、可靠性和动作速度;最后 分析了 保护系统与光电 传感器间的 相互影响， 指出光电 传感器和保护系统今后进一步 深入研究的内容和方向. 光电传感器真正实现现场长期稳定可靠运行，还必须解决好实际应用中的一些相 关问题。 论文选取了有源光电传感器高压端供能问题、 数据同步问题和系统可靠性问 题等内容进行了分析和探讨，提出了相应的设计方案。关于供能问 题， 提出了母线取 能和光供能结合使用的新方案以提高供能长期运行的可靠性;关于同步问题，分析了 软件同步的误差情况和硬件同步方案中时钟源的相关问题，以保证硬件同步的安全性 和可靠性;关于可靠性问题，建立了光电传感器和变电站通信系统的可靠性模型，定 量、定性分析了影响可靠性的关键因素。 论文最后对上述研究成果进行了总结，提出了进一步的研究方向。 关键词:光电 传感器 r o g o w s k i 线圈 信号处理 二次回路光电数字化e t h e me t 网络技术 变电站自 动化 变压器差动保护 - . 一-目 - - 一. . . . . . . .， . . . . . . . . .曰 . . . 曰口 . . . . . . . . . . 曰. 一. -.月 一 一 1 1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ab s t r a c t wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f m i c r o - e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , o p t i c - e l e c t r i c t e c h n o l o g y a n d c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , m e a s u r e m e n t a n d c o n tr o l t e c h n o l o g y , i n c l u d i n g i n t e l l i g e n t , d i g i t a l a n d n e t w o r k t e c h n o l o g y , a r e a p p l i e d i n e l e c t r i c p o w e r s y s t e m s t e a d i ly . t h e y a re c h a n g in g t h e m o d e o f o p e r a t in g , m a in t e n a n c e a n d m a n a g e m e n t o f c o n v e n t io n a l e le c t r i c p o w e r s y s t e m p r o f o u n d l y . e s p e c i a l l y f o r t h e a p p l i c a t i o n o f o p t i c - e l e c t r i c t e c h n o l o g y a n d i t s c o m b in a t i o n w i t h in f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , i t w i l l p u t c o n v e n t i o n a l e l e c t r i c p o w e r s y s t e m in t o a t e c h n o l o g i c a l r e v o l u t i o n . b e i n g t h e e l e c t r ic p a r a m e t e r a c q u i s it i o n d e v i c e , c u r r e n t t r a n s f o r m e r a n d p o t e n t i a l t r a n s f o r m e r w e r e c h o s e n t o b e r e s e a r c h 响e c t s o f t h i s t h e s i s . t h e s t u d y o , m e a s u r e m e n t p r i n c i p l e o f n o v e l o p t ic - e l e c t r i c t r a n s d u c e r ( o e t ) , t h e s t u d y o f t r a n s m it m o d e o f e l e c t r i c p a r a m e t e r i n s e c o n d a ry c i r c u i t a n d t h e s t u d y o f th e o ry a n d p