全光学电压互感器关键技术及其工程应用

（张志鑫 谭金权 石梅荣 张峰 孙祥龙）

南瑞航天(北京) 电气控制技术有限公司北京 100085

摘要：全光学电压互感器基于Pockels 光电测量原理，实现了电压的非介入式、宽频域及精密测量，准确度达到0.2/3P，具有本质安全、强绝缘能力、突出的抗快速暂态过电压（VFTO ）干扰性能及可靠性等优点。此外，全光学互感器大幅度降低了运行维护成本，不需要定期检修，通过状态自诊断即可实现产品状态维修，节省占地面积。我国独立自主率先开发出工程化产品，解决了无源式电子式互感器温度、振动等环境适应性及长期可靠性的关键技术难题，在我国智能化变电站建设中10余个工程项目得到应用，应用数量超过100台，产品运行稳定，总体运行情况良好。光学电压互感器基于全新的测量原理，在集成一体化、智能化、安全性、可靠性方面具有突出的优势，在未来的智能变电站建设中具有广阔的应用空间。 关键字：全光学电压互感器、温度、振动，工程应用

The key technologies and the engineering applications of all optical voltage transformer

ZHANG Zhi-xing, TAN Jin-quan, SHI Mei-rong, ZHANG Feng, SUN Xiang-long

NAE(Beijing) Electric Control Technology Ltd. 100085

optical voltage transformer based on the principle of Pockels

Abstract ：All

photoelectric measurement achieves the voltage of the non intrusive, wide frequency range, precision measurement, the accuracy of 0.2/3P and has the advantages of intrinsic safety, strong insulating ability, the outstanding performance of VFTO interference and reliability etc. Furthermore, all-optical transformer dramatically reduces operation and maintenance cost. It saves floor space and doesn"t need regular overhauling as it can achieve condition-based maintenance by self-diagnosis. China has taked the lead in developing engineering products, solves the key technical problems of passive electronic transformer ’s temperature, vipation, other environmental adapt ability , long term reliability and they have applied in more than 10 projects of Intelligent substation construction in China. The number of application is more than 100. The products are running stable, generally operating in good condition. All-optical voltage transformer based on the new measuring principle has the outstanding advantages of integration, intelligence, security and reliability and has a poad application space in the future construction of Smart Substation.

Key Words：All optical voltage transformer, Temperature, Vipation, The engineering applications

0．引言

近年来，随着物联网、云计算等技术在电网的应用，发展可靠、安全和高效的智能电网已上升为国家能源战略。新一代智能电网将是电力系统未来10年的主要发展方向。互感器在电网中起着精确快速测量电学参量的作用，是智能电网的核心基础设备。电磁式互感器在常规输变电领域中长期应用，但存在磁饱和、绝缘复杂、有爆炸、电磁谐振、二次短路危险及暂态性能差等固有缺点，已不能满足新一代智能电网集成一体化、智能化、安全性、可靠性的需求。因此，互感器技术已成为新一代智能电网技术发展的瓶颈技术之一。

电子式电压互感器与传统的电磁式互感器相比具有高精度，高线性度，宽频带，体积小，重量轻等优点。电子式电压互感器可以根据需要输出低压模拟量和数字量，可直接用于微机保护和电子式计量设备，而且能实现在线检测和故障诊断，适应了电力系统数字化、智能化和网络化的需要。电子式电压互感器分为有源式和无源式电压互感器。有源式电压互感器主要有电阻分压电子式电压互感器和电容分压电子式电压互感器，但存在温度漂移、杂散电容和电压过零误差及抗干扰等不足，不能满足高电压等级的需求。对于GIS 结构，由于采用SF6气体绝缘，可以采用电容环分压结构，这种结构的电子式电压互感器具有优良的暂态性能，但存在敏感温度误差难以保证、抗快速暂态过电压（VFTO ）难题。

总体来看，有源式电子式电压互感器在AIS 应用场合存在绝缘性能不好及暂态特性差的不足，在GIS 应用上存在抗VFTO 干扰

的难题，在实际运行中故障率较高。无源电子式电压互感器不需电容分压，绝缘性能好、暂态特性好、集成度高，可以实现与GIS 高度集成，大幅度节省安装空间。但是光学电压互感器研制难度大，需要解决温度、振动稳定性及长期可靠性难题。

无源式电压测量主要有Pockels 效应原理及逆压电效应原理，目前工程化产品均为Pockels 效应原理。我国对光学电压传感器的研究始于80年代，南瑞航天、华中科技、许继光电等对光学电压互感器开展了研究。目前，南瑞航天突破稳定性、可靠性工程化难题，率先开发出工程化产品，并通过中国电科院武高所型式试验及评测，并在国内10座变电站得以应用，应用数量100余台，运行稳定可靠。

