0 引言
隨著電力系統傳輸容量的增大和電壓等級的提高，保護、控制、測量和數據通訊的一體化發展，傳統電磁式電壓互感器和電流互感器不僅體積、重量大，制造成本高，而且，因自身的傳感機理所限，呈現出種種難以克服的問題，很難滿足電力系統自動化、數字化以及小型輕量化的發展要求。因而，在電氣工業中的信息傳輸、計測診斷、太陽能電池等各種現場，均在逐步開發和有效利用新型光電技術。作為計測、診斷領域的典型實例有：光控無觸點探測器(光 PD)、光電式電流互感器(光CT)、光導纖維分布式測溫計、紅外線溫度計等。
利用光的計測、診斷技術，由于具有以下特點而尤其引人注目。(1)能實現測定點的電氣絕緣，對測定對象的干擾最小;(2)藉光學的信息傳輸，抗電磁波噪音的能力強;(3)可望達到直流GHz(109Hz)級的頻率響應。
本文的前面部分對充分發揮上述特色而相繼開發的傳感器，以及利用這種傳感器測量高電壓的光電技術進行了描述;后面部分，則重點介紹了新型光電式電流互感器的組成與工作原理，并展示了目前的研制現狀和廣闊的應用前景。
1 電光效應及其應用原理
1.1 電光效應
在晶體上施加的恒定電場和頻率如遠遠低于光頻率的交變電場，則將引起組成介質的粒子內束縛電荷分布的顯著變化，影響到極化特性和微觀結構的對稱性，影響到介質或晶體的光學性質。這就是電光效應。電光效應改變了介質的電容率(介電常數)，還可能使各向同性介質轉變為各向異性;或者導致原有的各向異性性質的改變，產生人工雙折射現象。這種由外加電場引起介質折射率變化的效應已成為光電調制器件工作的物理基礎。
電光效應表現為普克爾斯(Pockels)效應和克爾(Kerr)效應兩種。Pockels效應引起介質折射率的變化，與外加電場強度成正比，即，也叫線性電光效應(應用更廣);而Kerr效應引起的折射率變化與電場的平方成正比例，即，故稱二次電光效應。立方(3次)以上的高次項極其微小故可忽略。Pockels效應和Kerr效應兩者的大小不同，按構成物質結晶的對稱性或極化分子的結構，僅凸出顯示其中的一種效應。
電光效應已在激光技術、光學信息處理和光通信等領域中有著廣泛的應用。
1.2 應用電光效應的工作原理
將物質中傳播的光波，分解為垂直于進行方向的物質固有振動面上的2個偏振波(極化波)。
在某些物質中，由于從外部施加的電場及其極化狀態的變化，將導致介質常數的各向異性。從那里傳輸的2個極化波所反應的折射率也呈現各向異性，顯示出所謂的雙折射現象(電光效應)。
將2個波強度相等，且無相位差的直線偏振光(線偏光)向物質發射，在物質內部產生相位差以后，從物質射出時合成2個偏振波，形成橢圓偏振光(圓偏光)。使用只透過某一特定方向偏波成分的檢偏器，對圓偏光進行檢波。
電場的強度被轉換為光的強度(明暗)。電場E一旦達到，透過光的強度I0即為極大值。也就是說，對應于相同電場(電壓)下，的值越小，光強度的變化越大。因而，將以此表示相應于電光效應靈敏度的指標。Pockels效應主要出現于固體物質;Kerr效應主要表現在液體、氣體中。表1引出有電光效應的物質及其靈敏度指標。
由于電場為矢量，測定的電場方向和光的傳播方向之間的關系列于表2。按橫型調制方式，可測定與光的傳播垂直方向的電場，特別是藉改變檢偏鏡的方向，能分離出正交的2個電場分量并進行測定。因此，可用于測量電場。按縱型調制方式，則能測定與光的傳播方向平行方向的電場，從而，就能直接得到與光傳播路徑上的電場積分值成正比例的、也即與電位差(電壓)成比例的信息。
2 高靈敏度的計測