r o b l e m s d u r i n g t h e a p p ly i n g o e t i n m e a s u re m e n t , c o n tr o l a n d re l a y p r o t e c t i o n d e v i c e , a r e c a r r i e d o u t i n t h i s t h e s i s . b a s e d o n a l a r g e n u m b e r o f r e f e r e n c e s f r o m c h i n a a n d a b r o a d , t h e h i s t o ry , t e n d e n c y a n d l a t e s t d e v e l o p m e n t s o f t h e t e c h n o l o g y a b o u t o e t i n c h i n a a n d a b r o a d a r e i n t r o d u c e d . t h e a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e o f c o n v e n t i o n a l t r a n s f o r m e r , p a s s i v e o p t i c a l - fi b e r t r a n s d u c e r a n d a c t i v e o e t a r e c o m p a r e d . a c t i v e o e t ( a o e t ) i s t h e n c h o s e n a s e m p h a s i s o f c u r r e n t p r a c t i c a l re s e a r c h t o p i c . a c c o r d i n g t o t h e c u r r e n t s i t u a t i o n a n d p r o s p e c t o f a p p l y in g o e t i n s u b s t a t i o n a u t o m a t i o n , t h e o p i n i o n o f d i g it a l e l e c t r o - o p t i c a l s e c o n d a r y c i r c u it i s 乡 v e n o u t . t h e m a i n re s e a r c h t o p i c s a n d c o n t e n t s o f e v e r y c h a p t e r a r e d e s c r i b e d fi n a l l y . i n t h e re s e a r c h o f m e a s u r e m e n t p r i n c i p l e o f a o e t , p r o b le m s o f c o n v e n t i o n a l t r a n s f o r m e r a r e d i s c u s s e d t h r o u g h t r a n s i e n t p r o c e s s s im u l a t io n a t f i r s t . t h e d i s a d v a n t a g e s o f e l e c t r o m a g n e t i c c u r r e n t t r a n s f o r m e r a n d c a p a c i t iv e v o l t a g e t r a n s f o r m e r a r e d e m o n s t r a t e d t o o . t h e e l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d t r a n s i e n t p r o c e s s c h a r a c t e r i s t i c s o f r o g o w s k i c o i l b a s e d c u r re n t a o e t a r e t h e n a n a l y z e d i n d e t a i l s . t h e i n t e g r a t i o n d e s i g n m e t h o d a n d e x a m p l e o f a o e t a r e p ro v i d e d . e x p e r i m e n t a l r e s u lt s o f s t e a d y e r r o r t e s t a n d d y n a m i c s i m u l a t i