光学电压互感器的研究
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摘要
随着电力系统电压等级的提高和容量的增大，传统电压互感器的绝缘困难，频带窄，有燃烧和爆炸危险等缺陷日益突出，直接影响到电力系统及用电设备的安全运行。光学电压互感器克服了传统电压互感器的许多缺点，有广阔的应用前景。
本文论述了用于电力系统高电压测量的基于电光晶体B60的Pockels效应的光学电压互感器的基本原理：在电场作用下，BGO晶体的折射率发生了变化，一束线偏振光入射晶体后分裂成两束光，利用偏光干涉的方法检测出两束光的位相差就可以得到被测电压的大小。
光学电压互感器常用的是横向调制和全电压纵向调制结构，本文对这两种结构抗外电场干扰进行了详细的分析，指出了它们的优缺点，并对纵向调制结构进行了改进，分析表明：改进后的纵向调制结构抗外电场干扰的能力强，信号处理简单，而且把双光路补偿应用到纵向调制结构中，在一定程度上消除了干扰双折射的影响。该结构用直角棱镜代替了普通的四分之一波片，提高了光学电压互感器的稳定性。
光学电压互感器的稳定性一直是影响光学电压互感器实际运用的关键因素。本文对光学电压互感器的稳定性进行了较深入的探讨，从结构、材料等方面讨论了光学电压互感器的误差来源及其处理办法，为研制实用化的光学电压互感器提供了理论指导。
在光学电压互感器中，光纤传导系统起传递信息和绝缘的作用，是不可缺少的部分，也是影响测量精度的一个重要因素。本文分析了光纤的传输特性和光发射与接收组件的性能，并进行了实验研究。实验表明该系统具有很好的线性度，可以在光学电压互感器上使用。
本文还分析了电压互感器准确级对A／D转换器分辨率的要求，设计了以12位模数转换器为核心的数据采集板，实验研究表明，数据采集板的准确性和可靠性是符合要求的。
The disadvantages of traditional voltage transformer, such as difficult-insulation, narrow-bandwidth and danger of burning and blast, become obvious step by step with the increasing voltage class and power capacity. It directly affected safety running of power systems. The optical voltage transformer (OVT) overcomes many disadvantages of traditional voltage transformer. It has a great future.
This paper discussed the basic principle of optical voltage transformer that measures high-voltage in electric power system. This OVT is based on BGO's Pockels effect. The refractive index of BGO changes when an electric field is applied to them. Injecting a linearly polarized beam into the BGO causes the beam to be divided into two linearly polarized beams. The voltage applied can be perceived by measuring the phase difference of the two beams with the help of the two polarized beam interferometry.
The OVT's modulators often apply longitudinal and transverse modulators. This paper analyzed their advantage and disadvantage, and improved longitudinal modulators. This analysis shows that the improved longitudinal modulators have high immunity to electric field interference and simple signal process. Furthermore dual-beam-channel compensation method can be applied to longitudinal modulators, which can eliminate the errors arisen from interferefering birefringence to some extent. The structure substituted rectangular prism for common quarter wave, and improved the stability of the optical voltage transformer.
The stability of optical voltage transformer is the key to holdback the OVT to be applied to practice. The paper discussed detailedly the stability, the origin of error from the aspect of construction, material et al, and the method of eliminating error. It provided the theoretic direction for OVT's practical application.
The fiber transmission system acts as transferring information and insulation. It is a necessary part of OVT and an important factor of influencing the precision. The paper analyzed the fiber transmission character and the performance of emission and receiving module, and had a trial. The trial showed that this system had a good linearity, and it can be used for OVT.
The paper also analyzed the request of the OVT for the A/D converter. We designed
a sampling board with a 12-bit A/D converter. The trial indicated that the veracity and reliability of the board accord with the request.