全光学电压互感器（OVT ）基于Pockels 电光效应[1][2][3]的电压传感技术为基础，实现高压一次电压非接触光学准确测量，克服了电磁感应、电容分压型电压互感器安全感性差、谐振、暂态特性不好等问题。具有故障智能自诊断和抗VFTO 干扰性能，易于集成。安装方式灵活，可与隔离式断路器、GIS 、等高压一次设备高度集成，大幅度节约占地。

本文从OVT 的光路、光学器件、工艺及工程应用设计方面进行研究，提出了全光学电压互感器温度、振动等环境适应性及长期可靠性问题的解决技术方案。 1．全光学电压互感器原理及关键技术 1.1 全光学电压互感器原理

Pockels 效应是指某些光学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 效应使线偏光入射晶体后产生双折射，这样从晶体出射的两双折射光束就产生了相位延迟，该延迟量与外加电场的强度成正比，通过检测该相位差即可得知外加电压/电场的大小。如图1所示。

图1 Pockels效应原理图

1.2 关键技术

OVT 研制难度大，下面主要从光路、光学器件、工艺及工程应用设计方面进行研究，解决OVT 温度、高压绝缘及工程应用等关键技术问题。主要包括：

1）利用Pockels 双偏振复用光路测量，通过双极光路误差抑制技术，提高产品的准确度光学电压互感器创新双偏振复用光路的干涉解调技术，显著降低了光学晶体热特性、应力特性对精度的影响；光学闭环反馈控制回路可以使SLD 光源输出功率更稳定，有效地控制了SLD 光源中心波长的漂移现象。对双光路信号中的交流量和直流量同时获取，减少模拟电路受温度漂移和带宽限制的影响。

图2 双极光路

2）优化敏感元件锗酸铋(BGO)处理工艺，提高稳定性及可靠性通过BGO 横向调制技术测量电压，BGO 敏感晶体的工艺处理及封装固化为核心技术之一，通过大量的试验及工艺改进，突破工艺难题，实现工程化长期稳定性产品；

3）突破金属化光纤气密技术及零电位安装非接触电压测量，根本上解决高压绝缘难题，全球首次实现高压GIS 一体化集成技术，并实现独立式（图3所示）、GIS 罐体式（图4所示）及嵌入式安装方案（图5所示），节省空间90%以上，可大幅度较少尺寸、降低成本，并具有突出绝缘优势，测量准确度可达到0.2/3P，并实现组合式光学互感器（图6所示）；

图3 独立式OVT 图4罐体式OVT

图5 GIS嵌入式OVT 图6组合式光学互感器

4）全光学电压互感器的故障主要为器件或部组件的失效为主，可分为三部分，包括光路故障、硬件或光电子器件故障以及采集电路故障。其中，光路故障包括光纤断裂、光学元器件损坏造成的无光或者光功率衰减；采集电路故障包括AD 和AD 驱动电路损坏。

全光学电压互感器设计了在线实时自诊断系统，这些故障均可以进行有效诊断，从而能够及时向后端发送故障报警信号，避免由于互感器本身故障造成的保护误动。

5）创新特种光学器件、部件制备和高压电场等势腔的独创性工艺技术，攻克高低温、振动及电磁干扰等环境适应性难题。

在光学电压互感器中，分立的光学器件如光学棱镜、波片等，光学器件微位移带来的光路偏差角以及系统干扰双折射等因素会严重影响系统稳定性。通过高精度全光纤四分之一波片制备，补偿了光纤敏感线圈温度变化引起的标度因数漂移；采用Lyot 消偏器消除了光路偏振态受温度、光纤振动等因素引起的光功率波动，解决了光学电压互感器对温度、振动等环境的适应性与长期稳定性难题。

PBS 和四分之一波片的制备及温度补偿技术

错误！未找到引用源。7所示的结构中，以两个90

全反射棱镜构成的λ/4反射延迟

器取代了普通的λ/4波片，这样，不仅使测量装置的结构更紧凑，便于安装固定，而且两个90

全反射棱镜构成的λ/4反射延

迟器与传统的λ/4波片相比，可以大大改善光学电压互感器的稳定性。

图7全反射棱镜

光学电压互感器准确度会随外界温度而变化，为了降低温度的影响，本项目通过改变制备的四分之一波片相位角的方法，实现与敏感元件对标度因数的影响大小相等，符号相反，补偿了标度因数随温度的变化（见图8）。通过四分之一波片的制备与温度补偿，将装置全温度范围误差由1%提高至0.2%。

图8 四分之一波片功能示意图

采用高压电场等势腔技术，将干扰电场对精度的影响减小2个量级以上。特别是110kV 三相一体GIS 旁路干扰非常大，通过等势腔抗干扰技术，从根本上解决工程现场电磁干扰问题。

