引言
目前线路运营动车组均采用电磁式电压互感器，为动车组提供并实时监测动车接触网网压、相控整流触发同步信号等。动车组牵引电力系统中由弓网谐振，电磁式电压互感器铁芯深度饱和引起铁磁谐振过电压的情况时有发生。它持续时间长，能长时间自保持，导致电压互感器烧损和炸裂，严重威胁动车组牵引电力系统的安全运行。
全光学电压互感器是公认的电压互感器技术发展方向，全光学电压互感器采用光学原理测量高电压，可彻底实现光电隔离。同时光学电压互感器和光学电流互感器集成于一体，减少动车组车顶高压设备数量，降低高压部件故障影响列车运营安全的风险。
与传统的电磁式互感器相比，动车组光学互感器测量技术具有如下技术优势：
（1）光电隔离、本质安全
（2）满足接触网网压数字化测量应用需求
（3）双独立热备份冗余设计可靠性高
（4）抗干扰能力强、测量精度高
（5）重量轻、维护方便
一、光学传感器技术原理
（1）FOCT光路设计
FOCT的光学传感机制是基于Sagnac干涉原理。光源SLD发出的光经光纤偏振器、2×2耦合器后分别入射到光纤环的两个臂，光纤环由两段光纤构成：一段为传光用的偏振保持光纤，传送线偏振光；另一段为多匝低双折射率的光纤线圈构成的传感光纤环，传送圆偏振光。两部分光纤之间由两个与保偏光纤双折射率轴成45°的1/4波片连接。保偏光纤中的线偏振光经1/4波片后转化成圆偏振光，并在传感光纤环中相向传播。当传感光纤环中有电流通过时，两相向传播的圆偏振光会在电流所产生的闭合磁场的作用下形成非互易的相位差。圆偏振光通过1/4波片后又重新变回到线偏振光，经过耦合器时产生干涉信号，此时相干光中已有因磁场导致的相位信息。通过在光纤环的一端上接入一互易性相位调制器，采用与光纤陀螺同样的相位调制和相干解调技术，便可得到载流导体上的电流信息[1]。
（2）OVT光路设计
由于传感晶体存在干扰双折射效应，在光学琼斯矩阵分析的基础上，提出了一种有效降低干扰双折射相位延迟的设计方案。入射光经过起偏器后，形成单色偏振光，在外加电场的作用下，入射BGO晶体的单色光分解成初相相同、偏振方向相互垂直的两光束。由于两光束在晶体中的传播速度不同，因此从晶体出射时产生了相位差。
设起偏器的偏振轴P和检偏器的偏振轴A与x轴（晶体的感应主轴之一）的夹角分别为α和β，图中P和A分别为起偏器和检偏器的偏振轴，x轴为晶体的主轴之一，则入射光经过起偏器的琼斯矩阵矢量以及晶体和检偏器的琼斯矩阵分别为：
二、光学互感器测量工作原理
（1）光学电流互感器工作原理
全光纤直流电流传感装置基本的工作过程：光源发出的光被分成两束物理性能不同光，并沿光缆向上传播；两光波经反射镜的反射并发生交换，最终回到光电探测器处并发生相干叠加；当通电导体中无电流时，两光波的相对传播速度保持不变，即物理学上所说的没有出现相位差；而通上电流后，在通电导体周围的磁场作用下，两束光波的传播速度发生相对变化，即出现了相位差，最终表现的是探测器处叠加的光强发生了变化，通过测量光强的大小，即可测出对应的电流大小。
（2）光学电压互感器工作原理
某些晶体材料在外加电场作用下，其折射率随外加电场发生变化的一种现象，亦称为线性电光效应。当一线偏振光沿某一方向入射处于外加电场中的电光晶体时，由于Pockels效应使线偏光入射晶体后产生双折射，这样从晶体出射的两双折射光束就产生了相位延迟，该延迟量与外加电场的强度成正比，有：
式中E为晶体所处的外加电场的场强，k为与晶体材料的性质及通光波长相关的一个常数，V为晶体上外加电压的大小，Vπ为晶体的半波电压，δ为由Pockels效应引起的双折射两光束的相位差。由上式可见，通过检测该相位差即可得知外加电压/电场的大小[2]。
三、组合式光学互感器动车组应用技术方案
（1）高压信号采集部分
复合套管与互感器本体之间的电场情况决定了整个产品的绝缘水平，这两部分也即光学互感器的高压部分，复合套管采用环氧树脂与高压电极棒整体浇注后再浇注硅橡胶伞群的方式，这种工艺结构简单，可以有效保证绝缘的可靠性。环氧树脂具有优良的绝缘特性和冷脆性，硅橡胶伞群具有优良的耐候性、憎水迁移性以及耐污闪性能。
传感单元集成在互感器绝缘子本体内部，车辆高压线缆连接高压端子P1和高压端子P2，高压电流由P1端子流入互感器本体由端子P2流出，其中光学电流互感器通过本体电极贯穿磁光玻璃采集电流；光学电压互感器通过本体内的光学传感晶体感应复合套管内电极端头处的电场来采集电压。
（2）信号传输部分
传感单元与电气单元由铠装光缆连接。铠装光缆需预埋处理，经车内通过车顶引至车外与传感单元相连。传感单元底部具有防水光纤接头，与铠装光缆的防水接头连接，光纤芯数采用冗余设计以备用。电气单元与铠装光缆采用通用光纤接头，操作简便，易于维护。
（3）数据处理部分
组合式光学互感器输出的电流、电压解算数据需经过数模转换后，将模拟信号形式的电流和电压信号经过功放模块，有效的提升输出接口的带负载能力，通过对应的接口提供给动车组牵引变流器及车载保护装置等后端设备。
结论
动车组组合式光学互感器基于光学传感原理，将光纤电流互感器、光学电压互感器可靠集成，体积小，重量轻，替代现有动车组电磁式电流和电压互感器，可以简化动车组车顶高压电器的布置形式，减少高压电器的数量。电压和电流信号通过光纤传输给车辆，提高了信号传输过程中抗干扰能力。同时互感器以数字量形式传输给列车网络系统，减少了现有信号传输线路布线。
参考文献：
[1] 黄建华，王佳．光学电流互感器的关键技术[J]．电力自动化设备，2009（12）：94-97
[2] 黄耀军，严国萍，龙占超．光电式电压互感器的设计与实现[J]．电测与仪表，2000，37(410)：17-20
作者简介：王长青（1991.12），男，汉族，内蒙古赤峰人，本科，工程师，研究方向：动车组高压方向。