一種液體電介質空間電場快速測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于高電壓與絕緣測量技術領域，特別涉及一種液體電介質空間電場快速測量裝置及方法。具體而言，涉及一種基于電光Kerr效應和Mach-Zehnder干涉儀的液體電介質空間暫態(tài)電場的快速測量技術。
【背景技術】
[0002]油紙絕緣是目前電力變壓器、換流變壓器等大型電力設備的主要絕緣形式，但是由于長期承受交流、直流以及雷電沖擊或操作沖擊等多種電應力的共同作用，同時受水分、溫度等因素影響使得絕緣材料的電阻率和介電常數(shù)呈現(xiàn)一定的非線性特性，進而使油紙絕緣結構的電場具有一定的不確定性。因此，要對油紙絕緣結構在交流、直流、沖擊以及各種沖擊電壓作用下場強分布特性進行有效的定量分析，需迫切開展油紙絕緣結構空間電場分布特性的實測研宄。
[0003]目前，隨著測量技術的發(fā)展，以Kerr效應為代表的光學非接觸式測量在目前油紙絕緣的電場測量中呈現(xiàn)出了較大的潛力。華北電力大學基于激光在變壓器油中的光學Kerr效應，利用交流調制方法，率先實現(xiàn)了油紙絕緣穩(wěn)態(tài)交流電場、穩(wěn)態(tài)直流電場以及暫態(tài)極性反轉電場空間電場的高靈敏度、非接觸、在線測量。但是該測量方法由于受數(shù)據(jù)采集設備的限制難以實現(xiàn)雷電沖擊或操作沖擊等暫態(tài)電壓作用下油紙絕緣空間電場的實際測量，并且僅能夠實現(xiàn)單個測點的測量，尚不能實現(xiàn)一個區(qū)域的測量，因此，需要進一步開展油紙絕緣空間區(qū)域暫態(tài)電場快速測量技術的研宄。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提出一種液體電介質空間電場快速測量裝置及方法，其特征在于，所述液體電介質空間電場快速測量裝置及方法是采用基于電光Kerr效應和Mach-Zehnder干涉儀的液體電介質空間暫態(tài)電場的快速測量技術；
[0005]所述液體電介質空間電場快速測量裝置的光路結構為=He-Ne激光器1、擴束鏡2、起偏器3、四分之一波片4、Kerr盒5、偏振分光棱鏡6、二分之一波片7和第一全反鏡8順序布置在一條直線上，形成一條光路，該條光路在偏振分光棱鏡6后分成I支路和II支路；所述支路I包括二分之一波片7和第一全反鏡8 ;所述II支路由布置在偏振分光棱鏡6下方的第二全反鏡9、布置在第一全反鏡8下方的消偏振分光棱鏡10和CCD圖像傳感器11構成；并且Kerr盒5的機殼接地；暫態(tài)電壓發(fā)生器12同時與Kerr盒5和CXD圖像傳感器11電氣連接。
[0006]所述He-Ne激光器發(fā)出波長為632.8nm的TEMcitl模式線偏振光，出口光斑直徑小于0.8mm,固定在二維調節(jié)夾持器上，該夾持器能對輸出光束的方向進行二維調節(jié)。
[0007]所述Kerr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 ;用于盛放待測試品。
[0008]所述消偏振分光棱鏡將入射光束，在不改變原偏振態(tài)的條件下，以50:50分光比分為兩束光；固定在三維調節(jié)臺上，該調節(jié)臺能對消偏振分光棱鏡的方位進行三維調節(jié)。
[0009]所述暫態(tài)電壓發(fā)生器能輸出1.2±30 %和50±20 % Us雷電沖擊電壓和250±20%和2500±60% μ s操作沖擊電壓，點火脈沖與波形輸出的延時小于10ns ;其中，
[0010]1.2±30%和50±20%代表雷電沖擊電壓的波頭時間為1.2 μ S，允許偏差為± 30 %，波尾時間為50 μ s，允許偏差為± 20 % ; 250 ± 20 %和500 ± 60 %代表操作沖擊電壓的波頭時間為250 μ S，允許偏差為±20%，波尾時間為2500 μ S，允許偏差為±60%。
[0011]所述CXD圖像傳感器以至少lOOOOOfps的采樣速率采集并傳輸干涉條紋圖像，像素點距小于明暗條紋間距的1/10，外部觸發(fā)延時小于100ns。
