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【摘 要】本文通过对现有电网中电压互感器的研究情况进行了总结和分析， 然后提出了光学互感器发展的必要性和重要性，最后重点介绍了光学电压互感器在逆压电效应原理的前提下的相关应用技术。
【关键词】数字化变电站；光学互感器；电压互感器；逆压电效应
1 概述
互感器作为电力系统配电网中重要的电能量测及继电保护设备之一，其性能直接影响着配电网甚至整个电网的平稳运行。
和常规的电磁式互感器相比较，光学互感器在信号上的传输是通过光来进行的，因此，在传输的过程中是不会产生噪音、电磁波等污染源的。同时，将传统绝缘介质中的磁套绝缘油和绝缘子替换成SF6气体和硅橡胶绝缘子，不仅能够做成无油无气的绝缘介质，还能有效的降低配套设备在生产过程中所造成的污染度，环保性能好。
随着光电子技术的迅速发展，光学互感器（OCT/OVT）代替传统的电磁互感器已是大势所趋。目前，光学电流互感器（OCT）的发展较为迅速，光学电压互感器（OVT）的发展则相对滞后。在目前对光电理论研究进展的情况和光学电流互感器在110KV及以上电压等级中的应用优势分析，基于逆压电效应的改进型光学互感器，在应用的前景上是非常广阔的。
2 研究情况
光学互感器技术应用是智能化电网的重要内容，研究开发光学互感器技术对提高电力技术的创新水平具有非常重大的社会和经济意义。
在我国数字化变电站中，很多电压互感器的应用依旧是以电子式的电压互感器为主。但是，以电阻分压和电容分压为原理的电子式电压互感器，其准确度和动态范围稳定性等方面在原理上就具有一定的局限性，而且非常容易受到来自外界振动、温度变化、电磁场辐射等方面的影响。在这种情况下，对光学电压互感器的研究迫在眉睫。首先，光学电压互感器不存在二次短路且辅助设备大大简化，可避免因此造成人身伤亡事故，减少设备损坏造成用户失电等带来的巨大经济损失。其次，光学电压互感器具有不受电磁干扰、无铁磁谐振和体积小、质量轻等优点，无需油介质，对环境无污染，基本不消耗能量，还可节省大量铜等原材料资源。第三，光学互感器可以大大减少信号传输和处理过程中的误差，提高电网保护、测量和计量系统的精度，简化二次接线，提高系统的可靠性。第四，光学互感器的应用还减少了运行维护和调试工作量，为企业减少了人力成本。
传统变电站由于二次回路多点接地、接地不可靠或接线错误等原因，造成保护误动作事故时有发生。光学互感器以及其智能单元的使用，使得变电站干扰源大幅降低且无二次回路接地问题。同时，光学互感器无磁饱和现象，避免了传统测量互感器负荷因超过互感器变比而引起计量表与实际负荷的计量误差。
3 基于逆压电效应的光学互感器
在科学技术不断发展的今天，变电站已经进入到了数字化和智能电网的高速发展期，在控制、保护和计量上也通过对电压和电流的依赖得以准确获取，在这一发展形式下，电子互感器的实现为这些功能提供了基础性的设备。因此，对于电子式互感器在应用中所出现的诸多问题，加强对光学互感器的研究就显得尤为重要。
目前对于光学电流互感器的研究较为成熟，我国关于光学电流互感器的研究在世界范围内达到了领先水平。例如南瑞航天电气控制技术有限公司研制的全光纤电子式电流互感器（Fiber Optical Current Transformer，FOCT）已应用在一些地区的数字化电网改造中。但是关于光学电压互感器的研究则受限于原理，一直没有较新进展。
光学电压互感器大多采用普克尔（Pockels）效应。所谓Pockels效应是指某些透明的光学介质，其折射率随外加电场而线性地变化。Pockels效应又称为线性光电效应，具有这种电光效应的物质很多。在当前电力高压测量中，用得最多的是一种不存在热点效应、无自然双折射和自然旋光性、透过率非常高的BGO电光晶体。基于Pockels效应的光学电压互感器，在其结构上一共具有三个单元，分别为：高压侧电源供电单元、低压侧信号处理单元、高压侧信号采集处理单元。在这一互感器的运行中，数字信号是由传感器多得到的电压信号在通过高压侧信号采集信号整合中的A/D转换器所获得的，然后，在经过电光转换器对时钟信号和数字信号进行整合，这样就获得了光脉冲信号，此时，光纤将信号传输到起偏器中，通过磁光材料和检偏器，光纤就传输到了低压侧信号处理单元中。