o n t e s t p r o v e t h a t 人 o e t i s a p p l i c a b l e i n m e a s u r e m e n t , c o n t r o l a n d r e l a y p r o t e c t i o n o f e l e c tr ic p o w e r s y s t e m c o m p l e t e l y . t h e s i g n a l o u t p u t f rom t r a n s d u c e r i n h i g h v o lt a g e s i d e s h o u l d b e i n t e g r a t e d , a n a l o g - d i g i t a l c o n v e r t e d a n d e l e c t r i c - o p t i c t r a n s f o r m e d a t f i r s t , o r i g in a l c u r r e n t a n d v o lt a g e v a l u e t h e n c a n b e t r a n s m i tt e d d o w n t o l o w v o l t a g e s i d e i n s u b s t a t i o n . o p t i c e l e c t r i c 赶 1 1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 m e a s u r e m e n t s y s t e m , w h i c h c o n s i s t s o f e l e c t r o n i c c i r c u it i n h i g h v o l t a g e s i d e a n d d a t a a c q u i s i t i o n 光 纤传感 技术与故 障诊断 技术的 结 合为电 力主 设备的 安 全可靠 运行 提供了 全新的 监测 手段， 大大提高了电力 主设备的 运行管理水平; 数字化、 智能化电 子设备 和数字继电 保护 装 置的 广 泛 应 用， 在 保 持 原 有功 能 的 基 础上， 提 供了 系 统 功能 扩 展 和 集成 的良 好 平 台 。 1 2 1 可以 说， 光电 技术的应用 及其与 信息技术的结合， 使得传统电 力系统工业面临一 场重大的 技术变革。 电 力系 统安全、 稳定运行的 先决条 件是精确、 可靠地测量电 力系 统的参数。电 压和电 流的测量又是电力及电量 测量的基础。 传统的电 磁式继电 保护和控制装置、电 动式量测和 计量仪表的 输入需要大功率的输入信号，故采用电 磁感应原理构成的电 流互感器 ( c t , c u r re nt t r a n s d u c e r ) 和电 压互感 器 ( p t , p o t e n t ia l t r a n s d u c e r ) 将电 流电 压转换成s a i l a和 1 0 0 v以 满足二次设备的 需要。 随着技术的发展，以 微处 理器为基础的数字保护装置、电 网运行监视和控制系统以及发电 机励磁控制装置得到广泛应用，它们不再需要大功率驱 动， 只需要士 s y的电 压 信号和州或m .4 级的电 流就可以 了。 与 此相 适应， 采用低功率、 非 电 磁 原 理 的 电 流、 电 压 测 量 装 置 取 代 常 规c t , p t 成 为 可 育 尹 .51 。 其中 利 用 光 纤 作 为 传 感或传光的光电传感器得到了广泛和深入的研究， 并有产品问世。 由 于光电传感器的输出 是光数字信号， 与传统互感器输出的模拟信号有着本质的不同， 这对与之相联的二次设备 _ _ _ _一一一一一一-娜种 i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 .二二，二二二二留二，.月吕二二 和二次回路将 产生深刻的影响。 研究 光电 传 感 器 的 特 性， 尤 其 是 传 感器的 暂 态 特 性 研 究， 使 之 可以 满 足电 力 系 统不同 设 备的 需 要; 研 究 基 于 光电 传感 器 及光 纤网 络的 数 字 化 二 次 回 路 结 构 模式 和 通信 系 统， 以 及 相 关的 接口 技 术 ; 探索 二 次 测 控保 护设备 对 光电 传 感 器获 取的 电 流电 压 信 号的 新应 用 ， 促 进保护 新原 理的 研究 成为 本论 文的 主 要工作。 1 . 2课题背景及意义 随 着电 力工 业的 发展，电 力传输系统容 量不断 增加， 运行等级也 越来越高，目 前我国 电 网的 最高电 压 等级己 达5 0 0 k v ， 下个电 压 等级 也许是7 5 0 k v或1 0 0 0 k v 。 近年来， 我国 经 济发展迅 速， 对电 力的 需 求也日 益增大。 