邱 进 ，阮江军 ，吴士普 ，毛安澜 ，徐思恩 ，王 玲 ，张 峰

（1.武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072；2.中国电力科学研究院，湖北 武汉 430074；3.南瑞航天（北京）电气控制技术有限公司，北京 100085）

0 引言

特快速暂态过电压VFTO（Very Fast Transient Over-voltage）是超/特高压气体绝缘开关设备 GIS（Gas Insulated Switchgear）设计和运行中十分关心的问题，VFTO信号具有幅值高、陡度大、频率高的特点［1-7］，会引起GIS主回路的对地故障，还会造成相邻设备的绝缘损坏。电力设备的电压等级越高，其绝缘裕度就会越低，VFTO造成危害的可能性也就会越大［8-14］。由于VFTO仿真模型还不完善，难以给出准确的计算结果，因此需要进行VFTO测量。

近年来，很多研究机构都对GIS内部VFTO测量技术进行了研究［15-22］，主要有微积分法和电容分压法。西安交通大学采用在盆式绝缘子表面加装测量电极，再通过微积分电路的方法测量引出信号。该方法测量安装方便，对现场运行没有影响，但是要求盆式绝缘子无金属屏蔽，因此应用受到限制。电容分压窗口式传感器法［23］是在GIS手窗位置预先安装感应电极，与GIS高压导杆之间构成一个杂散电容，同时与GIS接地外壳构成一个电容，实现电容分压。现有的窗口式传感器法采用绝缘膜或集中参数电容制作低压臂电容，其中绝缘膜很薄，使传感器的制作过程对手工工艺的依赖性很大，且温度和湿度的变化会对传感器的性能造成影响；采用集中参数电容器制作低压臂电容的方式虽然在一定程度上提高了系统稳定性，但由于其采用电容分压的原理，测量带宽受限。

针对上述电容式传感器存在的问题，本文提出了一种应用Pockles效应的VFTO光学测量传感器，该传感器采用光学测量的方式，综合利用了光纤传感技术和先进的光电子生产、控制技术，很好地克服了其他原理传感器的缺点。本文对传感器的带宽、性能进行了试验分析，验证了光学方式测量VFTO的可行性。

1 传感器设计

1.1 传感器原理

Pockels效应原理如图1所示，发光二极管LED通过光纤与光纤准直器的输入端连接，光纤准直器将入射光转变为平行光，通过起偏器形成线偏振光，再经1/4波片分解为2束振动方向相互垂直、相差为90°的线偏振光并入射到BGO晶体上，经过BGO晶体产生由高压电场引起的相差，最后将BGO晶体的2路出射光通过检偏器由相位变化转化成光强变化，再分别通过第二光纤准直器、第三光纤准直器经光纤传输至二次光学元件中。其中发光二极管LED为高辐射率小型密封的带尾纤光纤中心波长为850 nm、频谱宽度小于70 μm的红外光；红外光的中心波长变化不超过2 nm，温度变化不超过5℃。本传感单元使用的 BGO晶体的透光区为 0.37 μm×0.37 μm，厚度 0.63 μm，传感单元安装方向为晶体方向与导体方向平行，即采用横向调制方式。

依据上述Pockels效应原理制作的VFTO光学测量传感器结构如图2所示，光学电压传感头放置在探头表面的中心位置，光学电压传感头所粘接的光纤依次通过探头、探头支撑、光纤气密引出装置、光纤保护盒至电气单元。高压母线与光学电压传感头或探头的高度可以通过调节探头支撑的高度来进行灵活调整，达到调节传感器灵敏度的目的。

图1 Pockels效应原理图Fig.1 Schematic diagram of Pockels effect

图2 VFTO光学测量传感器结构图Fig.2 Structure of optical VFTO sensor

由于设计的传感器通过GIS手孔嵌入安装测量VFTO信号，需考虑传感器气密性问题。VFTO光学测量传感器剖面图如图3所示。光纤气密引出装置主要包括金属化光纤、金属管、密封圈、光纤引出法兰和光纤穿通孔。光纤引出法兰的中心设有通孔，光纤引出法兰与探头支撑连接端的端面四周设有一圈环绕探头支撑且与光纤引出法兰同轴的环状凹槽，光纤引出法兰可承受20个大气压。光纤为尾纤经过金属化封装后形成的金属化光纤；金属化光纤外部套有金属管，金属化光纤与金属管之间通过金属焊料焊接在一起，金属管穿过光纤引出法兰中心的通孔将金属化光纤引出；通孔与金属管之间的空隙采用353ND双组酚环氧树脂灌封胶固化，使得353ND双组酚环氧树脂完全填充在光纤穿通孔的空隙。光纤气密引出装置的光纤引出方法采用了光纤金属化封装技术，该技术避免了因GIS腔体与外界环境存在的气压差所造成的光纤引出端气体泄漏，确保了GIS系统的抗压强度和绝缘性能。高压母线与光学电压传感头之间无需任何骨架支撑，设计结构简单，消除了附属支撑物引起的局部放电现象及绝缘耐电压问题。