將電光效應應用于實際的計測，如表1所示，相應于電場靈敏度很低，或因傳感器的介電常數比周圍介質的介電常數大，施加于傳感器的電場小，難以獲得大的輸出等，故在很多場合需要開發高靈敏度的計測技術。
最近，光源中裝入相位調制器，由于引入了將調制信號重疊于光極化波之間相位差的方式(光相位調制方式)，將靈敏度極低的氣體Kerr效應用于測量也是可能的。
藉聲光調制元件(PEM)對偏振波之間的相位差，用頻率f進行調制。已透過檢偏鏡的檢測信息，由鎖定(lock-in)放大器同期檢波。
通過上述調制，可望達到以下效果：(1)只透過要測定的頻率范圍，可實現能增幅的理想帶通(band-pass)濾波器;(2)由于調制頻率的引入，可在噪音低的頻率范圍內測定;(3)因為式(8)所列的正弦函數形式，故在電場極小的0值附近靈敏度提高。這能改善信噪比(S/N)103~105 倍。
采用這種光相位調制方法(調制頻率f=50kHz)，能使激光5次往返而增大了光程長度(5～13m)。由此，0.2～0.5MPa的六氟化硫 (SF6)、氮(N2)、CO2氣體中的直流均勻電場，以及大氣壓空氣中的50Hz交流電場均可進行測定。大氣壓空氣中的最低檢測電場強度為 300V/mm(偏振波之間相位差為2×10-5rad)。
利用被測定空間介質自身的Kerr效應，因能非接觸式測定電場，故可以說，藉Kerr效應的電場測量是理想的計測方法。
在調制頻率為數10kHz場合下，測定帶域能對應于工業頻率級，如調制頻率更高時，則對雷電脈沖等更快速的現象也能適應。
3 傳感器的結構及應用
圖3(a)所示為Pockels傳感器的一個實例，這是由Bi4Ge3O12(鉍鍺氧，BGO)結晶的波長板緊貼著偏振光束分裂器(PBS)，通過微型透鏡連接光導纖維的一體化傳感器。BGO結晶如按表2的縱型調制方式配置，則能測定施加于光的入射面和出射面之間的電壓。因而，在結晶的兩面裝設透明電極，與施加電壓用的引線連接。在光源與傳感器之間采用保偏光纖;而在傳感器與受光部分之間，則用多傳輸模(multimode)光纖。
作為光源，有激光、LD(激光二極管)、SLD(超發光度二極管)、LED(發光二極管)等。這一順序是按光波的強度和相干(涉)性、由大到小排列的。在將光強度變換為電氣信號的受光部分，當然，不僅要注意靈敏度，而且要注意其頻率特性。
若把兩根引線接到被測定對象，則形成一電壓測定器，如圖3(b)所示。傳感器本體裝入一對半球電極的內部，并將引線接至每個電極。這樣，就可測定半球電極之間的感應電壓。同時，傳感器的輸入靜電容(量)能達到PF(微微法拉)級，因而，也能用于放電電路內電位差的測定。而且，圖3(a)的傳感器中未接引線時，如配置按橫型調制的Pockels結晶，則可構成僅使用電介質的電場傳感器。
針對傳感器的超小型化，還研制了Pockels結晶上的光波導電路。在YZ截面傳播的LiNbO3基板上設有寬7μm，長500μm波導面，對此波導型電場傳感器進行了開發。電暈放電下的電極表面電場的計測，以及表面放電時的絕緣物表面電場的計測均適用。
4 高電壓測量器
4.1 Pockels高電壓測量器
與原來落地式結構不同的是，Pockels高電壓測量器采用圖4所示，從測定部位吊掛的輕量型高電壓測量器，具有適當的電阻率和相對電容率。可按自然雙折射小的縱型調制方式工作。使用了適合于高電壓測量的BGO結晶。8塊 的結晶串聯配置。施加其兩端的電壓無須分壓，是一種可直接測量的結構。