为 保证 超高 压、 远距离、 重 负 荷输电， 安全 可 靠的 运行， 必须 提高 系统的 稳定 性， 因 此对互 感 器的 测量 精度、 动态范围、 饱 和性等特性 的 要求标准更高; 二次回 路的复杂化、 抗干 扰性差等问 题凸 现出 来; 对继电 保护系统的可 靠性、速动性与 灵敏性也提出了更为苛刻的要求。 传统的电 流和电 压的测量是通过应用电 磁感应原理构成的电 流互感器、电 压互感器秘 电 容分压器将电 流和电 压分别转换成0 -5 a的电 流信号和0 -1 0 0 v的电压信号来实现的。 随 着电 力 系 统 容 量 的 不 断 增 大和电 网 运行电 压 等 级 的 提 高， 对电 力 系 统继电 保 护 的 动作 速 度要求越来越 高， 这就 要 要求互感器具有良 好的 暂 态响 应 特性， 能 真实、 快速地反映一次 故障信号， 使继电 保护装置能在暂态过程尚未结束前就正 确动作于 跳闸。而存在磁饱和、 剩磁 等 情况的电 磁 式互 感 器越来 越难以 满足电 力 系统日 益发展的 需 要。 采 用 光电 传 感 器 可以 在 很 大 程 度 上 解决 上 述问 题 s1 1 7 . 1 ) 优良 的 绝缘 性能， 造价低 电 磁 感 1弋 互 感 器 高 压 侧 与 二 次 侧 之 间 通 过 铁 芯 磁 祸 合 。 它 们 之 间 的 绝 缘 结 构 复 杂 ， 其造价随电压等级呈指数关系上升。 在光电传感器中， 高压侧信息是通过由 绝缘材料做成 的 玻 璃 光 纤 而 传 输 到 低电 位的 ， 其 绝 缘结 构 简 单， 造价 一 般 随电 压 等 级 升高 呈 线 性 地增 加。 2 ) 不含铁芯， 消除了 磁饱和、 铁磁谐振等间 题 光电 传感器， 一般不用铁芯做磁藕合，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 ) 抗电 磁干扰性能 好， 低压侧无开路和短 路危险 电 磁感应式电 流互感器二次回路不能开路. 低压侧存在开路高电压危险:电磁式电压 _ _ _-一 - 一 一- - - - - 户 - - - - - 2 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 互 感 器同 样 存 在二次回 路不能 短 路的问 题。 由 于光电 传 感器的高 压与 低压之间只 存在光纤 联系， 而 光纤具 有良 好的 绝缘 性能， 可保证高 压回 路与 二次回 路在电 气上完 全隔离， 低压 侧没有因开 路或短路而产生的危险， 同时因没有磁藕合， 消除了电 磁干拢对互感器性能的 影响。 4 ) 暂 态响 应范围 大， 测量 精 度高 电网正常运行时，电流互感器流过的电 流并不大， 但短路电 流越来越大。电 磁感应式 电 流互感器因存在磁饱和问题， 难以实现大范围 测量， 并在一个通道同时满足高精度计量 和继电 保护的需要。 光电传感器具有很宽的动态范围， 一个测量通道额定电 流可测到几十 安培至几千安培， 过电 流范围 可达几万安培。因此既可同时 满足计量和继电 保护的 需要， 又可免 除电 磁感应式电 流互感器多 个测量 通道的复杂结 构。 5 ) 频率 响 应 范围 宽 光电 传感器传感头部分的 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。 其结构己 经可以 测出 高压电 力 线路 上的 谐波。 而电 磁 感 应式 互感 器是 难以 进 行 这诸 多 方面 土 作的。 6 ) 没有因 充油而产生的 易燃、 易爆等危险 电 磁感应式万感器一 般采用充油办法来解决绝缘间 题， 这样不可避免地存在易燃、易 爆等危险。 而光电 传感器绝缘结构简 单， 可以不采用油 绝缘， 在结 构设计上就可避免这方 面的危险。 7 ) i t 立 了电 力计 量 与 保 护数字 化、 微机 化和自 动化的 发 展潮 流 光电 传感器是以 数字量 输出， 这将 最佳地 适应日 趋广 泛 采用的 微机 保 护、电 力计量数 字化及自 动化发展的潮流。 在获取电 量 参数环节里， 使用光电 传感器取代传统电 磁式互感器 后， 传统的 基于金属 电 缆和模拟信号的 二次回路模式也需改 造，甚至需要重新建构新型的二次回 路连接模式。 传统模式存在接线复杂、 成本高、 安全性差、 易受电磁干 扰等许多 不易克服的 缺陷。由 于 超高压变电站站内二次接线及设备更为复杂， 使上述缺陷对电网的安全稳定运行的威胁更 为 突出。 事实上， 5 0 0 k v 变电 站已 发生多 起近区 故障电 流 使二次回 路 信号 受电 磁干扰而失 真， 从而引起继电 保护 装置误动的 事故。 尽管我国电 力部门 根据多年的 运行经验制定了一 系列反 事故措施， 并 颇有 .成效， 但要从根本上解决此类问 题， 还必 须研究和探讨采用基于 光缆和数字信号的 新型二次回 路模式。 必须指出，尽管通用的光纤 通信技术已 十分成熟， 但并不能直接照搬实现光纤二次回路。 