◎楊彥萌

一、背景簡(jiǎn)介

高壓電壓互感器用于提供和監(jiān)測(cè)機(jī)車/動(dòng)車網(wǎng)壓、零壓（欠壓）保護(hù)、電度表電壓信號(hào)、相控整流觸發(fā)同步信號(hào)等，在機(jī)車/動(dòng)車升弓后，高壓電壓互感器接入27.5kV 工頻交流電壓開(kāi)始工作。

當(dāng)高壓電壓互感器因內(nèi)部一次側(cè)繞組發(fā)生匝間擊穿、短路和接地等故障時(shí)，將會(huì)引發(fā)接觸網(wǎng)頂電、變電所跳閘，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致因大電流燒斷接觸網(wǎng)等行車事故；同時(shí)，其故障繞組嚴(yán)重過(guò)流、發(fā)熱，引起高壓電壓互感器內(nèi)油的化學(xué)反應(yīng)，將析出氫氣和烷烴類可燃性氣體，使互感器內(nèi)變壓器油的理化分析和氣相色譜分析相關(guān)指標(biāo)超限，造成油箱內(nèi)氣體壓力急劇升高引發(fā)的安全閥動(dòng)作、噴油、器身爆裂，可燃?xì)怏w和汽化的油噴出并爆燃，容易導(dǎo)致機(jī)車/動(dòng)車火災(zāi)事故。

電力機(jī)車/動(dòng)車的高壓電壓互感器的運(yùn)行安全可靠性越來(lái)越成為影響電氣化鐵路安全運(yùn)輸?shù)闹匾蛩亍?/p>

二、傳統(tǒng)電磁式電壓互感器的問(wèn)題

傳統(tǒng)電磁式電流互感器基于法拉第電磁感應(yīng)原理，用于測(cè)量電參數(shù)已有一百多年的歷史，但其存在一些固有的不足：

1.安全性差。

電磁互感器采用充油或氣進(jìn)行絕緣，時(shí)有爆炸事故發(fā)生，抗自然災(zāi)害能力差。

2.動(dòng)態(tài)測(cè)量精度差。

電磁互感器磁路中有鐵磁材料，在電網(wǎng)故障時(shí)，磁飽和導(dǎo)致波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，從而直接影響測(cè)量精度。

3.絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

電磁傳感器為了實(shí)現(xiàn)高低壓之間、線圈匝間絕緣，必須采用復(fù)雜的絕緣結(jié)構(gòu)，充絕緣油或氣，且電壓等級(jí)越高，絕緣結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，尺寸、重量、價(jià)格均呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。

三、全光學(xué)電壓互感器的原理及優(yōu)勢(shì)

1.全光學(xué)電壓互感器的原理。

全光學(xué)電壓互感器測(cè)量是基于Pockels 效應(yīng)原理。Pockels效應(yīng)是指某些晶體材料在外加電場(chǎng)作用下，其折射率隨外加電場(chǎng)發(fā)生變化的一種現(xiàn)象，亦稱為線性電光效應(yīng)。當(dāng)一線偏振光沿某一方向入射處于外加電場(chǎng)中的電光晶體時(shí)，由于Pockels 效應(yīng)產(chǎn)生了相位延遲，該延遲量與外加電場(chǎng)的強(qiáng)度成正比，通過(guò)檢測(cè)該相位延遲即可得知外加電壓/電場(chǎng)的大小。

2.全光學(xué)電壓互感器的優(yōu)勢(shì)。

（1）本質(zhì)安全與高可靠性。傳統(tǒng)的電力電磁式電壓互感器測(cè)量方式基于電磁感應(yīng)，本質(zhì)上屬于“介入”式測(cè)量，屬于雙向“互感”式，必須采用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)消除自身引入的影響，可靠性低，輸出端不能短路等情況，在高壓測(cè)量方面還面臨著絕緣、爆炸等安全隱患，對(duì)人身安全造成威脅。全光學(xué)電壓互感器測(cè)量屬于“非介入”式測(cè)量，屬于單向的“傳感”式，天然的絕緣特性大大提高了檢測(cè)設(shè)備的安全性和可靠性，無(wú)爆炸隱患。光學(xué)高壓檢測(cè)設(shè)備還大大簡(jiǎn)化絕緣結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的絕緣性價(jià)比。

