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光电电压传感器

一、前言

   电压互感器是在电力系统中取得测量和保护用电压信号的重要设备。随着电力系统传输的电力容量的增大,电压电平变高,以往的电磁感应方式和容量分压电路的变压器也出现了根据其传感机构不能克服的课题。   

 一直以来,在高压电气设备设备及网格中,利用电磁式电流变压器进行测定,得到保护信号的方法存在以下缺点。

 (1)电气机械式继电器的要求设计(例如计量器用变压器要求输出100 v ),该计量器用变压器、计量器用变压器需要大功率输入,功率损失大,体积也大。

 ( 2)昂贵的价格。 随着输电电压的电平的提高,为了确保良好的绝缘,尺寸变大,所以随着电压电平的提高,以往的变压器的体积和成本会增加一倍。

 (3)以往的变流器、变流器在内部填充油提高绝缘电压,但由于密封工艺的难易度,经常会产生漏电。

   由于这样的缺点,在现代的电力网中,在智能的高压电气设备中原封不动地使用是合适的,也就是说,应该使以往的变压器发展为现代的变压器。QQ图片20180524135514.png

 二、新型电压传感器-光电压传感器

 随着最近激光光纤通信技术和半导体技术的发展,可以发现使用光纤技术和半导体技术适当制作的高压电压传感器光电压传感器。80年代以来,光学传感器技术在高压领域的应用一直受到各国技术人员的关注。在海外,几个新的光电流电压传感器相继研究开发,一部分实用化。

   这种传感器与现有电流变压器相比,具有以下优点。

 (1)不含油分,不存在火灾和爆炸的危险。

 (2)输出端为光纤,输出端开路时无过电压危险。

 (3)抗电磁干扰能力强。

 (4)小型轻量且可实现设备小型化,节约大量的材料和电力消耗

  (5)测量范围广、精度高、灵敏度高。

 (6)采用光电技术,有利于自动化和智能化。我国这一方面的研究才刚开始,有些机关已经进行了有益的探索,但仍存在很多问题,尚未达到成熟实用的水平。

2.1光学电压传感器分类

 光电压传感器在功能上分为功能型(光纤不仅作为光传输介质而且作为进行光调制的传感器发挥功能)和非功能型(光纤仅作为光传输介质而光调制由其他结晶构成)两种。这里仅分析非功能型光学电压传感器的发展现状及其相关问题。

2.1.1大容量光学电压传感器

 基本原理: 1893年,德国物理学家泡克尔斯( pokelkels )首先发现了折射率随外部电场线性变化的透明光学介质,即单元搜索效应。20世纪70年代后半期,随着光纤通信技术的研究开发和实用化,光纤传感器技术大大发展,光学电压传感器诞生了。偏振片、1/4波长板、电光结晶及自拍透镜等光学元件,一般通过光学粘接与一体器件接合。根据施加电压v,各向同性的电光晶体成为双轴晶体,产生人工双折射。双折射两光束相位差与施加电压v成正比。通过检光子将施加电压对光相位调制变换为对光强度调制,通过检测输出光强度,可以求出施加电压。

2.1.1.1锗酸铋( bi4ge3o 12 )结晶光学电压传感器

 锗酸铋结晶(简称BGO,1965年开发)为立方晶,无自然双折射和旋光性,温度稳定性良好,国内外对BGO电光结晶体进行了大量研究。日立集团m.  kanio的研究结果显示,在25 v~500 v ( 50hz )的范围内BGO光学电压传感器的测量误差不超过±0.2 %,- 20°c~60°c温度范围内BGO结晶的温度稳定性为±1 %左右,式中u和v-m之间的直线性非常良好。。  将他们开发的光电压传感器、光电流传感器安装在电压66kv、电流2 ka的实验模型中进行试制,得到了满意的结果。四川压电声光学技术研究所的研究人员对BGO结晶进行了有效的研究,开发了测定范围0 20000 v、测定精度±1 % (满刻度)、线性±1 %、s/n > 33db的BGO光学电压测定器。近年来,华中理工大学的研究者也对BGO光电压传感器进行了很多研究。。 一个课题小组成功开发了测定范围50 v~150 kv。直线性±0.5 %; 误差±0.5 %; - 30°c~40°c的温度范围内小于±0.2 %的误差; 耐压性及绝缘性能良好的直流光电压传感器。另一个课题组进行了500 kv商用高压光电压传感器的实验研究,得到了令人满意的实验结果。