经实验研究证明，光学感应器在传输的过程中，随着环境和温度的变化，其中心波长会发生一定的漂移，工作电流也很大程度上会受到温度变化中LED中心波长的影响，进而引起相位延迟的变化。同时，光学感应器传输中的光强和激励电流呈现着一种正比关系，测量的精度会受到光强变化的影响，而光电转换中响应电流的微弱需要在信号处理中，加强对外界电磁场干扰和温漂的限制。目前，针对新型光学电压互感器的研究很多高校和科研机构，在现有的工作要求和工艺水平上还存在着一定的限制，而本次申报文的进行，不仅希望对这种不稳定现象的发生能从根本上解决，还希望在提高电压互感器测量精度的基础上，减少光学元件成本的产生。
针对这些缺点，我们提出了一种基于逆压电效应的新型光学电压互感器。在这一新型的光学电压互感器中，一旦电压电晶体受到了外加电场的作用，晶体不仅会产生极化现象，在形状上也会发生微小的变化，这一变化就是逆压电效应。在图1所示的基于逆压电效应的Fabry-Perot干涉型光学电压互感器中，其传感头为单模光纤和压电陶瓷（PZT）。根据这一传感头，圆柱两端施加被测电压，压电陶瓷圆柱上（匝数为）固绕单模光纤，这样，在它出现横向应变时就会引起光纤中传输光的相位移（），并产生和压电陶瓷、光纤、光波长相关的常数，由此可见，被测电压（）通过测量就可获得，即= ，为与光波长、光纤及压电陶瓷有关的常数。同时，电压或电场光学传感实现，通过将逆压电效应所引起的晶体形变转化成光信号的调制，并对光信号进行检测就能获得。 图1 基于逆压电效应的Fabry-Perot干涉型光学电压互感器
我们在接下来的研究中将突出晶体选择和传感头的优化两个方面。一般情况下，类似文的研究以传输线路为主要研究对象，而从设备本身的原件选择和结构出发，在改变应用原理的前提下尽可能的为光学电压互感器在高压中的应用和工艺生产的实际做好基础。
表1 非常规互感器的分类
表1是非常规互感器的分类表，从表中我们可以看出非常规互感器的分类以及其对应的原理。
从80年代以后，国外很多像日本东芝公司、法国阿尔斯通公司、瑞典ABB这样的大企业在光学电压互感器上的研究就投入了大量的资金。进入到90年代产品化的研究中，很多产品在电力系统的运行中得以应用。阿尔斯通公司在1995年，与美国奥兰多的Bonneville安装了525KV的电流传感器、复合式光纤电压；ABB公司1996年研制了集成光学电压互感器的光学计量单元（OMU）。
我国在光学电压互感器上的研究是从90年代初开始的，研究的单位以清华大学、北方交通大学、华中科技大学、上海互感器厂为主。但是，目前处于试运行阶段的光学电压互感器大多基于Pockels效应。在技术不断发展的今天，世界各国都在致力于对基于Pockels效应光学电压互感器的研究，并在研究中加强着对其他更好方式的探寻，但是，不论结果如何，光学电压互感器在性能上的提高潜力是非常大的。
4 结语
在光学电压互感器领域的研究上，我国和国外相比一直处于落后状态。近年来，我国在这方面的研究虽有许多突破性的成果，例如燕山大学在近期就刚刚研制出了一种在逆压电效应的基础上结合模间干涉原来的新型光学电压互感器，但是这一切也仅停留在理论研究阶段。在发展智能电网的政策方针下，光学电压互感器的研制已经是各家公司、科研机构和高校的热门研究方向，其研究的成熟性不言而喻。
参考文献：
[1]蔡德煌.互感器在变电运行中的应用[J].中国高新技术企业，2012（18）.
[2]谭晓.变电站电流互感器安装试验方法分析[J].中国高新技术企业，2012（16）.