[0012]使用液體電介質空間電場快速測量裝置的空間電場快速測量方法，其特征在于，首先對光路進行調節(jié):起偏器3的透振方向和二分之一波片7的光軸方向與X軸成45°，四分之一波片4的光軸方向與y軸重合，然后進行電氣接線:暫態(tài)電壓發(fā)生器12的輸出接Kerr盒5的上電極，Kerr盒5的下電極接地；同時，暫態(tài)電壓發(fā)生器12的點火脈沖引出接CCD圖像傳感器11的外部觸發(fā)端口 ；其次He-Ne激光器I發(fā)出的點光束經(jīng)擴束鏡變?yōu)槠叫忻婀馐馐睆讲怀^后端光學鏡片直徑的90%。經(jīng)過起偏器3將光的偏振方向固定在與水平方向夾角45°方向上，經(jīng)過四分之一波片4轉化為圓偏振光。經(jīng)過Kerr盒5時，在暫態(tài)電壓發(fā)生器12所施外電壓作用下，將圓偏振光的S分量和P分量產(chǎn)生附加相位延遲變?yōu)闄E圓偏振光，偏振分光棱鏡6將S分量和P分量分離，S分量在I支路上傳輸，P分量在II支路上傳輸，在I支路上放置二分之一波片7，使I支路上光的偏振方向與II支路上光的偏振方向一致；兩束光分別經(jīng)過第一全反鏡8、第二全反鏡9反射后在消偏振分光棱鏡10處匯聚，發(fā)生干涉；調節(jié)CCD圖像傳感器11處于連拍模式，根據(jù)外施電壓不同調節(jié)拍攝間隔；暫態(tài)電壓發(fā)生器12觸發(fā)點火后，CCD圖像傳感器11同步觸發(fā)，拍攝干涉條紋圖像，并將所拍圖像同步傳輸?shù)絇C，通過軟件處理、對判讀涉條紋的移動量可得外施電場大?。辉摳缮鏃l紋直觀反映外施電場，外施電場越大，S分量與P分量之間的相位差越大，干涉條紋的移動越明顯；由于CXD圖像傳感器11以至少lOOOOOfps的采樣速率采集并傳輸干涉條紋圖像，像素點距小于明暗條紋間距的1/10，外部觸發(fā)延時為ns級，不受后端檢測設備的限制，從而實現(xiàn)暫態(tài)電場的快速測量。
[0013]所述CCD圖像傳感器，其觸發(fā)方式以暫態(tài)電壓發(fā)生器的點火脈沖作為CCD外部觸發(fā)信號，延時小于100ns，傳感器自身的快門動作時間也小于10ns ;拍攝的干涉條紋明暗辨識度高。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:將傳統(tǒng)的Mach-Zehnder干涉儀和Kerr效應原理結合，提出了一種新穎的在線式、非接觸光學測量方法，可實現(xiàn)暫態(tài)電場的快速測量，拍攝的干涉條紋明暗辨識度高；彌補了 Kerr效應交流調制法在暫態(tài)電場測量領域的不足。
【附圖說明】
[0015]圖1為測量系統(tǒng)不意圖。
[0016]圖中，1-氦氖激光器，2-擴束鏡，3-起偏器，4-四分之一波片，5-Kerr盒，6-偏振分光棱鏡，7-二分之一波片，8-第一全反鏡，9-第二全反鏡，10-消偏振分光棱鏡，Il-CXD圖像傳感器，12-暫態(tài)電壓發(fā)生器，虛線為激光束，實線為電氣接線。
【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明提出一種液體電介質空間電場快速測量裝置及方法，下面結合實施例對發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0018]如圖1所示的電光Kerr效應和Mach-Zehnder干涉儀的光路結構為:所有光學元件按照圖1水平擺放在光學平臺上，He-Ne激光器1、擴束鏡2、起偏器3、四分之一波片4、Kerr盒5、偏振分光棱鏡6、二分之一波片7和第一全反鏡8順序布置在一條直線上，形成一條光路，該條光路在偏振分光棱鏡6后分成I支路和II支路；所述支路I包括二分之一波片7和第一全反鏡8 ;所述II支路由布置在偏振分光棱鏡6下方的第二全反鏡9、布置在第一全反鏡8下方的消偏振分光棱鏡10和(XD圖像傳感器11構成；并且Kerr盒5的機殼接地；暫態(tài)電壓發(fā)生器12同時與Kerr盒5和CXD圖像傳感器11電氣連接；其中He-Ne激光器發(fā)出波長為632.8nm的TEMcic!模式線偏振光，出口光斑直徑小于0.8mm，固定在二維調節(jié)夾持器上，該夾持器能對輸出光束的方向進行二維調節(jié)。
[0019]Kerr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 ;用于盛放待測試品。所述暫態(tài)電壓發(fā)生器能輸出1.2±30%和50±20% ys雷電沖擊電壓和250±20%和2500±60% μ s操作沖擊電壓，點火脈沖與波形輸出的延時小于10ns其中，1.2±30%和50±20%代表雷電沖擊電壓的波頭時間為1.2 μ s，允許偏差為±30%，波尾時間為50 μ S，允許偏差為±20% ;250±20%和2500±60%代表操作沖擊電壓的波頭時間為250 μ S，允許偏差為±20%，波尾時間為2500 μ S，允許偏差為±60% ;
[0020]所述起偏器的消光比大于50dB ;固定在三維調節(jié)支架上，該調節(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。
[0021]所述四分之一波片和二分之一