2.1.1.2硅酸铋( bi 12 SiO 20 )晶体光电压传感器

 硅酸铋结晶(简称BSO )是20世纪70年代开发的新型光学材料,光学窗口广阔,透过特性好,且具有显着的电光效果,是理想的功能性结晶。BSO光学电压传感器的开发研究在国内外展开。日本sum itomo电子株式会社T. M it su i 的研究结果,BSO结晶的透光厚度d = 4.  66 mm时BSO结晶电光特性的温度变化最小。传统的电流变压器( c-t )。 )和代替电流变压器( pt )开发的BSO光电压传感器与光电流传感器一起封入气体绝缘开关装置( gdis )进行试运行,实现了良好的动作。另外,T. M it su i还提出了使用与以往电压测定装置的测定结果一致的BSO光电压传感器,对过渡电压(浪涌电压、脉冲电压)的特性测定过渡电压的方案。 在国内,南开大学现代光学研究所的研究人员也开展了BSO光学电压传感器的研究,取得了令人满意的结果。另外,BSO结晶具有旋光性,因此传感器温度特性受旋光力的制约,BSO传感器的温度依赖性增大。t型运载火箭. m it su-I的研究结果显示,BSO传感器的温度特性与d有关,因此传感器的开发和调整有很多困难。另外,适合作为光学电压传感器电光学晶体的材料不限于上述2种。 近年来,在国家自然科学基金的资助下,华北电力大学的研究人员开展了铌酸锂( Li in bo3)光学电压传感器的有效研究,取得了一系列的研究成果。

2.1.2内置光电压传感器

 批量型光学电压传感器为批量调制型,需要光学透镜系统(透镜、偏振镜、检光镜等)和光学准直,制作复杂性和难度增加,光学系统的粘接封装也困难。。  另外,由于光学系统的存在,系统的不稳定性增加,其应用存在很多限制。因此,没有光学系统的光学电压传感器受到了关注。随着综合光波导技术的发展,综合光电压传感器诞生了。

2.1.2.1基本原理

 集成化的光电压传感器理论上的基础还是泡沫汽车效应,这是通过面状光无供电调制元件进行的光调制。当向传感器两电极施加电压v时,施加于马赫-曾德尔干涉仪的两臂的电场的方向相反,输入光在波导入口被y字型波导端口分割成两部分,当光通过波导时,各臂产生泡沫汽车效应,产生大小相等的方向的逆相移,进而产生y字。

2.1.2.2平行板积分器光学高压传感器

  马赫-曾德尔干涉仪型集成光学电压传感器在高电压下需要电容分压,因此设计制作困难,金森开发了平行板集成光学高电压传感器。传感器采用平行板电极结构,电极间隙大,可承受高电压,不需要容量分压。其核心是在马赫-曾德尔干涉仪的一臂上制作反极化领域,通过使t-I层扩散到作用领域,实现反极化领域的创制。然后,使用质子交换技术将马赫-曾德尔干涉仪的臂的波导对准到反极化领域的通道上。这样,t I扩散波导区域的电光系统数与质子交换区域的电光系统数相反,当对传感器施加电压时,传输光在2个通道中产生各波导中产生的相移的2倍的净相移,在y分支中两个输出光会合,相位调制变换为强度调制。。  该传感器的特性为最大工作电压范围25~50kv、最小检测电压0.  25mv~0.  5 v、损伤电压范围10~250 kv、动态范围80db、频带0~1 MHz、光输出1 MW。

2.3光电压传感器的几个主要构成

   成为ovt核心的光电压传感器主要有3个构造。

   (1)横向调制光电压传感器。 所谓横向调制,是指施加在结晶上电场的方向和光通过方向相互正交。这样构成的光学电压传感器虽然组装容易,但受到结晶耐压的制约。 

   (2)纵型横向调制光学电压传感器。 这样构成的电压传感器实际上是通过测定结晶中的电场来测定电压的。高电压电极和低电压电极通过聚四氟乙烯等绝缘材料连接,所有光学元件都粘接在接地电极上,通过调整上下极端子间的距离,可以容易地进行不同的灰阶电压测定。由于高低压电极间绝缘材料的热膨胀收缩的影响,环境温度的变化会影响高低压电极间的距离,影响变流器的动作稳定性。 因此,在使用这样的光电压传感器的ovt中,需要在光电压传感器的附近设置光纤温度传感器,利用二次侧的软件进行修正等对策。