檢測出的光強度與被測定的所施加電壓的關系式，采用式(5)那樣易于理解的三角函數表示。施加某一定電壓(半波電壓： Vπ = EπL)以上，光強度比與施加電壓之間不存在一對一的相應關系，也即，不可能由光強比直接確定所施加的電壓值。在測定信號強的高電壓區，對高靈敏的測量更費事，故需要解決這一課題。
半波電壓Vπ取決于傳播光的波長而變化。利用這一特性，將波長1.31μm，Vπ=75.5KV和波長1.55μm，Vπ=91.0KV兩個波長的光同時入射，觀測其輸出。由此，允許擴展可測定的電壓范圍達到數MV。
Pockels高電壓測量器的優點是完全不會受測量器周圍結構部分的影響，而且，無論直流、交流或脈沖的高電壓，用一個裝置就能測定。今后應該解決的課題是：存在結晶的壓電振動可能導致光輸出的雜音重疊，如何抑制這一現象，目前正處于探討階段。
4.2 Kerr高電壓測量器
圖5為利用Kerr效應的高電壓測量器(落地式)的概念圖。結構上是將平行的平板電極配置于介質(高氣壓的氣體)中。對上部電極施加被測定的高電壓，利用介質的Kerr效應而測量電極間所形成的電場。考慮到介質密度的不均勻性和波動產生的噪音，作為Kerr效應的介質，氣體要比液體更好。由于氣體Kerr效應小，藉測定系統內設置100m左右的長光程可提高靈敏度。但因局部放電，一旦產生離子，介質的Kerr常數就會改變，故應注意避免局部放電的發生。
5 光電式電流互感器及其工作原理
現在電力系統中普遍使用電磁式電流互感器(CT)測量一次側的大電流，二次側(副邊)為計量、控制、保護等設備提供電流信號，一般輸出電流小(5A或1A)。隨著電壓等級的提高和傳輸容量的增大，電磁式CT存在以下缺點：(1)絕緣結構復雜、體積大、造價高;(2)動態范圍小，出現的諧波暫態信號容易使保護誤動作;線性度不好，電流較大時會出現飽和現象，影響二次的保護設備正確識別故障;(3)輸出不能直接與微機化計量及保護設備接口;(4)易產生鐵磁諧振，易燃易爆等。和電磁式CT相比，基于光學技術、微電子技術、微機技術的光電式電流互感器，則具有無鐵芯、絕緣結構簡單可靠、體積小重量輕、線性度好、動態范圍大、無飽和現象、輸出信號可直接與微機化計量及保護設備接口等優點。這些正好滿足了電力系統發展的需要，也正是今后發展光電式電流互感器的充分理由。
5.1 無源光電式電流互感器(OCT)
根據IEC標準規定，光電式互感器是一種電子式互感器。從傳感頭有無電源的角度可區分為：無源式和有源式兩類。OCT主要利用了Faraday 磁光效應。1846年Faraday首次發現：磁場不能對自然光產生直接作用，但在光學各向同性的透明介質中，外加磁場H可使在介質中沿磁場方向傳播的平面偏振光的偏振面發生旋轉。這種現象被稱為磁致旋光效應或Faraday效應。
當一束線性偏振光通過置于磁場中的Faraday旋光材料(如重火石玻璃)時，若磁場方向與光的傳播方向相同，則光的偏振面將產生旋轉。
V為磁光材料的Verder常數，角度θ與被測電流成正比。利用檢偏器將角度θ的變化轉換為輸出光強度的變化，經光電變換及相應的信號處理，便可求得被測電流i，如圖6所示。
實際應用中還有一種全光纖(all-fiber)式CT，其工作原理與OCT的相同，如圖7所示。
5.2 全光纖電流互感器(AFOCT)