为了实现新型光纤数字化二次回路模式， 需要研究 ， ，.， . 3 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 建立二次回路、尤其是信号回路的结构模式、网络结构、 可靠性等基本理论以 及解决信息 合并、光电接口、信息共享、信息同步等关键技术，满足电力系统的测控保护技术要求。 基于光缆和数字信号的新型二次回路模式与智能一次设备和二次设备的发展以及新 型 变电 站通信模式紧密相关，随 着在中、 低压变电 站内， 保护、 监控、 计量和相关的通信 接口 逐步下 放到 现场， 将光电 传感 器 和断路 器及其开关 数 字 控制装置 组合在一 起构 成智能 断 路器， 进一步将间隔内的隔离开关、 接地开关等一次设 备及其相应控制装置有机组合和 集成到智能断路器内， 最终形成智能开关设备系统。 而随着二次设备数字化， 虽然各种装 置的用途和原理差别很大，但是都需要从电 流和电压互感器获得电 量信号并经过采样和 a / d转换等环节，借助于光电 传感器输出的数字电 量信号和光数字量形式传输的 二次回 路， 则可以 将所有数字装置的信号采样和数字化等功能模块省去， 将a / d变换过程这个难 点 集中到以 光电传感器为核心的 光电 量测系统中。 数字光电 量测系统用于数字控制与保护装置时， 如何实现与数字装置的 接口 ，以 便接 入数字电 压和电 流信号成为实用化中的一个关键问 题。 为了 保证系 统的开放性和可扩展 性， 数字光电 量测系统 必须按照统一的 通信规约通过光数字通信网与数字控制和保护装置 连接。目 前i e c己 公布的电 子电 压 变换器标准i e c 6 0 0 4 4 - 7 和电 子电 流变换器标准i e c 6 0 0 4 4 - 8 ， 规定了 输 出 的 模 拟 量、 数 字 量 和 光 输出 的 性能 参 数 网 阁 。 并 且 定 义了 与 二 次 设 备的 数字 接口 和 通信规约，目 前正 在制定 和 完善i e c 6 1 8 5 0 通信协议 m ii l a 1 采用光电 传感器和基于光缆和数字信号的 新型二次回 路， 并和数字保护和控制设备构 成新型的变电 站自 动化系统， 代表了目 前电力系统自 动化技术的发展趋势， 是提高电力系 统安全稳定 运行水平的 有效途径。 为 此， 急需围绕光电 传感器技术、 光纤数字化二次回路 信息模式以 及新型继电 保护原理积极开展基本原理和相关基础技术的 研究工作。 这对于建 立我国基于光纤数字化的测控保护自 动化系统的理论基础和实现技术具有重大意义。 1 . 3国内外光电 传感技术的发展历史和研究现状 早在2 0 世纪5 0 年代， 就有制造厂家设想把电 流互感器的操作电 源和继电 保护等都设 置在绝缘平台 上， 这样就可以 用低 压绝缘的 互感器来代替高压绝缘的 互感器。 开关的开闸、 合闸信号用电 磁转动的绝缘杆来传递。 6 0 年代后期， 采用光导纤维来传递信息， 而继电保 护、 光导纤维所需电 子设备和操作电 源仍放在高压平台上。 7 0 年代初期，以a b b公司为 代表的制造厂家开始以 互感器为探头， 通过光纤把操动传感器所需要的能量以光能的方式 a 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 传送给 传感 器， 而把所 有的 继电 保 护和监视 设备 等都放 在处于 地电 位的 操作人员处1 p 。 这 样既可保持原有传感器的 优点， 也克服了 绝缘等一系列问 题。 与利用光纤传光原理不同的 还有利用光纤传感的 光电 传感器。 其研究开 始于六十年代末和七十年代初。 研究的重点是 如 何 利 用光的 特性在电 磁场下的 变 化来测量 大电 流和高电 压。 其研 究 经历了 原 理性 研究、 实 验室样机测试和现场试运行阶段，目 前处于产品商业化阶段。 但是其易受温度和振动影 响以 及光纤本身的 双折射等因 素， 增加了实 用化的 难度。 下面分别对光纤电 流和光纤电 压互感器的基本原理和发展状况进行探讨。 1 .3 . 1光纤电流互感器的基本原理和发展概述 国 外 光电 电 流互 感斌o c t , q 西 c a l c u r re n t t r a n s d u c e r ) 的 研 究 始 于 二 十 世 纪 六 十 年 代 末 和七十年代初，到八十年代和九十年代初 ) c t己经开始了产品化研究，目 前许多大公司 已 经形成了 成套产品。具有关资料统计，到1 9 9 9 年底，大约有2 0 0 0 多台o c t挂网试运 行。 早在 1 9 7 8年，美国西屋电 气公司就研制出用于5 0 0 k v的 o c t ， 其准确度为:比 差 士 0 .3 %、角差士 5 、量程3 k 4， 挂网试运行一年。美国五大电力公司各自 在 1 9 8 2年左右 成 立了o c 7 、 专题小 组， 且研制成 功了1 6 1 k v独立 式o c t ( 1 9 8 6 - 1 9 8 8 ) 。 