邱 進(jìn) ，阮江軍 ，吳士普 ，毛安瀾 ，徐思恩 ，王 玲 ，張 峰

（1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.中國電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074；3.南瑞航天（北京）電氣控制技術(shù)有限公司，北京 100085）

0 引言

特快速暫態(tài)過電壓VFTO（Very Fast Transient Over-voltage）是超/特高壓氣體絕緣開關(guān)設(shè)備 GIS（Gas Insulated Switchgear）設(shè)計和運行中十分關(guān)心的問題，VFTO信號具有幅值高、陡度大、頻率高的特點［1-7］，會引起GIS主回路的對地故障，還會造成相鄰設(shè)備的絕緣損壞。電力設(shè)備的電壓等級越高，其絕緣裕度就會越低，VFTO造成危害的可能性也就會越大［8-14］。由于VFTO仿真模型還不完善，難以給出準(zhǔn)確的計算結(jié)果，因此需要進(jìn)行VFTO測量。

近年來，很多研究機構(gòu)都對GIS內(nèi)部VFTO測量技術(shù)進(jìn)行了研究［15-22］，主要有微積分法和電容分壓法。西安交通大學(xué)采用在盆式絕緣子表面加裝測量電極，再通過微積分電路的方法測量引出信號。該方法測量安裝方便，對現(xiàn)場運行沒有影響，但是要求盆式絕緣子無金屬屏蔽，因此應(yīng)用受到限制。電容分壓窗口式傳感器法［23］是在GIS手窗位置預(yù)先安裝感應(yīng)電極，與GIS高壓導(dǎo)桿之間構(gòu)成一個雜散電容，同時與GIS接地外殼構(gòu)成一個電容，實現(xiàn)電容分壓?，F(xiàn)有的窗口式傳感器法采用絕緣膜或集中參數(shù)電容制作低壓臂電容，其中絕緣膜很薄，使傳感器的制作過程對手工工藝的依賴性很大，且溫度和濕度的變化會對傳感器的性能造成影響；采用集中參數(shù)電容器制作低壓臂電容的方式雖然在一定程度上提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，但由于其采用電容分壓的原理，測量帶寬受限。

針對上述電容式傳感器存在的問題，本文提出了一種應(yīng)用Pockles效應(yīng)的VFTO光學(xué)測量傳感器，該傳感器采用光學(xué)測量的方式，綜合利用了光纖傳感技術(shù)和先進(jìn)的光電子生產(chǎn)、控制技術(shù)，很好地克服了其他原理傳感器的缺點。本文對傳感器的帶寬、性能進(jìn)行了試驗分析，驗證了光學(xué)方式測量VFTO的可行性。

1 傳感器設(shè)計

1.1 傳感器原理

Pockels效應(yīng)原理如圖1所示，發(fā)光二極管LED通過光纖與光纖準(zhǔn)直器的輸入端連接，光纖準(zhǔn)直器將入射光轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄?，通過起偏器形成線偏振光，再經(jīng)1/4波片分解為2束振動方向相互垂直、相差為90°的線偏振光并入射到BGO晶體上，經(jīng)過BGO晶體產(chǎn)生由高壓電場引起的相差，最后將BGO晶體的2路出射光通過檢偏器由相位變化轉(zhuǎn)化成光強變化，再分別通過第二光纖準(zhǔn)直器、第三光纖準(zhǔn)直器經(jīng)光纖傳輸至二次光學(xué)元件中。其中發(fā)光二極管LED為高輻射率小型密封的帶尾纖光纖中心波長為850 nm、頻譜寬度小于70 μm的紅外光；紅外光的中心波長變化不超過2 nm，溫度變化不超過5℃。本傳感單元使用的 BGO晶體的透光區(qū)為 0.37 μm×0.37 μm，厚度 0.63 μm，傳感單元安裝方向為晶體方向與導(dǎo)體方向平行，即采用橫向調(diào)制方式。

依據(jù)上述Pockels效應(yīng)原理制作的VFTO光學(xué)測量傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，光學(xué)電壓傳感頭放置在探頭表面的中心位置，光學(xué)電壓傳感頭所粘接的光纖依次通過探頭、探頭支撐、光纖氣密引出裝置、光纖保護盒至電氣單元。高壓母線與光學(xué)電壓傳感頭或探頭的高度可以通過調(diào)節(jié)探頭支撐的高度來進(jìn)行靈活調(diào)整，達(dá)到調(diào)節(jié)傳感器靈敏度的目的。