本文论述了用于电力系统高电压测量的基于电光晶体B60的Pockels效应的光学电压互感器的基本原理：在电场作用下，BGO晶体的折射率发生了变化，一束线偏振光入射晶体后分裂成两束光，利用偏光干涉的方法检测出两束光的位相差就可以得到被测电压的大小。
光学电压互感器常用的是横向调制和全电压纵向调制结构，本文对这两种结构抗外电场干扰进行了详细的分析，指出了它们的优缺点，并对纵向调制结构进行了改进，分析表明：改进后的纵向调制结构抗外电场干扰的能力强，信号处理简单，而且把双光路补偿应用到纵向调制结构中，在一定程度上消除了干扰双折射的影响。该结构用直角棱镜代替了普通的四分之一波片，提高了光学电压互感器的稳定性。
光学电压互感器的稳定性一直是影响光学电压互感器实际运用的关键因素。本文对光学电压互感器的稳定性进行了较深入的探讨，从结构、材料等方面讨论了光学电压互感器的误差来源及其处理办法，为研制实用化的光学电压互感器提供了理论指导。
在光学电压互感器中，光纤传导系统起传递信息和绝缘的作用，是不可缺少的部分，也是影响测量精度的一个重要因素。本文分析了光纤的传输特性和光发射与接收组件的性能，并进行了实验研究。实验表明该系统具有很好的线性度，可以在光学电压互感器上使用。
本文还分析了电压互感器准确级对A／D转换器分辨率的要求，设计了以12位模数转换器为核心的数据采集板，实验研究表明，数据采集板的准确性和可靠性是符合要求的。
The disadvantages of traditional voltage transformer, such as difficult-insulation, narrow-bandwidth and danger of burning and blast, become obvious step by step with the increasing voltage class and power capacity. It directly affected safety running of power systems. The optical voltage transformer (OVT) overcomes many disadvantages of traditional voltage transformer. It has a great future.
This paper discussed the basic principle of optical voltage transformer that measures high-voltage in electric power system. This OVT is based on BGO's Pockels effect. The refractive index of BGO changes when an electric field is applied to them. Injecting a linearly polarized beam into the BGO causes the beam to be divided into two linearly polarized beams. The voltage applied can be perceived by measuring the phase difference of the two beams with the help of the two polarized beam interferometry.
The OVT's modulators often apply longitudinal and transverse modulators. This paper analyzed their advantage and disadvantage, and improved longitudinal modulators. This analysis shows that the improved longitudinal modulators have high immunity to electric field interference and simple signal process. Furthermore dual-beam-channel compensation method can be applied to longitudinal modulators, which can eliminate the errors arisen from interferefering birefringence to some extent. The structure substituted rectangular prism for common quarter wave, and improved the stability of the optical voltage transformer.
The stability of optical voltage transformer is the key to holdback the OVT to be applied to practice. The paper discussed detailedly the stability, the origin of error from the aspect of construction, material et al, and the method of eliminating error. It provided the theoretic direction for OVT's practical application.
The fiber transmission system acts as transferring information and insulation. It is a necessary part of OVT and an important factor of influencing the precision. The paper analyzed the fiber transmission character and the performance of emission and receiving module, and had a trial. The trial showed that this system had a good linearity, and it can be used for OVT.
The paper also analyzed the request of the OVT for the A/D converter. We designed
a sampling board with a 12-bit A/D converter. The trial indicated that the veracity and reliability of the board accord with the request.
引文