在1 9 8 9 年5 月 至 1 9 9 2 年又成功地研制了 最高工作电 压为3 4 5 k v ， 测量范围 为2 0 - 2 k a ， 准确等级为0 .3 级 的计量用和保护用o c t ， 且挂网试运行。1 9 9 1 年6 月a b b电力t b 为 偏 振 面 旋 转的 角 度: i 为 光 通 过 的 路 径 ; h 为 被 测 电 流 在 d l 处 产 生 的 磁 场 强 度 ; l 为 光 线 在 材 料 中 通 过 的 路 程 。 若 光 路设计为闭合回路，. 由 全电 流定理可得: “ 一 v 护. d l 一 v i(t) 测 得 线 偏 振 光的 旋 转 角 b 就 可 求 出 导 体 中 的 电 流i ( t ) a ( 1 - 2 ) 而基于f a ra d a y 效应的传感头可 归 纳为 三种 类型: 集 磁器型探头、 环形光学玻璃探头和全光纤式探头。 2 .相位调制 ) c t 相位调制型是通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化， 然后使用 干涉测量技术把相位变化转换成光 强变化， 从而检测出 被测电流信 号的 大小。 传感器中 的 干涉技术使在光纤干涉仪中实现的。 基于 相位调 制的o c t 主要有 基 于m a c h - z c h n d e r 干 涉仪o c t 、 基于f a b ry - p e r o t 干涉 仪o c t 和 基于s a g n a c t 涉仪的o c t 。 该类传感 器在o c t 的 研究 初期曾 受到 相当的 重视， 但由 于该方法受光纤本身长期性能稳定可靠性及外界干扰等因素的制约比较严重， 现在关 于 这 方 面 的 报 道己 经 不 多 见了 【1 习 。 3 .传光有源型 ) c t 也称混合型o c t ， 它是利用有源器件的调制技术， 以 光纤作为信号传输媒介， 把高压 侧转换的 光信号传输到 接受端进行信号处理， 得到被测电 流信息的 装置， 其中光纤仅作为 信 号 传 输 装 置， 不 用作 传感 器 侧r 6 ) 。 它 避免了 全 光型o c t 传 感 头 易 受 温 度变 化影响 的 缺 点及光路设计中的技术难点。早期的有源型o c t是基于传统电流互感器发展的。它既利 用了 光纤的高绝缘性的 优点， 使电 流互感器的制造成本、 体积和重 量显著降低， 又充分发 挥了电 力系 统广泛接受的传统互 感器测量装置的 优势， 具有很强的实 用性。 但由 于互感器 传感机理的限制，这种混合型 a c t仍存在着传统电流互感器难以 克服的一些缺点，如铁 磁 饱和问 题等。目 前研究的重点是采用新的 传感机理 ( 诸如空心线圈 或者有气隙磁芯)， 从根本上解决传统电磁式互感器所存在的问 题。 对于调制型o c t ， 利用的是光的特性的改变， 高低压是完全绝缘的， 与传统电磁式互 感器有着本质的区别。 原理上比 传统互感器具有更广阔的 应用前景和发展潜力。 但是目 前 在技术上和制造工艺上存在一系列问题，阻碍了其实用化和商业化。 6 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 ) 集磁型o c t 和光学玻璃式o c t 虽然不存在全光纤型o c t因 弯曲引 入的 双折射， 但制造上为了 消除全反射引起的 双折射和提高灵敏度， 探头需作特殊复杂的设计， 同 时光 从光源到光纤再到探头， 祸合甚多， 所以 对器件的 加工精度、 安装技术提出了 很高的 要求; 另外光纤在受到震动和其它机械扰动时， 将在光纤内引 入内 应力， 产生线形双折射， 在受 到环境扰动时光纤中 传输光的 偏振态将因线形双折射随 振动、 温度等因 素而变， 表现为光 的强度的 变化， 从而引 入噪声; 光学玻璃要求有大的v e r d e t 常数， 但大的v e r d e t 常 数， 其 温度系数也高， 传感器的 灵敏度会随 温度变化而变化; 光学玻璃内 残余应力形成的 线性双 折 射随 温 度变 化， 而 振 动 也等效引 入 应力， 故 其灵 敏 度也随 振动而 变 化; j 2 ) 对于 全光纤式o c t ，由 于普通光纤不能保偏地传输线偏振光线，必须制造特殊保 偏光纤用于此类传感器， 费用昂贵而且尚 无真正商品化的无偏光纤问 世;同时光纤在环境 扰动 ( 诸如振动和温度的扰动) 下产生双折射， 使线偏振光的两个正交振动分量之间产生 额外的相位差， 使输出 光变成了椭圆 偏振光。当使用偏振仪测量时， 椭圆偏振光转角的灵 敏度比 线偏振光要小， 则整个仪器的 测量灵敏 度都相应减少了。 在最不理想的 情况下， 输 出 光变成了圆偏振光， 测量灵敏度下降为零; 传感器还因不同的入射偏振面， 双折射引入 的相位不同， 使灵敏度随偏振面方位的改变而改变; 测量灵敏度等外界温度的 调制，由于 应力引入的线性双折射分布是随温度而改变， 故传感器的测量灵敏度将随温度变化而产生 漂移， 且沿光 路上不同 部分的灵敏度逐渐变化。 