光纖電流互感器(FOCT)同樣是基于Faraday效應來測定電流的。因為采用光纖作為傳感介質，故在絕緣性、抗電磁干擾、可靠性等方面，比傳統的電磁式CT有很大優勢。而且，它還不含交流線圈，不存在開路危險。以前，光纖CT的研究主要集中在磁光晶體結構的傳感頭方案上。歐洲ABB公司研制出達到IEC標準0.2級晶體結構的FOCT。近年來，北美Nxtphase公司已研制出超過IEC0.2S級的全光纖AFOCT;我國清華、華中科技大學也相繼研制出正常環境下精度為0.3%的塊狀結構AFOCT。北航研制的新型AFOCT，傳感光纖采用共光路設計，因而具有較好的互易性和較強的抗干擾能力。全溫下比例因數變化< 0.5%。
AFOCT的結構及工作原理：全光纖CT系統構成如圖8。整個結構按功能可分為光學傳輸、光學傳感頭和信號處理電路三部分。其中光學傳輸部分完成光信號的產生、傳輸、轉換和干涉;光學傳感頭部分則傳感導線中的電流，并將它轉換為干涉光的相位信息;信號處理電路產生調制電壓;對信號進行解算得到電流值。
SLD光源發出的光經過單模耦合器后由起偏器起偏成為線偏光。線偏光以45°注入保偏光纖分別沿X軸和Y軸向前傳播。當這兩束正交模式的光經過 λ/4波片后，分別變為左旋和右旋的圓偏振光進入傳感光纖。由于受到導線中的電流產生的磁場作用，左右旋圓偏振光以不同的速度傳播，從而引起光波相位變化。光在由傳感光纖端面的鏡面反射后，這兩束圓偏振光的偏振模式互換，再次通過傳感光纖而再次受到磁場作用，使所受的作用效果加倍。這兩束返回的光再次通過λ/4波片后，恢復為線偏振光，并在起偏器處發生干涉。最后，攜帶相位信息的光由耦合器耦合進入探測器。在整個光的傳播過程中，光都經歷了保偏光纖的X 軸和Y軸與傳感光纖的左旋和右旋模式，只在時間上略有差異。
loss —光路損耗;P0 —光源輸出光強;φm —調制相移;φf = 4NVI—法拉第相移，其中N為傳感光纖的匝數，V為Verder常數，I為導線中的電流。
5.3 有源光電式電流互感器
這是一種基于傳統互感器傳感原理，利用有源器件調制技術、以光纖為信號傳輸媒介將高壓側轉換得到的光信號送到低壓側解調處理，并得到被測電流信號的新型互感器。它既發揮了光纖系統的絕緣性能好、抗干擾能力強的優點，明顯降低了高壓、大電流互感器的體積、重量和制造成本，又利用了傳統互感器原理技術成熟的優勢，避免了純光學互感器光路復雜、穩定性差等技術難點。
有源OCT的結構原理：它是通過一次采樣傳感器(空心線圈或小CT，電阻分流器)將電流信號傳遞給發光元件而變成光信號，再由光纖傳遞到低電位側、變換成電信號以后輸出。高壓側電子器件供電方式有光供電、母線電流供電和太陽能電池供電等。目前應用最多的是采用空心線圈的有源式OCT，其組成原理如圖9所示。
空心線圈(Rogowski線圈)實際上是均勻密繞在一環形非磁性骨架上的空心螺管線圈。這是由Rogowski.w.等人提出的，其輸出電壓正比于被測電流的變化率。
6 應用前景
隨著我國經濟的快速發展，對電力系統提出了更高要求。為了協調發展與環境保護的關系，高電壓、長距離輸電勢在必行。這就對承擔著計量和保護重要責任的互感器也提出了更高要求。新型電子式互感器的優點正好滿足了電力發展的需要。它將隨著加工工藝、材料工藝的提高，微電子技術、微機技術、光電子技術的發展，在電力系統將有著廣闊的應用前景。
參考文獻
[1] 日高幫彥，利用光傳感器的高電壓測量技術，《電氣評論》2005，No.7
[2] 陳卓婭，趙玉富、谷曉冉，任穎，新型電子式電流互感器，《河南電力》2006，No.1
[3] 袁玉廣，馮麗爽，王夏霄，姜中英，全光纖電流互感器，檢測系統的設計，《光電工程》2006年，No.5. |
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