光电技术在稳态高电压及冲击高电压测试中的应用

交直流光电测量技术及研究进展1引言高电压环境下的强电磁场测量一直是高压测量的重点研究领域。

这方面的测量需既有工频场的测量，也有瞬态场的测量。

工场测量主要有输电线路导线附近或地面电场，绝缘子、均压环等高压设备的表面电场分测量等；瞬态场的测量则主要集中在脉冲功率技术、雷电或间隙放电、变电站开关操作过程等的场测量。

雷云对大地的放电一旦发生就有可能带来严重的危害。

它是电源和信号系统、电子系统中的一个十分重要的暂态干扰源。

因此对雷击发生过程空间电磁场分布的研究一直是国际上的一个热点[1，2]。

变电站中由于隔离开关和断路器操作而引起的瞬态电磁场通常可以达到200MHz 以上[3]，持续时间可以从5us 到30us，最大电场幅值可以到20kV/m ，最大磁场幅值可以到10-20A/m[4-7]。

由以上分析可以发现，高电压环境下的电磁场测量具有以下几个特征与要求：（1）测量点往往处于高电位和强场区域。

因此，测量系统的传感器探头部分与后级信号处理部分需要有很好的隔离。

（2）需要具有测量瞬变的脉冲电磁场能力。

要求测量系统必须具有很好的响应速度，具有很宽的频率响应范围。

（3）为了尽量减小传感器对被测电磁场的影响以及空间精确定位测量，需要尽可能小的探头的体积。

因此，研究开发一套具有可靠隔离、强抗干扰能力、高频率响应带宽和具有小体积探头的电磁场测量系统成为高电压研究中十分有意义的工作。

2 电磁场测量技术的发展电磁场测量的研究随着人们对电磁场的认识而发展。

国外科学家对电磁场测量技术的研究始于18 世纪。

在19 世纪和20 世纪，物理学上的许多新发现和新材料的研制成功，出现了利用热电效应、电磁效应，光电效应的传感器，到了20 世纪后半期，利用光电效应的传感器由于其抗干扰性能好，对被测电磁场的影响小以及具有响应速度快等特点而得到广泛应用。

2.1光电技术的相关知识光电技术确切称为信息光电子技术。

它是信息技术两大技术之一。

她是是指光波波段，即红外线、可见光、紫外线和软X射线（频率范围3×1011Hz~3×1016Hz或波长范围1mm~10nm）波段的电子学技术。

通过光来获取信息（力，温度，声，电流和生物等方摘要：本文简要介绍了高压环境下强电场测量的特殊要求，对比分析了传统测量方法与光电测量系统的特性，论述了光电技术的概念，光电电磁场测量的最新进展、基本原理与光电集成传感器的结构，及其在瞬态强电场测量领域的优势。

论述了几种用于高电压测量的光学传感方法,并阐述了它们的传感原理和基本结构, 说明了它们各自的特点和研究状况以及应用前景。

关键词：光电技术；电光效应；高电压测量；传感器面的信息）。

20世纪60年代激光问世以来，最初应用于激光测距等少数应用，到70年代，由于有了室温下连续工作的半导体激光器和传输损耗很低的光纤，光电子技术才迅速发展起来。

现在全世界敷设的通信光纤总长超过1000万公里，主要用于建设宽带综合业务数字通信网。

以光盘为代表的信息存储和激光打印机、复印机和发光二极管大屏幕现实为代表的信息显示技术称为市场最大的电子产品。

人们对光电神经网络计算机技术抱有很大希望，希望获得功耗低、响应带宽很大，噪音低的光电子技术。

2.2电磁场传感器的发展基于电效应的电磁场传感器经历三代技术[8，9]的发展过程，即：利用热耦检波的热电型传感器，利用二极管检波原理的第二代电磁场传感器和基于集成光路技术的第三代光电型传感器。