因而在一个封闭的 环形光路中 灵敏度的分 布是不均匀的， 这样传感元件的 输出 信号不但会受到 被测导体位置的 调制， 而且会受到 外 界电磁场的干扰。 相对调制型o c t 存在的这些问 题， 混合型o c t 则由 于 采用了 基于常规电 磁感 应原理 的传感头而避开了光传感中的一系列问题。由于在高压端就地数字光纤化， 并通过光纤传 输到地电 位端， 所以 不存在高压绝缘问 题， 同时 可利用空 心线圈或者有气隙 磁心等技术来 获得良 好高频相应和线性度的传感头，也避开了传统互感器中存在的问 题。 有关有源型 o c t的特性研究将在论文第二章进行详 细的分析。 1 . 3 .2光纤电压传感器的基本原理和发展概述 光电 电 压 互 感 4 ( o p t , o p t i c a l p o t e n ti a l t r a n s d u c e r .) 的 研究 较 光电 电 流 互 感 器 晚， 大 约 在 二 十世纪七十年代末、 八十 年代初。 七十年代随 着光导纤维的出 现， 光纤传感技术在高压 电 力系统中的应用研究出 现热潮， 日 本、 英国 和前苏联等国的学者曾 研制出几种光学电 压、 电 流互感器， 但处于精度低、 温度稳定性差的困惑中，皆未形式实用化产品。 八十年代后 -. - ， 一种闷 . . 一一一一.-一-一- -.一 . 一 - 7 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 期， 随着电 子技术、 计算机技术及光纤传感技术的深入发 展， 光纤传感技术在高压电力系 统中的应用研究获得了 突破性进展， 取得了 令人瞩目 的成果。 美国、日 本和法国等国的 众 多大电 气公 司先后研制出多种实 用型基于电 光晶 体p o c k e l s 效应的o p t 样机并在实际高压 电 站的 运行获得成功。 九十年代以 来， 光学电 力互感器的 研究 进入实用化阶段， 美国、 法 国 和日 本等技术发达国家陆续公布了他们研制的各种光学电力互感器运行及鉴定数据。 如 a 13 b跨国公司、法国a l s t o m公司、日 本东电、东芝、 住友等公司， 研制出1 2 3 - 7 6 5 k v 的o p t系列产品，并有一批产品在许多国家的电力系统中 投入使用。 此外，光学电压互 感器在组合式光学电流、电压互感器中有较多的应用。1 9 9 5 年， a l s t h o m公司在 美国奥兰多的 b o n n e v i l l e 安装了5 2 . 5 k v的复合式光纤电压、电流传感器:a b b公 司1 9 9 6 年 研制了 集 成m o c t 和e o v t 的 光学 计量 单 元 ( o nw ) 3 1 1 8 1-2 0 1 。 可 见， 经 过2 0 多年的 研究，国 外的光电 传感器技术己 趋于成熟，而且产品化也做得非常好， 很多产品都投入了使用。 按照传感原理， 光纤电 压互感器可以 分为以 下几类: l电 光 效 应 的 光 纤 电 压 互 感 器 四 1 8 9 3 年， 德 国 物 理 学 家 泡 克 尔 斯 ( p o c k e ls ) 首 先 发 现 某 些 晶 体 物 质 在 外 加电 场 ( 电 均的 作 用下发生 双折射， 且双 折射两 光波 之间的 相位差与电 场强 度 ( 电 因成正比 这一物 理现象， 称之为p o c k e ls 效应. 其表达 式为: e m=a e=k a v( i - 3 ) 式中。 为与晶 体物质本身的 光电 特性及通光 长度有关的常 数: k为与外加电 压方向 有 关的系数; e为外加电 场:v为外加电压。 具有p o c k e l s 效应的晶体称为p o c k e l s 晶体或线 性电 光晶 体. 一般选用 锗酸傲b 4 g e 3 0 i 2 ， 简 称b g o ) 等。 b g o晶 体 为 立方晶 体， 既没有 自 然双折射， 也没有旋光性， 透过率高，不存在热电效应等，因此许多光纤由压百感器都 利用b g o晶体做敏感材料。 实验证明: 其温度稳定性好， 准确度可达到士1 % 水平。 虽然 在理论上任意方向 都可以 产生电 光效应， 一般使用横向 调制式和纵向 调制式。 横向 调制下， 光电晶体的结构比较简单， 对电极无特殊要求， 但是存在自 然双折射所引起的附加相位延 迟， 并 且随晶 体的温 度变化而变化， 影响互感器的 稳定 性。 为消除 这种误差， 可采用双晶 体法或双光路法来实现温度补偿; 纵向调制下， 可排除极间外电 场的干扰及杂散电容的影 响， 提高测量准确度， 但要求电极具有良 好的 透光性，因 此其制造工艺较为复杂。 2 .集成光学电压互感器 为了解i # 1 # 状贵纤申 压互! a 器存在的制作复杂和降低制作难度，无光学系统的光纤电 . -一. 一. 一. 一. . 一-. . 一 - -. -， - 一 . 种 - -. . 