一種油紙絕緣空間電場測量的光路結(jié)構(gòu)及其調(diào)節(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高電壓絕緣的光學(xué)電場測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種油紙絕緣空間電 場測量的光路結(jié)構(gòu)及其調(diào)節(jié)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高壓直流輸電（HVDC)技術(shù)起步于20世紀(jì)50年代，因其在遠(yuǎn)距離大容量輸電、跨 海輸電及電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)等方面獨特的優(yōu)越性而得到了快速發(fā)展。隨著直流輸電工程的發(fā)展，直 流輸電系統(tǒng)的可靠性對電網(wǎng)及國民經(jīng)濟的安全運行日益重要，然而大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明以換 流變壓器為代表的一次繞組類設(shè)備是導(dǎo)致直流系統(tǒng)強迫停運的主要因素之一，直流設(shè)備的 絕緣問題一直是困擾直流系統(tǒng)安全可靠運行的關(guān)鍵。目前，油紙絕緣仍然是換流變壓器等 直流設(shè)備的主要絕緣形式，在直流電壓作用下，電場分布取決于電介質(zhì)的電阻率，由外施電 壓場和空間電荷場共同作用而形成，電場分布往往受到空間電荷積聚和分布狀況的影響。 實際測量直流電壓作用下液體電介質(zhì)中的電場分布狀況十分有必要。
[0003] 電光Kerr效應(yīng)技術(shù)作為一種先進(jìn)的在線非接觸式光學(xué)電場測量方法，常用于液 體電介質(zhì)的空間電場測量，尤其是交流調(diào)制技術(shù)的引入使其應(yīng)用擴展到對變壓器油等低 Kerr常數(shù)液體電介質(zhì)的空間電場測量。該技術(shù)是利用某些液體電介質(zhì)（如變壓器油）在外 施電場作用下表現(xiàn)出光學(xué)上的各向異性，入射的線偏振光發(fā)生雙折射，產(chǎn)生的尋常光和非 尋常光存在相位差，導(dǎo)致出射光強與入射光強存在固定比例關(guān)系，后端用光電探測裝置檢 測出射光強，反算即得外施電場大小。交流調(diào)制技術(shù)可以提高測量的靈敏度，在液體電介質(zhì) 兩端除了施加待測直流電場外，引入交流調(diào)制電場，這樣輸出光強中將含有基頻分量和倍 頻分量，輸出光強為直流成分疊加交流成分的形式，利用鎖相放大器即可鎖定基頻分量和 倍頻分量的系數(shù)，從而得到場強大小。
【主權(quán)項】
1. 一種油紙絕緣空間電場測量的光路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光路結(jié)構(gòu)由在光路方向 上按順序依次布置氦氖激光器、光隔離器、起偏器、四分之一波片、克爾盒、檢偏器和光電檢 測器而成；其中光電檢測器收集光強信息，并將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號； 在標(biāo)定該光路中光學(xué)器件的角度時，隨時取用的輔助光學(xué)器件包括中心孔徑為1_，孔 位高度可調(diào)的小孔光闌、消光比高于50dB的偏振分光棱鏡和最小探測功率達(dá)到I yW的光 功率計。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述油紙絕緣空間電場測量的光路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氦氖激 光器作為點光源，發(fā)出波長632. 8nm的TEMOO模式線偏振光，出口光斑直徑小于0. 8mm ;固 定在二維調(diào)節(jié)夾持器上，該夾持器能對輸出光束的方向進(jìn)行二維調(diào)節(jié)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述油紙絕緣空間電場測量的光路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光隔離 器是利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)制成的只允許光單向通過的無源器件，能將器件后端的反 射光很好的隔離，防止發(fā)射光對光源的輸出功率穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響；固定在二維調(diào)節(jié)臺 上，該調(diào)節(jié)臺能對光隔離器的鏡面進(jìn)行二維調(diào)節(jié)，改變?nèi)肷涔馐c鏡面的角度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述油紙絕緣空間電場測量的光路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述起偏器 和檢偏器均采用格蘭泰勒棱鏡，消光比高于50dB ;固定在三維調(diào)節(jié)支架上，該調(diào)節(jié)支架不 僅能使鏡面二維旋轉(zhuǎn)，還能通過旋轉(zhuǎn)刻度盤改變偏振片的透振方向，刻度盤指示精度小于 0.5° ;用于獲取某一固定方向上的線偏振光源。