一種油紙絕緣空間電場測量的光路結構及其調(diào)節(jié)方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于高電壓絕緣的光學電場測量技術領域，特別涉及一種油紙絕緣空間電 場測量的光路結構及其調(diào)節(jié)方法。
【背景技術】
[0002] 高壓直流輸電（HVDC)技術起步于20世紀50年代，因其在遠距離大容量輸電、跨 海輸電及電網(wǎng)聯(lián)絡等方面獨特的優(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備是導致直流系統(tǒng)強迫停運的主要因素之一，直流設備的 絕緣問題一直是困擾直流系統(tǒng)安全可靠運行的關鍵。目前，油紙絕緣仍然是換流變壓器等 直流設備的主要絕緣形式，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效應技術作為一種先進的在線非接觸式光學電場測量方法，常用于液 體電介質(zhì)的空間電場測量，尤其是交流調(diào)制技術的引入使其應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，導致出射光強與入射光強存在固定比例關系，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。
【主權項】
1. 一種油紙絕緣空間電場測量的光路結構，其特征在于，所述光路結構由在光路方向 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，并將光信號轉換為電壓信號； 在標定該光路中光學器件的角度時，隨時取用的輔助光學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到I yW的光 功率計。
2. 根據(jù)權利要求1所述油紙絕緣空間電場測量的光路結構，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行二維調(diào)節(jié)。
3. 根據(jù)權利要求1所述油紙絕緣空間電場測量的光路結構，其特征在于，所述光隔離 器是利用磁光晶體的法拉第效應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行二維調(diào)節(jié)，改變?nèi)肷涔馐c鏡面的角度。
4. 根據(jù)權利要求1所述油紙絕緣空間電場測量的光路結構，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，還能通過旋轉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)權利要求1所述油紙絕緣空間電場測量的光路結構，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，還能通過旋轉刻度盤改變波片的光軸方向，刻度盤指示精度小于 0.5° ;用于將線偏振光轉化為圓偏振光。
6. 根據(jù)權利要求1所述油紙絕緣空間電場測量的光路結構，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;窗口面上設置有調(diào)節(jié)螺絲，能對 玻璃面進行二維調(diào)節(jié)；用于盛放液體電介質(zhì)和電極模型。
7. -種權利要求1所述的油紙絕緣空間電場測量的光路結構的調(diào)節(jié)方法，其特征在 于，在光路結構中分為光學器件的角度標定和方向調(diào)整兩部分，其中角度標定是將氦氖激 光器置于光學平臺上，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，再旋轉刻度盤至光功率計的示數(shù)為最??； 下一步進行所述方向調(diào)整，具體是先撤去氦氖激光器以外的各個光學器件；氦氖激光 器固定不動，按照所述光路結構，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)權利要求7所述的油紙絕緣空間電場測量的光路結構的調(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器件的鏡面反射光束進入激光器諧振腔中， 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， 提高了測量結果的準確性、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電場測量技術領域的一種油紙絕緣空間電場測量的光路結構及其調(diào)節(jié)方法。該光路結構由氦氖激光器、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，輔助光學器件還包括小孔光闌、偏振分光棱鏡、光功率計。并對光路結構中的光學器件的角度進行標定和方向調(diào)整，先將氦氖激光器固定在光學平臺上，用小孔光闌調(diào)整氦氖激光器的高度和方向；然后按光路結構對各光學器件的角度進行標定和方向調(diào)整，本發(fā)明能有效防止光學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
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年2月11日