1. 房金兰，蔺耀宏．国内外电容式电压互感器目前水平及发展趋势．电力电容器，1999，(1)：1～5，15
2. 宋军强，周彪，杨煜普．新型光学电压互感器及其信号处理的原理与算法．电力系统自动化，2002，26(13)：52～55
3. Josemir Coelho Santos, M. Cengiz Taplamacioglu, Kunihiko Hidak. Pockels High-Voltage Measurement System. IEEE Transactions on Power Delivery, 2000, 15(1): 8～13
4. Hidaka, K. Electric field and voltage measurement by using electro-optic sensor. High Voltage Engineering, 1999. Eleventh International Symposium on (Conf. Publ. No. 467), Volume: 2,23-27 Aug. 1999. Pages:1～14
5. Bauerschmidt, P.; Lerch, R. Optical voltage sensor based on a quartz resonator. Ultrasonics Symposium, 1996. Proceedings., 1996 IEEE, Volume: 1,3-6 Nov. 1996. Pages:383 - 387
6. A.Cruden, Z.J.Richardson, J.R.McDonald, I.Andonovic. Optical crystal based devices for current and voltage measurement. IEEE Transactions on Power Delivery, 2000, 15(1): 1217～1223
7. 黄耀军，严国萍，龙占超．光电式电压互感器的设计与实现．电测与仪表，2000，37(410)：17～20
8. K. Kurosawa, S. Yoshida, E. Mori, G. Takahashi, S. Saito. Development of an Optical Instrument Transformer for DC Voltage Measurement. IEEE Transactions on Power Delivery, 1993, 8(4): 1721～1726
9. Changsheng Li; Yoshino, T.; Optical voltage sensor based on electrooptic crystal multiplier. Journal of Lightwave Technology, 2002, 20(5): 843～849
10. 李开成，叶妙元，陈乔夫．从电磁式电压互感器到光学式光纤电压互感器．变压器，1995，(11)：6～8
11. T. Sawa, K. Kurosawa T. Kaminishi, T. Yokota. Development of Optical Instrument Transformers. IEEE Transactions on Power Delivery, 1990, 5(2): 884～891
12. 李开成，叶妙元，詹琼华，罗苏南，朱勇，崔瑛，徐雁．光纤电压互感器中电光晶体对测量精度的影响．光电工程，2000，27(4)：67～71
13. M.Kanoi, G.Takahashi, T.Sato, M.Higaki, E.Mori, K.Okumura. Optical Voltage and Current Measuring System for Electric Power Systems. IEEE Transactions on Power Delivery, 1986, 1(1): 91～97
14. 崔瑛，叶妙元，陈志萍，周健鹰，欧朝龙，徐雁，李开成．110kv无分压型光纤电压互感器的研制．高电压技术，1998，24(4)：75～78
15. L.H. Christensen. Design, Construction, and Test of a Passive Optical Prototype High Voltage Instrument Transformer. IEEE Transactions on Power Delivery, 1995, 10(3): 1332～1337
16. Kobayashi, S.; Horide, A.; Takagi, I.; Higaki, M.; Takahashi, G.; Mori, E.; Yamagiwa, T.; Development and field test evaluation of optical current and voltage transformers for gas insulated switchgear. IEEE Transactions on Power Delivery, 1992, 7(2): 815～821
17. 朱勇，叶妙元，刘杰，罗苏南，徐雁，易铁．220kv组合式光学电压电流互感器的设计．高电压技术，2000，26(2)：34～36
18. 徐雁，陈志萍，朱勇，崔瑛，叶妙元．无分压纵向线性电光效应用于高电压测量，高电压技术，2000，26(4)：59，60，63，66
19. Jaeger, N.A.F.; Rahmatian, F.; Integrated optics pockels Cell High-Voltage Sensor. IEEE Transactions on Power Delivery, 1995, 10(1): 127～134
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21. Jaeger, N.A.F.; Young, L.; High-voltage sensor employing an integrated optics Mach-Zehnder interferometer in conjunction with a capacitive divider. Journal of Lightwave Technology, 1989,7(2): 229～235
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24. 周伟明，丁洪斌，戚兵，王艺．光纤传感器光源温度特性研究．大连理工大学学报，1994，34(4)：485～488
25. 刘卫东，刘延冰，刘建国．检测微弱光信号的PIN光电检测电路的设计．电测与仪表，1999，36(400)：27～30
26. 罗苏南，叶妙元，徐雁．光纤电压互感器稳定性的分析．中国电机工程学报，2000，20(12)：15～19
27. Henrik Fabricius. Achromatic prism retarder for use in polarimetric sensors. Applied