作者简介：
袁艺文，男，1979年1月，籍贯：山西省怀仁县，研究方向：电网安全运行管理，现供职单位：广东电网公司佛山禅城供电局，职称：电力工程技术高级工程师
【关键词】数字化变电站；光学互感器；电压互感器；逆压电效应
1 概述
互感器作为电力系统配电网中重要的电能量测及继电保护设备之一，其性能直接影响着配电网甚至整个电网的平稳运行。
和常规的电磁式互感器相比较，光学互感器在信号上的传输是通过光来进行的，因此，在传输的过程中是不会产生噪音、电磁波等污染源的。同时，将传统绝缘介质中的磁套绝缘油和绝缘子替换成SF6气体和硅橡胶绝缘子，不仅能够做成无油无气的绝缘介质，还能有效的降低配套设备在生产过程中所造成的污染度，环保性能好。
随着光电子技术的迅速发展，光学互感器（OCT/OVT）代替传统的电磁互感器已是大势所趋。目前，光学电流互感器（OCT）的发展较为迅速，光学电压互感器（OVT）的发展则相对滞后。在目前对光电理论研究进展的情况和光学电流互感器在110KV及以上电压等级中的应用优势分析，基于逆压电效应的改进型光学互感器，在应用的前景上是非常广阔的。
2 研究情况
光学互感器技术应用是智能化电网的重要内容，研究开发光学互感器技术对提高电力技术的创新水平具有非常重大的社会和经济意义。
在我国数字化变电站中，很多电压互感器的应用依旧是以电子式的电压互感器为主。但是，以电阻分压和电容分压为原理的电子式电压互感器，其准确度和动态范围稳定性等方面在原理上就具有一定的局限性，而且非常容易受到来自外界振动、温度变化、电磁场辐射等方面的影响。在这种情况下，对光学电压互感器的研究迫在眉睫。首先，光学电压互感器不存在二次短路且辅助设备大大简化，可避免因此造成人身伤亡事故，减少设备损坏造成用户失电等带来的巨大经济损失。其次，光学电压互感器具有不受电磁干扰、无铁磁谐振和体积小、质量轻等优点，无需油介质，对环境无污染，基本不消耗能量，还可节省大量铜等原材料资源。第三，光学互感器可以大大减少信号传输和处理过程中的误差，提高电网保护、测量和计量系统的精度，简化二次接线，提高系统的可靠性。第四，光学互感器的应用还减少了运行维护和调试工作量，为企业减少了人力成本。
传统变电站由于二次回路多点接地、接地不可靠或接线错误等原因，造成保护误动作事故时有发生。光学互感器以及其智能单元的使用，使得变电站干扰源大幅降低且无二次回路接地问题。同时，光学互感器无磁饱和现象，避免了传统测量互感器负荷因超过互感器变比而引起计量表与实际负荷的计量误差。
3 基于逆压电效应的光学互感器
在科学技术不断发展的今天，变电站已经进入到了数字化和智能电网的高速发展期，在控制、保护和计量上也通过对电压和电流的依赖得以准确获取，在这一发展形式下，电子互感器的实现为这些功能提供了基础性的设备。因此，对于电子式互感器在应用中所出现的诸多问题，加强对光学互感器的研究就显得尤为重要。
目前对于光学电流互感器的研究较为成熟，我国关于光学电流互感器的研究在世界范围内达到了领先水平。例如南瑞航天电气控制技术有限公司研制的全光纤电子式电流互感器（Fiber Optical Current Transformer，FOCT）已应用在一些地区的数字化电网改造中。但是关于光学电压互感器的研究则受限于原理，一直没有较新进展。
光学电压互感器大多采用普克尔（Pockels）效应。所谓Pockels效应是指某些透明的光学介质，其折射率随外加电场而线性地变化。Pockels效应又称为线性光电效应，具有这种电光效应的物质很多。在当前电力高压测量中，用得最多的是一种不存在热点效应、无自然双折射和自然旋光性、透过率非常高的BGO电光晶体。基于Pockels效应的光学电压互感器，在其结构上一共具有三个单元，分别为：高压侧电源供电单元、低压侧信号处理单元、高压侧信号采集处理单元。在这一互感器的运行中，数字信号是由传感器多得到的电压信号在通过高压侧信号采集信号整合中的A/D转换器所获得的，然后，在经过电光转换器对时钟信号和数字信号进行整合，这样就获得了光脉冲信号，此时，光纤将信号传输到起偏器中，通过磁光材料和检偏器，光纤就传输到了低压侧信号处理单元中。