圖1 Pockels效應(yīng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of Pockels effect

圖2 VFTO光學(xué)測量傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of optical VFTO sensor

由于設(shè)計的傳感器通過GIS手孔嵌入安裝測量VFTO信號，需考慮傳感器氣密性問題。VFTO光學(xué)測量傳感器剖面圖如圖3所示。光纖氣密引出裝置主要包括金屬化光纖、金屬管、密封圈、光纖引出法蘭和光纖穿通孔。光纖引出法蘭的中心設(shè)有通孔，光纖引出法蘭與探頭支撐連接端的端面四周設(shè)有一圈環(huán)繞探頭支撐且與光纖引出法蘭同軸的環(huán)狀凹槽，光纖引出法蘭可承受20個大氣壓。光纖為尾纖經(jīng)過金屬化封裝后形成的金屬化光纖；金屬化光纖外部套有金屬管，金屬化光纖與金屬管之間通過金屬焊料焊接在一起，金屬管穿過光纖引出法蘭中心的通孔將金屬化光纖引出；通孔與金屬管之間的空隙采用353ND雙組酚環(huán)氧樹脂灌封膠固化，使得353ND雙組酚環(huán)氧樹脂完全填充在光纖穿通孔的空隙。光纖氣密引出裝置的光纖引出方法采用了光纖金屬化封裝技術(shù)，該技術(shù)避免了因GIS腔體與外界環(huán)境存在的氣壓差所造成的光纖引出端氣體泄漏，確保了GIS系統(tǒng)的抗壓強度和絕緣性能。高壓母線與光學(xué)電壓傳感頭之間無需任何骨架支撐，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，消除了附屬支撐物引起的局部放電現(xiàn)象及絕緣耐電壓問題。

圖3 VFTO光學(xué)測量傳感器剖面圖Fig.3 Section of optical VFTO sensor

1.2 高壓一次側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計

VFTO光學(xué)測量儀將采用嵌入式安裝方式，實現(xiàn)光學(xué)電壓傳感頭對GIS中的VFTO的測量，高壓一次側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。光學(xué)電壓傳感頭采用前述設(shè)計方案，對光纜輸出接口和安裝方向有特殊要求。光纜輸出接口采用插拔式光纜接頭，光纜為四芯光纜，接頭為普通防水接頭。傳感單元安裝方向保證晶體方向與導(dǎo)體方向平行。電氣單元主要包括光源驅(qū)動電路、寬帶光探測器和供電電源，其中寬帶光探測器的對外接口轉(zhuǎn)接至機箱殼體上，供電電源為光源和光探測器提供電能。電氣單元與傳感單元通過3根傳輸光纖連接，其中上行光纖（由電氣單元輸出至傳感單元）輸出普通光，下行光纖（由傳感單元輸入至電氣單元）輸出兩者之間存在的相位差、偏振方向互成90°的調(diào)整光?？紤]現(xiàn)場復(fù)雜的電磁環(huán)境對傳感頭及光纖信號傳輸影響較小，抗電磁干擾方面主要是將電氣單元整體置于屏蔽箱中，并采用蓄電池逆變供電。

圖4 VFTO光學(xué)測量傳感器高壓一次側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.4 Structural design of high-voltage side of optical VFTO sensor

VFTO光學(xué)測量系統(tǒng)由光學(xué)電壓傳感頭、電氣單元組成，光學(xué)電壓傳感頭安裝在一次側(cè)，電氣單元位于二次側(cè)，電氣單元中包含光電解調(diào)模塊，用于數(shù)據(jù)輸出。VFTO光學(xué)測量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 VFTO光學(xué)測量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of optical VFTO measuring system

1.3 VFTO光學(xué)測量系統(tǒng)測試方案

VFTO光學(xué)測量傳感器的光學(xué)傳感部分是基于Pockels效應(yīng)光學(xué)測量原理的，電氣單元中的光接收模塊負(fù)責(zé)接收光信號，并將電信號以模擬或數(shù)字電壓信號的形式輸出，模擬信號可直接輸出至高速示波器，如圖5所示。采用該方案需要考慮示波器的供電和接地問題。