下面将这三代产品的性能列表如下：表1 三代电磁场传感器性能比较第一代传感器利用热电偶效应，在电磁场作用下两个热偶电极产生温差，温差形成的电压通过导线传输到检测器。

这种传感器的主要缺点是时间响应速度慢，所以不适合测量变化快的电磁场。

第二代传感器基于二极管检波，电磁场信号通过偶极子天线作用到二极管，调制后的信号通过导线传输到检测器。

与第一代传感器相比，这种传感器具有较快的响应速度以及较小的体积，是目前电磁场测量用得最广泛的传感器。

这种传感器的频带可以达到1GHz。

由于受到二极管的热噪声限制，其灵敏度不是很高，通常在1V/m 左右。

第三代传感器的检波部分利用了电光效应，直接将电信号转换为光信号传输，最后由光电二极管(高响应带宽)将光信号转换成电信号。

2.3电磁场测量技术的对比分析这里，我们将以上第一代和第二代传感器统称为传统电磁场测量传感器。

它们对信号的检测基于时域平均，所以主要对信号的能量进行测量，而不适于测量信号的瞬时值，如瞬态电磁场波形、相位、频率等。

而且它们大多是基于电路设计的，探头和输出装置多通过电气线路连接，测量信号通过连接线传输到输出装置，这种结构的电磁场测量装置有以下几个显著的缺点：1．由于在被测区域引入包括探头、连接线、接收天线等金属设备，空间电磁场在这些设备产生的电磁感应现象将造成空间电磁场的重新分布；2．连接线、探头和输出设备组成的信号传输通路将可能成为发射源，从而对被测区域的电磁场产生干扰，测量结果将可能严重偏离真实值；3．采用电缆作为信号传输通路，无法提供高带宽的路径，很难同时兼顾低频和高频性能，测量的频率范围受到很大限制；4．测试系统复杂，体积庞大，不能实现空间精确定位测量。

而第三代光电电磁场传感器是采用光电转换将空间电磁场物理量直接调制到光波信号上，通过光纤等媒质将传感器得到的信息输出到后级处理设备。

通过比较我们不难发现，光电电磁场测量主要有以下几个显著优点：1．光电电磁场传感器可以进行多种物理量的测量，而不局限在电磁场的强度；对电磁场信号的测量是几乎无失真的，因而可以测量其频率、相位等信息；2．采用光纤作为信号传输媒质，光电电磁测量设备不会对被测电磁场产生辐射干扰，同时空间电磁场也不会干扰光纤中传输的光信号，测量装置中金属元件较少，对被测电磁场的影响很小；3．光信号通信可以起到测量装置的测量部分与数据输出部分的隔离，有效避免传导干扰，而且非常适合高电位区域的测量；4．光电电磁场传感器的响应速度快、灵敏度高的优点，大大提高了测量频率范围和响应速度。

用光纤实现信号传递可以保证有很高带宽，可以实现从直流到GHz 的测量；5．光电电磁测量对天线的依赖程度较低，较小长度的天线即可满足需要，传感器的尺寸大大减小，位置分辨能力强。

6．光电电磁测量可以通过光纤实现能量注入，传感器无需电源注入就可以实现测量，即无源测量。

3 几种光纤电压传感器光纤电压互感器的核心是光纤电压传感器( OVT -Optical Voltage Transducer) ，根据传感原理，光纤电压传感器主要有传光型有源OVT、全光纤OVT、集成光学Pockels 元件高压OVT、基于电致伸缩原理的OVT 以及基于其它效应的O VT 六类。

这些传感器的传感原理不同，结构不一样，各有其特点。

下面分别进行介绍。

3.1传光型无源OVT传光型无源OVT 主要是指基于线性电光效应原理的OVT。

所谓线性电光效应，即P ockel s 效应，是指在电场(或电压) 的作用下，透过某些物质的光发生双折射，双折射两光波之间的相位差与外加电压或电场强度成正比，检测出相位差，即可检测出电压或电场强度的大小。