（2）抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高。全光學(xué)電壓互感器測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了與被測(cè)電信號(hào)之間的隔離，光信號(hào)不會(huì)受到電磁場(chǎng)的干擾，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，從而在復(fù)雜的工況環(huán)境下獲得較高的測(cè)量精度。

（3）寬頻域測(cè)量性能。傳統(tǒng)的電傳感器測(cè)量過(guò)程中，鐵磁諧振以及過(guò)電壓過(guò)電流磁路容易飽和等原因限制了其動(dòng)態(tài)范圍；其暫態(tài)過(guò)程長(zhǎng)，容易產(chǎn)生的大量諧波噪聲。而利用全光學(xué)電壓互感器測(cè)量方式，光子的響應(yīng)速度極快，本征頻率高，測(cè)量帶寬高。

（4）體積小、重量輕、省金屬、省占地。全光學(xué)電壓互感器測(cè)量方式因無(wú)需鐵芯、線圈及絕緣油等，其重量一般僅為傳統(tǒng)電學(xué)傳感器重量的五分之一左右，且體積小，便于運(yùn)輸和安裝。

（5）適應(yīng)了電力機(jī)車/動(dòng)車系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需要。全光學(xué)電壓互感器測(cè)量方式可根據(jù)需要輸出模擬量，或者直接輸出數(shù)字量，可方便地適用于微機(jī)保護(hù)和電子式計(jì)量設(shè)備，易于傳輸和組網(wǎng)。故障自我診斷和修復(fù)也是全光學(xué)電壓互感器測(cè)量技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)，光學(xué)測(cè)量方式可以方便的檢查自身狀態(tài)，在故障情況下自動(dòng)報(bào)警，避免后端保護(hù)設(shè)備的誤動(dòng)作，這點(diǎn)在高壓領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也是極為重要的。

四、全光學(xué)電壓互感器結(jié)構(gòu)和參數(shù)

1.全光學(xué)電壓互感器的結(jié)構(gòu)。

全光學(xué)電壓互感器通過(guò)敏感頭感應(yīng)一次電壓，并將電壓的變化信息通過(guò)光纜傳輸至電氣單元進(jìn)行解析，最終得到實(shí)際電壓，同時(shí)檢測(cè)到的電壓值將傳輸至數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，輸出模擬量，上送給網(wǎng)壓表。全光學(xué)電壓互感器同時(shí)可以提供全光數(shù)字輸出接口。

2.全光學(xué)電壓互感器的參數(shù)。

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五、總結(jié)

針對(duì)現(xiàn)有機(jī)車采用的電磁式電壓互感器存在的問(wèn)題，本文提出了非介入式本質(zhì)安全的全光學(xué)電流電壓互感器解決方案。這種全光學(xué)解決方案充分發(fā)揮了光學(xué)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，克服了電磁式互感器的致命缺點(diǎn)。同時(shí)，本方案具有網(wǎng)壓品質(zhì)監(jiān)測(cè)及故障錄波功能，不僅可以顯示監(jiān)測(cè)到的電流電壓值，而且可以進(jìn)行諧波分析，實(shí)現(xiàn)互感器狀態(tài)自診斷，提供電壓、電流故障報(bào)警功能，并記錄故障前后時(shí)間的數(shù)據(jù)，改進(jìn)了列車各高壓設(shè)備保障設(shè)施，滿足電力機(jī)車系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需要。

因此，我們認(rèn)為全光學(xué)解決方案可以滿足用戶高可靠性要求以替代傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器，并實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)的數(shù)字化監(jiān)控。