圖5 高速示波器數(shù)據(jù)采集方案Fig.5 Scheme of data acquisition by high-speed oscilloscope

為了便于對VFTO的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可進(jìn)一步將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后進(jìn)行存儲、顯示和分析。其系統(tǒng)方案如圖6所示。

圖6 高速數(shù)據(jù)存儲、分析、顯示方案Fig.6 Storage，analysis and display scheme for high-speed data

其中，數(shù)字采集部分可以采用12位超高速1.8 GS/s PCI數(shù)據(jù)采集卡，其安裝在工控機內(nèi)，有專用的數(shù)據(jù)采集分析軟件（LabVIEW平臺），可對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和分析。

桅桿采用鋼管為立桿。立桿長6 m，下端與兩道橫桿固定牢固，上端焊50 mm×50 mm×4.5 mm方鋼作橫桿。在橫桿與立桿間焊L50 mm×4.5 mm的斜支撐。在橫桿上安裝1個定滑輪，鋼絲繩通過定滑輪與卷揚機相連。

1.4 系統(tǒng)安裝

為了充分了解VFTO在GIS中的傳播分布特性，為VFTO仿真建模提供依據(jù)，在國網(wǎng)特高壓交流試驗基地330 kV GIS試驗平臺上進(jìn)行了VFTO測量試驗，安裝示意圖如圖7所示。測量系統(tǒng)通過同步觸發(fā)裝置觸發(fā)示波器記錄同一時刻對側(cè)安裝的VFTO光學(xué)測量傳感器和電容式VFTO測量傳感器測量的VFTO信號。觸發(fā)裝置外接天線檢測隔離開關(guān)分合過程中產(chǎn)生的電磁波，并將其轉(zhuǎn)化成能觸發(fā)示波器的電平信號。

圖7 光學(xué)電壓傳感頭在VFTO試驗平臺中的安裝Fig.7 Optical voltage sensing head installed on VFTO test platform

2 VFTO光學(xué)測量系統(tǒng)驗證測試

2.1 光路測試

光路測試系統(tǒng)連接圖如圖8所示，光源為整個光路系統(tǒng)提供光信號，信號源產(chǎn)生的0～2.5 GHz單頻正弦信號施加于光學(xué)電壓傳感頭之上，通過安捷倫光口示波器接收調(diào)制之后的光信號。

圖8 光路測試系統(tǒng)連接圖Fig.8 Connection diagram of optical path test system

在上述試驗條件下，施加1 GHz、峰值10 V的信號源，得到的光路響應(yīng)如圖9所示。經(jīng)過光口示波器內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換，測量得到輸出信號的頻率為1GHz、峰值為10mV，波形完整清晰。因此，可以判斷本光路系統(tǒng)的帶寬可以達(dá)到1 GHz以上。

圖9 1 GHz信號源下的光路響應(yīng)Fig.9 Response of optical path to 1 GHz signal source

2.2 實驗室環(huán)境下低頻性能測試

在實驗室條件下對VFTO光學(xué)測量系統(tǒng)的高速探測器進(jìn)行如下測試：如圖10所示，安捷倫信號發(fā)生器產(chǎn)生1 Hz～20 MHz、10 V的單頻電壓信號，施加在VFTO光學(xué)電壓傳感頭上，再由電氣單元進(jìn)行光電解調(diào)轉(zhuǎn)換，輸出至高速采集卡（采集卡安裝于電腦主機），經(jīng)上位機軟件顯示數(shù)據(jù)波形及其有效值，模擬對高頻電壓信號的測量。根據(jù)測試結(jié)果繪制高速探測器從1Hz～20MHz的頻率響應(yīng)曲線如圖11所示。

圖10 低頻性能測試系統(tǒng)連接圖Fig.10 Connection diagram of low-frequency performance test system

圖11 光學(xué)傳感器低頻響應(yīng)曲線（1 Hz～20 MHz）Fig.11 Low-frequency response curve of optical sensor（1 Hz～20 MHz）