由于相位较难测量，故一般利用偏光干涉原理将相位调制转化为强度调制，传感器输出光强的大小即能反映被测电压。

附图为典型的传感器结构。

其工作过程为: LE D 发出的光由光纤传人起偏器，将光变成线偏振光，经114 波片后又变成园偏振光，当光透过电光晶体时，在电场或电压的作用下发生双折射，双折射两光波之间的相位差与被测电压成正比。

经检偏器后，输出光强与被测电压之间具有线性关系。

经光电转化信号处理之后即可测量出电压。

该传感由电光晶体、起偏器、检偏器、波片和一些其它光学元件构成，它们是无源器件，工作不需要电源，且光纤在系统中仅起传光作用，因此属于传光型无源光纤电压传感器。

无源型光纤电压传感器测量精度高、损耗小、抗电磁干扰能力强、电气安全性好。

3.2有源型OVT传感器需要工作电源的OVT 为有源型OVT 。

其工作电源可来自两个途径，一是通过互感器或分压器取自电网; 另一是把制室发光器件发出的光，由光纤传至传感头，再由光致电器件将光能转换成电能。

被测电压信号由互感器或分压器从电网取出，然后由滤波器滤波，再由DO IT( Digital Output ln -Put Transformer ) 电路转换成数字信号。

该信号由PL D (光致发光二极管) 器件转换成一定频率的光波沿光纤传至信号处理电路，还原成电压信号闭。

美国A BB公司研制出有源型数字光纤电压互感器DOVT(Ddgital Opitcal Voltage Transformers)，测量电压范围72.5~756kV，精度达0 . 2 %。

有源型O VT 的最大优点是采用数字光学信号传输，信号与衰减无关。

但是，它也有明显的缺点:（1）若信号由电磁式互感器取出，则由于互感器存在比差和角差，使系统测量误差增大; 若信号由电容分压器提供，则由于分压比不稳定，会导致输出不稳定，测量误差增大。

（2）传感器是有源的，而且能量取自高压电网使高低压之间隔离困难，电气安全性差。

(3) 有源传感器处于强电磁场环境之中，信号易受到干扰。

(4) 特殊的PLD器件属高科技保密产品，尚处于开发和完善阶段，市面上不易买到，这给研究带来了实际困难和障碍。

3.3全光纤OVT全光纤OVT 也称为功能型或传感型OVT，它是由特殊光纤构成，光纤既起传光作用，又起传感作用。

这种特殊光纤材料中掺杂了特殊元素，截面形状和折射率分布有特殊要求，据有关文献报道，美国3M 公司已推出全光纤。

OCT (Optical Current Transducer ) 产品，而全光纤OVT尚处于研究阶段。

全光纤OVT 的优点是结构简单，传感器两端光纤连续，所需光学元件和接头较少。

但是，特殊光纤制造难度大，要求高，且尚不成熟，因此，全光纤OVT离实用化还有相当远的距离。

3.4集成光学Pockels元件高压OVT八十年代，Nicolas A.F.Jaeger提出了基于Mach-Zehnder调制器原理的集成光学传感器。

后来又提出了用于测量电场的Pockels 元件集成光学传感器（IOPC）。

这是一种固定在某一电场环境、用来测量固定点电场强度的传感器，它体积小，只有7mm长，非常易于安装。

这种传感器以LiNbO3日飞电光晶体作基片，在其上散布有钦条。

钦条平行于晶体的z轴放置，其尺寸选择原则是能支持两个基模TE(偏振方向平行于x 轴) 和TM(偏振方向平行于y轴)传播，形成波导。

输人光纤和输出光纤均为保偏光纤。

在传感器输出端波导的两个模之间的本征相位差取决于波导的长度以及两个模的传播常数差，即：φi=(βTE−βTM)L（1）电光晶体liNbO3在电场的作用下发生双射，光率体发生变化。