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述油紙絕緣空間電場測量的光路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述四分 之一波片采用零級石英波片，相位延遲精度λ/300 ;固定在三維調(diào)節(jié)支架上，該調(diào)節(jié)支架 不僅能使鏡面二維旋轉(zhuǎn)，還能通過旋轉(zhuǎn)刻度盤改變波片的光軸方向，刻度盤指示精度小于 0.5° ;用于將線偏振光轉(zhuǎn)化為圓偏振光。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述油紙絕緣空間電場測量的光路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述克爾盒 的前后窗口面均采用高透石英玻璃，透射系數(shù)大于0.98;窗口面上設(shè)置有調(diào)節(jié)螺絲，能對 玻璃面進(jìn)行二維調(diào)節(jié)；用于盛放液體電介質(zhì)和電極模型。
7. -種權(quán)利要求1所述的油紙絕緣空間電場測量的光路結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)方法，其特征在 于，在光路結(jié)構(gòu)中分為光學(xué)器件的角度標(biāo)定和方向調(diào)整兩部分，其中角度標(biāo)定是將氦氖激 光器置于光學(xué)平臺上，在距離激光器出射孔一定距離處放置兩個小孔光闌，調(diào)整兩個光闌 的小孔在同一水平線高度上；反復(fù)調(diào)整氦氖激光器的高度和出射光束的方向，使光束均通 過兩個光闌的小孔，最終使光束平行于光學(xué)平臺；然后撤去兩個光闌，在氦氖激光器出射孔 附近放置一偏振分光棱鏡，調(diào)節(jié)偏振分光棱鏡的鏡面，使反射光斑回到激光器出射孔中；在 偏振分光棱鏡后依次放置起偏器和光功率計，調(diào)節(jié)起偏器高度使光束通過鏡面中心，使光 束與鏡面垂直，再旋轉(zhuǎn)刻度盤至光功率計的示數(shù)為最?。?下一步進(jìn)行所述方向調(diào)整，具體是先撤去氦氖激光器以外的各個光學(xué)器件；氦氖激光 器固定不動，按照所述光路結(jié)構(gòu)，在光路方向上按順序依次對光隔離器、起偏器、四分之一 波片、克爾盒、檢偏器或光電檢測器對軸，將各個光學(xué)器件的中軸線調(diào)至同一水平線，保證 光路為同軸單光路；并將四分之一波片的光軸方向調(diào)至y軸方向，將起偏器的透振方向調(diào) 至與四分之一波片的光軸成45°，將檢偏器的透振方向調(diào)至與起偏器正交；其中，四分之 一波片將氦氖激光器發(fā)出的線偏振光轉(zhuǎn)化為圓偏振光；在外施電場作用下，圓偏振光經(jīng)過 克爾盒后產(chǎn)生了附加相位差，變?yōu)闄E圓偏振光；經(jīng)檢偏器檢偏后輸出到光電檢測器，光信號 被轉(zhuǎn)換為電壓信號，實現(xiàn)油紙絕緣空間電場的測量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的油紙絕緣空間電場測量的光路結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)方法，其特征在 于，所述光隔離器的引入能有效阻止后端光學(xué)器件的鏡面反射光束進(jìn)入激光器諧振腔中， 有效減小反射光束對電場測量精度影響，防止對激光器的輸出光強穩(wěn)定性造成不良影響， 提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性。
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于高電壓絕緣的光學(xué)電場測量技術(shù)領(lǐng)域的一種油紙絕緣空間電場測量的光路結(jié)構(gòu)及其調(diào)節(jié)方法。該光路結(jié)構(gòu)由氦氖激光器、光隔離器、起偏器、四分之一波片、克爾盒、檢偏器、光電檢測器組成，輔助光學(xué)器件還包括小孔光闌、偏振分光棱鏡、光功率計。并對光路結(jié)構(gòu)中的光學(xué)器件的角度進(jìn)行標(biāo)定和方向調(diào)整，先將氦氖激光器固定在光學(xué)平臺上，用小孔光闌調(diào)整氦氖激光器的高度和方向；然后按光路結(jié)構(gòu)對各光學(xué)器件的角度進(jìn)行標(biāo)定和方向調(diào)整，本發(fā)明能有效防止光學(xué)器件鏡面反射光束對激光器輸出光強的干擾，提高測量精度，有效地保證每次試驗的重復(fù)性和可靠性，精簡了試驗流程，操作方便。
【IPC分類】G01R29-12
【公開號】CN104635064
【申請?zhí)枴緾N201510072870
【發(fā)明人】齊波, 趙曉林, 李成榕, 吳昊
【申請人】華北電力大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年2月11日