图3 VFTO光学测量传感器剖面图Fig.3 Section of optical VFTO sensor

1.2 高压一次侧结构设计

VFTO光学测量仪将采用嵌入式安装方式，实现光学电压传感头对GIS中的VFTO的测量，高压一次侧结构设计如图4所示。光学电压传感头采用前述设计方案，对光缆输出接口和安装方向有特殊要求。光缆输出接口采用插拔式光缆接头，光缆为四芯光缆，接头为普通防水接头。传感单元安装方向保证晶体方向与导体方向平行。电气单元主要包括光源驱动电路、宽带光探测器和供电电源，其中宽带光探测器的对外接口转接至机箱壳体上，供电电源为光源和光探测器提供电能。电气单元与传感单元通过3根传输光纤连接，其中上行光纤（由电气单元输出至传感单元）输出普通光，下行光纤（由传感单元输入至电气单元）输出两者之间存在的相位差、偏振方向互成90°的调整光。考虑现场复杂的电磁环境对传感头及光纤信号传输影响较小，抗电磁干扰方面主要是将电气单元整体置于屏蔽箱中，并采用蓄电池逆变供电。

图4 VFTO光学测量传感器高压一次侧结构设计Fig.4 Structural design of high-voltage side of optical VFTO sensor

VFTO光学测量系统由光学电压传感头、电气单元组成，光学电压传感头安装在一次侧，电气单元位于二次侧，电气单元中包含光电解调模块，用于数据输出。VFTO光学测量系统技术参数如表1所示。

表1 VFTO光学测量系统技术参数Table 1 Technical parameters of optical VFTO measuring system

1.3 VFTO光学测量系统测试方案

VFTO光学测量传感器的光学传感部分是基于Pockels效应光学测量原理的，电气单元中的光接收模块负责接收光信号，并将电信号以模拟或数字电压信号的形式输出，模拟信号可直接输出至高速示波器，如图5所示。采用该方案需要考虑示波器的供电和接地问题。

图5 高速示波器数据采集方案Fig.5 Scheme of data acquisition by high-speed oscilloscope

为了便于对VFTO的测量数据进行分析，可进一步将模拟信号转换成数字信号，然后进行存储、显示和分析。其系统方案如图6所示。

图6 高速数据存储、分析、显示方案Fig.6 Storage，analysis and display scheme for high-speed data

其中，数字采集部分可以采用12位超高速1.8 GS/s PCI数据采集卡，其安装在工控机内，有专用的数据采集分析软件（LabVIEW平台），可对数据进行采集、处理和分析。

桅杆采用钢管为立杆。立杆长6 m，下端与两道横杆固定牢固，上端焊50 mm×50 mm×4.5 mm方钢作横杆。在横杆与立杆间焊L50 mm×4.5 mm的斜支撑。在横杆上安装1个定滑轮，钢丝绳通过定滑轮与卷扬机相连。

1.4 系统安装

为了充分了解VFTO在GIS中的传播分布特性，为VFTO仿真建模提供依据，在国网特高压交流试验基地330 kV GIS试验平台上进行了VFTO测量试验，安装示意图如图7所示。测量系统通过同步触发装置触发示波器记录同一时刻对侧安装的VFTO光学测量传感器和电容式VFTO测量传感器测量的VFTO信号。触发装置外接天线检测隔离开关分合过程中产生的电磁波，并将其转化成能触发示波器的电平信号。

图7 光学电压传感头在VFTO试验平台中的安装Fig.7 Optical voltage sensing head installed on VFTO test platform

2 VFTO光学测量系统验证测试

2.1 光路测试

光路测试系统连接图如图8所示，光源为整个光路系统提供光信号，信号源产生的0～2.5 GHz单频正弦信号施加于光学电压传感头之上，通过安捷伦光口示波器接收调制之后的光信号。