经实验研究证明，光学感应器在传输的过程中，随着环境和温度的变化，其中心波长会发生一定的漂移，工作电流也很大程度上会受到温度变化中LED中心波长的影响，进而引起相位延迟的变化。同时，光学感应器传输中的光强和激励电流呈现着一种正比关系，测量的精度会受到光强变化的影响，而光电转换中响应电流的微弱需要在信号处理中，加强对外界电磁场干扰和温漂的限制。目前，针对新型光学电压互感器的研究很多高校和科研机构，在现有的工作要求和工艺水平上还存在着一定的限制，而本次申报文的进行，不仅希望对这种不稳定现象的发生能从根本上解决，还希望在提高电压互感器测量精度的基础上，减少光学元件成本的产生。
针对这些缺点，我们提出了一种基于逆压电效应的新型光学电压互感器。在这一新型的光学电压互感器中，一旦电压电晶体受到了外加电场的作用，晶体不仅会产生极化现象，在形状上也会发生微小的变化，这一变化就是逆压电效应。在图1所示的基于逆压电效应的Fabry-Perot干涉型光学电压互感器中，其传感头为单模光纤和压电陶瓷（PZT）。根据这一传感头，圆柱两端施加被测电压，压电陶瓷圆柱上（匝数为）固绕单模光纤，这样，在它出现横向应变时就会引起光纤中传输光的相位移（），并产生和压电陶瓷、光纤、光波长相关的常数，由此可见，被测电压（）通过测量就可获得，即= ，为与光波长、光纤及压电陶瓷有关的常数。同时，电压或电场光学传感实现，通过将逆压电效应所引起的晶体形变转化成光信号的调制，并对光信号进行检测就能获得。 图1 基于逆压电效应的Fabry-Perot干涉型光学电压互感器
我们在接下来的研究中将突出晶体选择和传感头的优化两个方面。一般情况下，类似文的研究以传输线路为主要研究对象，而从设备本身的原件选择和结构出发，在改变应用原理的前提下尽可能的为光学电压互感器在高压中的应用和工艺生产的实际做好基础。
表1 非常规互感器的分类
表1是非常规互感器的分类表，从表中我们可以看出非常规互感器的分类以及其对应的原理。
从80年代以后，国外很多像日本东芝公司、法国阿尔斯通公司、瑞典ABB这样的大企业在光学电压互感器上的研究就投入了大量的资金。进入到90年代产品化的研究中，很多产品在电力系统的运行中得以应用。阿尔斯通公司在1995年，与美国奥兰多的Bonneville安装了525KV的电流传感器、复合式光纤电压；ABB公司1996年研制了集成光学电压互感器的光学计量单元（OMU）。
我国在光学电压互感器上的研究是从90年代初开始的，研究的单位以清华大学、北方交通大学、华中科技大学、上海互感器厂为主。但是，目前处于试运行阶段的光学电压互感器大多基于Pockels效应。在技术不断发展的今天，世界各国都在致力于对基于Pockels效应光学电压互感器的研究，并在研究中加强着对其他更好方式的探寻，但是，不论结果如何，光学电压互感器在性能上的提高潜力是非常大的。
4 结语
在光学电压互感器领域的研究上，我国和国外相比一直处于落后状态。近年来，我国在这方面的研究虽有许多突破性的成果，例如燕山大学在近期就刚刚研制出了一种在逆压电效应的基础上结合模间干涉原来的新型光学电压互感器，但是这一切也仅停留在理论研究阶段。在发展智能电网的政策方针下，光学电压互感器的研制已经是各家公司、科研机构和高校的热门研究方向，其研究的成熟性不言而喻。
参考文献：
[1]蔡德煌.互感器在变电运行中的应用[J].中国高新技术企业，2012（18）.
[2]谭晓.变电站电流互感器安装试验方法分析[J].中国高新技术企业，2012（16）.
作者简介：
袁艺文，男，1979年1月，籍贯：山西省怀仁县，研究方向：电网安全运行管理，现供职单位：广东电网公司佛山禅城供电局，职称：电力工程技术高级工程师