由上述結(jié)果可以看到，在1 Hz～10 kHz頻率范圍內(nèi)，可擬合探測器響應(yīng)曲線如下：

其中，u為探測器輸出幅值；f為輸入信號的頻率。

在10 kHz～20 MHz頻率范圍內(nèi)，探測器增益比較穩(wěn)定，可用直線來代替。

對于上述試驗的結(jié)果，輸出信號幅值的數(shù)量級在10-4～10-3V之間，光學(xué)傳感元件所在位置的電場強度為2 V/mm。實際應(yīng)用中，預(yù)計被測信號的幅值將達(dá)到1～2 kV，此時相應(yīng)的電場強度為400 V/mm。所以測量得到的信號幅值也會放大200倍，達(dá)到數(shù)百mV數(shù)量級，信號可以通過示波器很容易觀察到，測量結(jié)果的信噪比可以得到極大改善。通過探測器增益曲線就可以反算出實際電壓值。

2.3 實驗室環(huán)境下高頻性能測試

實驗條件下VFTO光學(xué)傳感器高頻信號的頻率響應(yīng)曲線如圖12所示，高頻信號的頻率響應(yīng)增益如表2所示。

圖12 光學(xué)傳感器高頻響應(yīng)曲線Fig.12 High-frequency response curve of optical sensor

表2 光學(xué)傳感器高頻響應(yīng)增益Table 2 High-frequency response gains of optical sensor

由圖12及表2的結(jié)果可看出，高速探測器在154.03 MHz～1.4 GHz的頻率范圍內(nèi)，電壓信號的最大增益為16.295 dB（對應(yīng)的頻率為772.98 MHz），最小增益為13.016 dB（對應(yīng)的頻率為154.03 MHz），因此該高速探測器的-3 dB帶寬約為1.4 GHz。

3 性能試驗與分析

基于光學(xué)測量的原理可知，溫度、濕度和振動對測量傳感器的影響微乎其微。為研究所設(shè)計的測量系統(tǒng)的實際性能，在GIS試驗平臺上對側(cè)安裝VFTO光學(xué)電壓傳感頭和電容式VFTO傳感頭。

對隔離開關(guān)進(jìn)行多次分合試驗產(chǎn)生VFTO信號，通過同步觸發(fā)裝置同時測量2種傳感器的實測波形，如圖13、14所示。

圖13 2種測量方式合閘過程測量結(jié)果對比圖Fig.13 Comparison of measurements between two measuring methods for close operation

圖14 2種測量方式分閘過程測量結(jié)果對比圖Fig.14 Comparison of measurements between two measuring methods for open operation

由圖13、14可見，光學(xué)測量方式與電學(xué)測量方式均反映了刀閘分合閘的過程，2種方式的分合閘持續(xù)時間測量結(jié)果吻合較好。

對比圖中的時域波形可以看出，電容式測量VFTO的方式測得的VFTO振蕩幅值明顯小于光學(xué)方式的測量結(jié)果。

在同等測試帶寬條件下，可以看出，光學(xué)測量方式VFTO的頻譜不僅能涵蓋電學(xué)測量VFTO的頻譜范圍，且具有更高的頻譜分辨率，同時光學(xué)測量方式的頻譜范圍更廣。分析其原因，電學(xué)測量方式采用的是電容測量，電容的帶寬限制導(dǎo)致其高頻響應(yīng)較差，高頻分量的衰減導(dǎo)致在時域內(nèi)的VFTO振蕩幅值減小。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于無源光學(xué)測量方法的VFTO光學(xué)測量傳感器，不需要電容分壓，直接通過零電位電場測量實現(xiàn)高頻VFTO測量，具有優(yōu)異的高帶寬測量性能，且與一次GIS組合安裝方便，同時又具有安全、可靠、抗干擾、非介入式測量的特點。試驗結(jié)果表明：采用光學(xué)方式對GIS中存在的VFTO信號進(jìn)行測量是一種可行的方式。經(jīng)過VFTO光學(xué)測量傳感器的性能測試驗證，該系統(tǒng)具有足夠的測量帶寬，能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻域VFTO波形測量。由高頻高壓信號源引起的測量標(biāo)定問題后續(xù)還需要開展進(jìn)一步研究。

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