图8 光路测试系统连接图Fig.8 Connection diagram of optical path test system

在上述试验条件下，施加1 GHz、峰值10 V的信号源，得到的光路响应如图9所示。经过光口示波器内的光电转换，测量得到输出信号的频率为1GHz、峰值为10mV，波形完整清晰。因此，可以判断本光路系统的带宽可以达到1 GHz以上。

图9 1 GHz信号源下的光路响应Fig.9 Response of optical path to 1 GHz signal source

2.2 实验室环境下低频性能测试

在实验室条件下对VFTO光学测量系统的高速探测器进行如下测试：如图10所示，安捷伦信号发生器产生1 Hz～20 MHz、10 V的单频电压信号，施加在VFTO光学电压传感头上，再由电气单元进行光电解调转换，输出至高速采集卡（采集卡安装于电脑主机），经上位机软件显示数据波形及其有效值，模拟对高频电压信号的测量。根据测试结果绘制高速探测器从1Hz～20MHz的频率响应曲线如图11所示。

图10 低频性能测试系统连接图Fig.10 Connection diagram of low-frequency performance test system

图11 光学传感器低频响应曲线（1 Hz～20 MHz）Fig.11 Low-frequency response curve of optical sensor（1 Hz～20 MHz）

由上述结果可以看到，在1 Hz～10 kHz频率范围内，可拟合探测器响应曲线如下：

其中，u为探测器输出幅值；f为输入信号的频率。

在10 kHz～20 MHz频率范围内，探测器增益比较稳定，可用直线来代替。

对于上述试验的结果，输出信号幅值的数量级在10-4～10-3V之间，光学传感元件所在位置的电场强度为2 V/mm。实际应用中，预计被测信号的幅值将达到1～2 kV，此时相应的电场强度为400 V/mm。所以测量得到的信号幅值也会放大200倍，达到数百mV数量级，信号可以通过示波器很容易观察到，测量结果的信噪比可以得到极大改善。通过探测器增益曲线就可以反算出实际电压值。

2.3 实验室环境下高频性能测试

实验条件下VFTO光学传感器高频信号的频率响应曲线如图12所示，高频信号的频率响应增益如表2所示。

图12 光学传感器高频响应曲线Fig.12 High-frequency response curve of optical sensor

表2 光学传感器高频响应增益Table 2 High-frequency response gains of optical sensor

由图12及表2的结果可看出，高速探测器在154.03 MHz～1.4 GHz的频率范围内，电压信号的最大增益为16.295 dB（对应的频率为772.98 MHz），最小增益为13.016 dB（对应的频率为154.03 MHz），因此该高速探测器的-3 dB带宽约为1.4 GHz。

3 性能试验与分析

基于光学测量的原理可知，温度、湿度和振动对测量传感器的影响微乎其微。为研究所设计的测量系统的实际性能，在GIS试验平台上对侧安装VFTO光学电压传感头和电容式VFTO传感头。

对隔离开关进行多次分合试验产生VFTO信号，通过同步触发装置同时测量2种传感器的实测波形，如图13、14所示。

图13 2种测量方式合闸过程测量结果对比图Fig.13 Comparison of measurements between two measuring methods for close operation

图14 2种测量方式分闸过程测量结果对比图Fig.14 Comparison of measurements between two measuring methods for open operation

由图13、14可见，光学测量方式与电学测量方式均反映了刀闸分合闸的过程，2种方式的分合闸持续时间测量结果吻合较好。

对比图中的时域波形可以看出，电容式测量VFTO的方式测得的VFTO振荡幅值明显小于光学方式的测量结果。

在同等测试带宽条件下，可以看出，光学测量方式VFTO的频谱不仅能涵盖电学测量VFTO的频谱范围，且具有更高的频谱分辨率，同时光学测量方式的频谱范围更广。分析其原因，电学测量方式采用的是电容测量，电容的带宽限制导致其高频响应较差，高频分量的衰减导致在时域内的VFTO振荡幅值减小。

4 结论

本文提出了一种基于无源光学测量方法的VFTO光学测量传感器，不需要电容分压，直接通过零电位电场测量实现高频VFTO测量，具有优异的高带宽测量性能，且与一次GIS组合安装方便，同时又具有安全、可靠、抗干扰、非介入式测量的特点。试验结果表明：采用光学方式对GIS中存在的VFTO信号进行测量是一种可行的方式。经过VFTO光学测量传感器的性能测试验证，该系统具有足够的测量带宽，能够实现宽频域VFTO波形测量。由高频高压信号源引起的测量标定问题后续还需要开展进一步研究。

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