图9等势腔电场屏蔽技术

1. 3 试验验证情况

我国光学电压互感器研制处于世界先进水平，开发出全球一台GIS 用光学电压互感器，同时开发出独立支柱式、GIS

嵌入式

系列化型谱产品。全光学电压互感器已先后在武高所和西高所通过110kV 支柱式和GIS 式、220kV 支柱式和GIS 式型式试验，并于2011年通过中国电科院武汉高压研究所评测试验。

2. 全光学电压互感器技术指标

OVT 性能指标符合国际标准（IEC60044-7）和国家标准（GB/T 20840.7），可以广泛用于智能变电站中的继电保护装置、监控测量装置、计量设备及故障录波装置及其他类似装置的数据采集，并满足相关设备对数据采集的各项需求。OVT 的主要技术参数如表1所示。

表1全光学电压互感器主要技术参数

3. 全光学电压互感器应用情况及典型应用案例 3.1 应用情况

目前，从国内外OVT 的应用数量来看，南瑞航天OVT 应用数量居世界首位。安徽110kV 桓谭变电站首次采用光学电压互感器，江苏500kV 常熟南变电站全站采用光学互感器，独立支柱式和GIS 应用方式。此外，在西开220kV 智能化工程、南京110kV 江宁基地、山东220kV 实训变电站、河北110kV 苏正变电站、深圳110kV 燕南变电站、云南楚雄110kV 上营变电站等工程项目中得到应用，目前正在1000kV 电压等级推广

应用。

从应用情况来看，变电站采用全光学电压互感器，实现了一次设备100%在线监控，减少了建设成本和维护工作量，提升了电网智能化水平，且由于全光学电压互感器具备故障自诊断功能，能够在线诊断设备的运行状况，提前发现产品隐患，并将报警信息发送至后台，从而避免误跳闸等重大事故。 3.2 典型应用案例

1）江苏500kV 常熟南变电站 江苏500kV 常熟南变电站为国家电网公司第二批智能化试点工程，也是江苏省内首座500kV 智能化变电站试点工程。

该站220kV 全站采用OVT ，应用方式包括独立支柱式及GIS 罐体式，实现全球在220kV 电压等级全站首次应用。

图10 OVT GIS应用方式 图11 OVT支柱式应用方式2）安徽110kV 桓谭变电站

安徽110kV 桓谭变电站是国家电网公司第二批智能电网建设试点项目。该站采用了全光纤电流互感器与光学电压互感器。OVT 为110kV 三相一体GIS 应用方式，通过等势腔技术突破了三相之间干扰、温度稳定性等技术难题，性能达到国际领先水平。该应用不但在国内，在世界范围内也属首次，见图12。

图12 OVT GIS应用

4. 总结

相对而言全光学互感器敞开独立支柱式应用于在110kV 、220kV 比传统CVT 电压互感器价格稍贵, 在GIS 应用方式价格具有优势。考虑全寿命周期成本及综合性价比，光学互感器具有突出的优势。一方面节省占地面积，可以实现变电站更加灵活的配置，节省工业用地，满足了新一代智能化变电站提出集成一体化要求。第二方面，光学互感器与GIS 集成一体化，节省GIS 罐体及绝缘盆，特别是嵌入式光学电压互感器，不需要独立的GIS 罐体，可省掉绝缘盆，不仅大幅度节省成本，还提高了可靠性。另外，光学互感器绝缘性能好，具有智能化功能，大幅度降低了运行维护成本，不需要定期检修，通过状态自诊断即可实现产品状态维修。

除了满足智能化变电站继电保护、测控、计量常规电压测量需求外，全光学电压互感器具有突出的暂态特性，潜在的测量带宽高达1GHz ，可应用于宽频域暂态电压测量，如电能品质检测、行波电压测量、VFTO 测量、雷电波测量等，目前已经应用于中国电科院高压所GIS 快速暂态过电压测量，测量带宽500MHz 。

全光学电压互感器技术具有传统电压测量技术所不可比拟的优点，成为电压测量

技术革命性换代产品。该产品立足国内基础研究平台及工艺条件，从原理分析、光路设计、信号检测、工艺技术及应用适应性设计技术等方面取得突破，解决了光电式互感器温度、振动及电磁干扰等环境适应性及长期可靠性等关键技术难题，可广泛应用于未来

智能化变电站建设，具有广阔的应用前景。 参考文献：

[1] Ryszard Malewski, High-voltage Current

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[2] A .J. Rogers, Optical Methods in Optical

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[5] M .Kuribara, et al ,Passive Optical

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[6] GB/T 20840.7互感器第7部分：电子式

电压互感器.

[7] IEC60044-7互感器第7部分：电子式电

压互感器. 作者简介：

张志鑫（1964-），男，硕士，研究员，光电技术与仪器、惯性技术。

谭金权（1980-），男，硕士，高级工程师，互感器设计、结构设计。