 (3)对光电压进行纵向调制的传感器。 所谓纵向调制,是指施加在结晶上电压的方向与光通过方向一致。 使用这样的电压传感器的ovt,被测定电压全部施加在光学晶体上,实现了真正的全电压光学测定,但是晶体必须具有足够的长度才能满足一定电压电平的绝缘要求。 根据电压的定义vab =∫BAE. dl使用这样的电压传感器的ovt不受外部电场的影响。由于结晶粘结在上下极子上,因此施加在结晶上的电压影响周围的温度,ovt的稳定性提高。。 电光晶体的半波电压通常为数十千伏,远小于被测定电压,为了重构被测定信号,需要使用相互正交(相位差90°)的2个输出波束。

2. 4光电压传感器的应用

2.4.1日本日立公司于1985年将ovt用于70kv级的气体绝缘开关装置,验证了良好的线性性和温度稳定性。

2.4.2美国田纳西河流域管理局于1991年开发了使用光电压光电流传感器的费用测量系统,测量了161 kv传输线路的电压电流。该ovt实际上由用于测定小电流oct和电容分压器构成,为了提高电流灵敏度,在电流传感器中增加匝数,在电容分压器的低压臂中加入该oct,此时测定电流与电压值成正比。

2.4.3日本佳友电器工业公司于80年代末开发了能够高精度测定1000 v以下的电压、2000 v/cm的电场强度的光纤电压计,传感器是利用bi 12 SiO2(即BSO )单晶的电光效应制作的,传感器和处理显示段是利用BSO单晶的电光效应测定的输入输出特性。图13表示BSO传感器温度特性(-15~+ 70℃的范围内变化量±2 %以内)。

2.4.4中国华中理工大学1998年开发了110 kv无分压光纤电压传感器,不使用容量分压器,直接向锗酸铋( bi4ge3o 12简称BGO )晶体施加110 kv的高压,使用硅橡胶复合绝缘管进行高压绝缘支撑,在瓷管内封入SF 6气体。具有以下特性:

 (1) 80 %~120 %的额定电压范围内,其相对误差为±0.2 %以内。

 (2) SF 6绝缘气体压力在0.20~0.30 MPa范围内变化时,其相对误差为±0.15 %以内。

 (3)运行稳定性为±0.3 %以内。

 该110 kv无分压型光纤电压传感器在可动型实验室进行了三相短路相间短路单相短路三相短路的若干故障类型的线路距离保护的动态模拟。该传感器具有无油、小型、轻量等特点,可以将前景光应用于电力系统。

 三、光电压传感器的问题和今后的发展

   最近经过20年的研究,光学式变流器已经完善了,但实际上已经进入实用化,以前的电压相互电感的顺序取代,还有很多问题。

   电力系统对变流器的稳定性和可靠性高,稳定性和可靠性是变流器应该解决的主要问题。在美国、日本、法国等地,开发了765 kv的高系列光学式变流器,但其稳定性和可靠性也未实用化。影响ovt稳定性和可靠性的重要原因之一是工作环境的温度变化,ovt主要有以下影响。

   (1)光学晶体 ovt的核心传感器光学晶体提供与ovt的性能直接相关的性能。。。 LiNbO 3、bi 12 geo 20、bi4si3o 12、bi4ge3o 12等具有电光效应结晶较多。 这些结晶除了电光效应外,还同时存在光弹效应、热光效应等干扰效应。直接影响ovt的稳定性。

   (2)光路构成 光学电压传感器主要包括电池组透镜、偏振器、检光器、1/4波长板、90°角棱镜、结晶等光学元件。这些光学元件通过光学糊剂粘接,光路系统因温度变化而变化。实验证明光路系统相对于温度变化的延迟时间长,再现性差。

   (3)绝缘构造 光电压传感器与主绝缘体一起构成ovt的一次部分。ovt中现在一般使用的结构是图5所示的无分压,主绝缘体使用封入SF\- 6气体的有机材料复合绝缘体。复合绝缘子的高度随环境温度的变化而微小变化,该变化会影响绝缘子内的光学电压传感器的动作稳定性。 同时,绝缘子内SF 6气体的压力随温度而变化,压力的变化也影响光学电压传感器的动作稳定性。

   (4)光源 ovt的作业用光源通常使用led。led相对于LD是长寿命的,但led发出的光波的波长受到温度的影响,光波的波长的变化导致电光效应中的相位延迟的变化和半波电压的变化,影响ovt的动作稳定性。

   克服对ovt的温度影响,提高ovt的稳定性和可靠性是影响ovt实用化的重要问题。需要进一步深入研究ovt的传感机构,探讨影响ovt稳定性和可靠性的各种因素,从光学晶体及相关光学元件、光路系统的构成及粘接工艺、传感器的构造、绝缘构造、隔热材料和隔热材料、温度补偿方法等各方面加以改良,相信ovt系统。


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