Optics, 1991, 30(4): 426～429
28. 刘莉，林崇杰．光纤模式噪声的研究．光电工程，1994，21(6)：32～37
29. 管喜康．光纤技术在电工领域中的应用．1992年第一版，水利电力出版社
30. 原荣．光纤通信．2002年10月第一版，电子工业出版社
31. 何葳，徐雁，叶妙元，罗苏南．绝缘气体压力变化对光电电压互感器准确度的影响．变压器，2001，38(5)：34～36
32. Kyung S.Lee. New compensation method for bulk optical sensors with multiple birefringences. Applied Optics. 1989, 28(11): 2001～2011
33. 李家泽，阎吉祥．光电子学基础．1998年8月第一版，北京理工大学出版社
34. 刘国风，间永志，刘彪．棱镜偏振分光镜．压电与声光，1991，13(5)：46～49
35. 张晟，黄德修，殷东亮，陈斯杰．一种新型偏振分光棱镜的设计和应用．光电工程，2003，30(1)：46～49
36. 国家标准局．电压互感器．GB1207-1986．
37. 陈乔夫，李湘生．互感器电抗器的理论与计算．1992年10月第一版，华中理工大学出版社
38. 刘民．几起电磁式电压互感器事故特征及分析．山东电力技术，1998，(6)：28～31
39. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．电容式电压互感器．GB／T4703-2001
40. 房金兰．电容式电压互感器国内外资料汇编．1995年3月，西安电力电容器研究所，1995
41. 蒋民华．晶体物理．1980年12月第一版，山东科学技术出版社
42. 曲林杰，廖延彪，李昱，张庆瑞．物理光学．1980年8月第一版，国防工业出版社
43. 谢克诚．Bi_4Ge_3O_(12)晶体线性电光效应的稳定性分析．压电与声光，1990，12(4)：46～51
44. P.A. Williams, A.H. Rose, K.S. Lee, D.C. Conrad, G.W. Day, P.D. Hale. Optical, Thermo-Optic, Electro-Optic, and Photoelastic Properties of Bismuth Germinate(Bi_4Ge_3O_(12)). Applied Optics, 1996, 35(19): 3562～3569
45. 张克从．近代晶体学基础(上、下)．1987年2月第一版，科学出版社
46. B．卡尔肖著．高希才，王志玉，刘文达译．光纤传感与信号处理．1986年6月第一版，成都电讯工程学院出版社
47. 牟绪程，邓新元，董文达．波动与光学．1994年2月第一版，清华大学出版社
48. 石顺祥，张海关，刘劲松．物理光学与应用光学．2000年8月第一版，西安电子科技大学出版社
49. 徐雁，陈志萍，叶妙元，朱勇．一种新型的高电压测量方法及误差分析．仪器仪
表学报，2001，22(6)：570～572，576
50. 陈春荣，赵新乐．晶体物理性质与检测．1995年12月第一版，北京理工大学出版社
51. 廖延彪．物理光学．1986年3月第一版，电子工业出版社
52. 雷肇棣．物理光学导论．1993年12月第一版，电子科技大学出版社
53. Kyung Shik Lee. Electrooptic voltage sensor: birefringence effects and compensation methods. Applied Optics, 1990, 29(30): 4453～4461
54. 解金山，陈宝珍．光纤数字通信技术．1997年10月第一版，电力工业出版社，
55. G．凯泽著．于耀明，张爽斌，陈达平，陆统熙，钱信中译．光纤通信原理．1988年3月第一版，人民邮电出版社
56. 刘继贤．浅谈光纤的损耗．中国有线电视，2000，(9)：16～19
57. D.M. Rothnie, J.E. Midwinter. Improved standard fibre performance by positioning the dispersion compensating fibre. Electronics letters, 32(20): 1907～1908
58. Junji Ohtsubo, Motonobu Kourogi. Frequency correlation function of modal noise in multimode optical fibers. Journal of Lightwave Technology, 1989, 7(9): 1300～1307
59. 张凤言．模拟乘(除)法器．1988年11月第一版，科学出版社
60. 杨明立．12位A／D变换器AD574及其应用．电光系统，1992，(1)：73～76，65
2. 宋军强，周彪，杨煜普．新型光学电压互感器及其信号处理的原理与算法．电力系统自动化，2002，26(13)：52～55
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46. B．卡尔肖著．高希才，王志玉，刘文达译．光纤传感与信号处理．1986年6月第一版，成都电讯工程学院出版社
47. 牟绪程，邓新元，董文达．波动与光学．1994年2月第一版，清华大学出版社
48. 石顺祥，张海关，刘劲松．物理光学与应用光学．2000年8月第一版，西安电子科技大学出版社
49. 徐雁，陈志萍，叶妙元，朱勇．一种新型的高电压测量方法及误差分析．仪器仪
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52. 雷肇棣．物理光学导论．1993年12月第一版，电子科技大学出版社
53. Kyung Shik Lee. Electrooptic voltage sensor: birefringence effects and compensation methods. Applied Optics, 1990, 29(30): 4453～4461
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56. 刘继贤．浅谈光纤的损耗．中国有线电视，2000，(9)：16～19
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58. Junji Ohtsubo, Motonobu Kourogi. Frequency correlation function of modal noise in multimode optical fibers. Journal of Lightwave Technology, 1989, 7(9): 1300～1307
59. 张凤言．模拟乘(除)法器．1988年11月第一版，科学出版社
60. 杨明立．12位A／D变换器AD574及其应用．电光系统，1992，(1)：73～76，65