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高电压光电测量的优缺点及发展现状

摘要

为了能够比较精确的在较高电压或极端电磁环境下获得电压或电场的参数，利用光

电元件测量高电压的应用受到广泛关注。本文首介绍了高电压测量的特殊要求和光电测

量的基本原理,随后论述了基于光电互感器的光电测量系统的发展现状。最后通过与传

统测量系统的比较，分析了其优缺点,进而说明了光电测量系统在高电压测量与研究领

域必将会有广泛应用前景。

关键词：光电测量高电压光电互感器

1引言

现代电力系统输电电压等级不断提高，伴随着特高压输电的出现，高电压以及高电

压环境下强电磁场等参量的测量逐渐成为研究的重点。由于电压等级很高，输电线路周

围电磁场环境很复杂，因此对测量系统提出了很多新的要求：

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．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

缩小探头的体积。

面对这些新的要求，采用传统的电磁式电压互感器的测量系统很难满足。自二十世

纪六十年代开始，人们一直在寻求一种安全、可靠、理论完善、性能优越的新方法来实

现高电压的测量。由基于电光效应而制造的光电互感器或应用光通信方式组成的测量系

统能够克服很多采用传统高压分压器或分流器为主的测量系统的缺点，在近几十年来一

直受到学者和工程技术人员的广泛关注和深入研究。本文将介绍高电压光电测量的原理

以及其发展现状，总结高电压光电测量的优缺点。

2光电测量系统

光电测量系统是一种利用各种电光效应或光通信方式进行测量的系统，在高电压技

术领域内，可以用它进行高电压、大电流、电场强度以及其他参量的测量。

光电测量系统常采用以下几种调制方式：

（1）幅度-光强度调制（AM-IM）

这种调制方式采用发光二极管作为光电变换器，发光二极管发出的光强度与流过它

的电流大小成正比。图2-1为采用幅度-光强度调制方式的光电测量系统原理图。被测

电压先经过二极管产生光信号，然后光信号通过光导纤维传到信号处理端，通过光电倍

增管将光信号还原成电信号输入示波器。

图2-1采用幅度-光强度调制方式的光电测量系统原理图

（2）调频-光强度调制（FM-IM）

这种调制方式是利用压控振荡器的输出频率随调制信号的大小发生线性变化的原理

来传递信息的。它的测量系统如图2-2所示。被测电压经过FM-IM方式调制后形成光

信号，用光缆传输到信号处理端，在经过解调后输出电信号。而且频率-光强度调制比

幅度-光强度调制具有更高的抗干扰能力，它可以克服光源非线性和温度变化所造成的

不利影响。

图2-2采用调频-光强度调制方式的光电测量系统原理图

（3）数字脉冲调制

数字脉冲调制是采用脉冲电码传送模拟信号各个采样的量化值的一种方式。图2-3

为其测量系统原理图。首先将所测电压送到高采样率和高分辨率的模数转换器（ADC）

中去，完成采样的量化过程。然后将转换器输出的数字信号经过编码器，变换成二进制

脉冲电码，经接口输入到光纤数字通信系统中，在经过另一个编码器将脉冲电码变换成

适合光纤数字通信的码型。把重新编码的数字信号经驱动电路放大后，驱动光源。光源

将电信号变换为光信号送入光纤，经过译码器、数码转换器（DAC）输出模拟电压信

号，供示波器进行测量。

图2-3采用数字脉冲调制的光电压测量系统

（4）利用电光效应的外调制

电光效应（Electro-opticaleffect）是指在晶体上加有外电场时，晶体的折射率发生

变化的一种现象。产生光电效应的机理是由于电场会改变分子或原子中电子的运动，或

者改变晶体的结构，从而导致晶体的折射率发生变化。

如果晶体折射率的变化与电场强度成正比，这种电光效应称为Pockels效应，也称

为一次电光效应，该效应是1893年由德国物理学家Pockels发现的。如果晶体折射率

的变化与电场强度的平方成正比，这种电光效应称为Kerr效应，也称为二次电光效应，

该效应是1875年由Kerr发现的。由于Pockels效应通常要比Kerr效应强得多，所以在

研究应用中，我们主要使用Pockels效应。

图2-4即为一种采用电光效应测量高电压的系统。它