一 - 8 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 压互感器的 研究受到 川门 的重视， 随着集成光学和光波导技术的发展， 出 现了 集成光纤电 压互感 器. 二 十世纪 八 十年代， n i c o la s a .f .j a e g e r 提出 了 基于m a r c h - z e h n d e r 调 制原 理的 集成光学传感器， 后来又提出了 用于测量电 场的p o c k e l s 元件集成光学传感器。 其仍是以 p o c k e l s 效应为基础的， 但它是利用平面光无源调制器来进行光调制。当电 压加在该互感 器上时， 加在m a r c h - z e h n d e r 干涉仪两臂上的电 场方向相反，当光 通过波导时， 每臂上 均发生p o c k e l s 效应产生大小相等且方向相反的相移，因 此，可通过相移差来推知电压的 大小。 3 . 基于电 致伸缩原理的光纤电 压传感器 其原理是基于电 到申 缩效应， 光纤缠绕在压电 材料 ( 石英晶体 或陶瓷等) 上，电 场引 起晶体或陶瓷变形， 从而引起光纤的光学性质的变化，由ma r c h - z e h n d e r 干涉仪或双模 光纤干涉仪探测出 这种变化即可测得电 压 ( 或电 场)的大小. 基于光特性改变而传感的光纤电 压传感器还有全光纤o p t ， 它是由 掺杂了 特殊元素的 特殊光纤组成， 利用石英晶体的逆压电 效应来测量电压， 光纤既起传感作用， 也起传光作 用。 其优点是结构简 单， 所需光学器件和接头较少，缺点是特殊光纤难以 制造， 要求高; 基于电 光k e r r 效应的o p t ，利用存在于某些光学各向同性介质中的一种二次电 光效应， 将引起通过其中的光波偏振态的变化， 由检测光波偏振态可获知被测电 场。 k e r r 效应不仅 存在于某些晶体中，而且存在于某些液体介质中，因而可用于液体电 场的 传感。 4 . 有源型光纤电 压传感器 与有源型光纤电 流传感器类似，电 压信号可以由 互1 或者分压器取出， 经过滤波等 信号处理环节， 由 光电 转换环节变为光信号， 由 光纤传至低压端， 再被还原成数字电 信号。 其 传 感 头 可以 是 传 统 的 电 磁 式 互 感 器， 也 可以 是电 容、 电 阻 和 组 容 分 压 器的 形 式 c2 1 对于 光调 制型的 光纤电 压互感器 而言， 光纤电 压互 感器虽然 在理 论和技 术上取 得了 很 大的 发 展， 但仍 存在 温 度稳定性和 长期 运行的 可 靠性问 题3 1 . 影响 光 纤电 压 互 感器 稳定 性 与可靠性的一个重要因 素是运行环境温度的 变化。 光纤申压 百感器的 温度稳定 性主 要取决 于 传感晶体和工作光 源的 温度特性以 及传感头的 加工和传光光纤的 振动。 光学晶 体是光纤 电压互感器的核心敏感元件， 其性能如何直接关系到光纤电压互感器的性能， 晶体的热应 力效应及热光效应是影响光纤电压互感器稳定性的两个主要因素: 当 温度变化时，由于传 感头内晶体、 胶和电 极的热膨胀系数不同，晶体内 部将产生热应力， 此应力将使晶体产生 附加极化， 而热光效应则使晶体产生直接随温度变化的附加极化。 采用双光路检测技术可 一. 一 . -一一- 9 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 以消除热应力效应对光纤电压互感器的温度稳定性的影响， 对于晶体的热光效应， 一般选 用立方晶体的b g ( 材料， 具有无旋光性和无自 然双折射， 且稳定性好， b g o晶体的纯度 越高， 稳定性越好; 光源发射的 光波波长也 受温 度影响， 它将导致电 光效应中 相位延迟的 变 化及半 波电 压的 变化， 从而影响 光纤电 压 互 感器的 稳定 性; 光纤在 受到振动和 其它机 械 扰动时， 将在光纤内 产生内应力，从而产生线性双折射，单模光纤中产生的噪声最严重， 只有在满足使用 低相干光源和线偏振光沿光纤的 偏振轴输入的条件下， 才能 得到抑% 1 ; 多 模光纤的 输出 偏振噪声 与光源的 相干性、光纤的 长度和芯 径有关，所以 光纤的 芯径 越大， 噪 声越小。 1 .3 .3 光纤数字化技术在变电站自动化系统的应用现状及前景 随 着光纤传感技术、 光纤通信技术的迅 速发展， 光纤技术可以 用于电站中的测量、 控 制、 保护和通信等各方面。目 前光学电 压互感器、 光学电 流互感器、 光纤分布式温度传感 器、 光纤电 力故障测量仪以 及光纤远距离继电 保护等发展很快，己经进入试运行阶段。 将 光纤传感、 光纤监控、 光纤通信和光纤保护连到一起形成传感系统的网络化， 必将对传统 电 力系 统的 技术改 造起到巨 大的 推动作用。目 前，国际上己 有许多 工业化国家如美、 英、 日 、 韩、 瑞典 等国 对采用光学系统取代原来的电 气系统来完成电站的 监控、 通讯和保护功 能进行了 系统的研究. 如日 本在八十年