一种油纸绝缘空间电场测量的光路结构及其调节方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高电压绝缘的光学电场测量技术领域，特别涉及一种油纸绝缘空间电 场测量的光路结构及其调节方法。
【背景技术】
[0002] 高压直流输电（HVDC)技术起步于20世纪50年代，因其在远距离大容量输电、跨 海输电及电网联络等方面独特的优越性而得到了快速发展。随着直流输电工程的发展，直 流输电系统的可靠性对电网及国民经济的安全运行日益重要，然而大量统计数据表明以换 流变压器为代表的一次绕组类设备是导致直流系统强迫停运的主要因素之一，直流设备的 绝缘问题一直是困扰直流系统安全可靠运行的关键。目前，油纸绝缘仍然是换流变压器等 直流设备的主要绝缘形式，在直流电压作用下，电场分布取决于电介质的电阻率，由外施电 压场和空间电荷场共同作用而形成，电场分布往往受到空间电荷积聚和分布状况的影响。 实际测量直流电压作用下液体电介质中的电场分布状况十分有必要。
[0003] 电光Kerr效应技术作为一种先进的在线非接触式光学电场测量方法，常用于液 体电介质的空间电场测量，尤其是交流调制技术的引入使其应用扩展到对变压器油等低 Kerr常数液体电介质的空间电场测量。该技术是利用某些液体电介质（如变压器油）在外 施电场作用下表现出光学上的各向异性，入射的线偏振光发生双折射，产生的寻常光和非 寻常光存在相位差，导致出射光强与入射光强存在固定比例关系，后端用光电探测装置检 测出射光强，反算即得外施电场大小。交流调制技术可以提高测量的灵敏度，在液体电介质 两端除了施加待测直流电场外，引入交流调制电场，这样输出光强中将含有基频分量和倍 频分量，输出光强为直流成分叠加交流成分的形式，利用锁相放大器即可锁定基频分量和 倍频分量的系数，从而得到场强大小。
【主权项】
1. 一种油纸绝缘空间电场测量的光路结构，其特征在于，所述光路结构由在光路方向 上按顺序依次布置氦氖激光器、光隔离器、起偏器、四分之一波片、克尔盒、检偏器和光电检 测器而成；其中光电检测器收集光强信息，并将光信号转换为电压信号； 在标定该光路中光学器件的角度时，随时取用的辅助光学器件包括中心孔径为1_，孔 位高度可调的小孔光阑、消光比高于50dB的偏振分光棱镜和最小探测功率达到I yW的光 功率计。
2. 根据权利要求1所述油纸绝缘空间电场测量的光路结构，其特征在于，所述氦氖激 光器作为点光源，发出波长632. 8nm的TEMOO模式线偏振光，出口光斑直径小于0. 8mm ;固 定在二维调节夹持器上，该夹持器能对输出光束的方向进行二维调节。
3. 根据权利要求1所述油纸绝缘空间电场测量的光路结构，其特征在于，所述光隔离 器是利用磁光晶体的法拉第效应制成的只允许光单向通过的无源器件，能将器件后端的反 射光很好的隔离，防止发射光对光源的输出功率稳定性产生不良影响；固定在二维调节台 上，该调节台能对光隔离器的镜面进行二维调节，改变入射光束与镜面的角度。
4. 根据权利要求1所述油纸绝缘空间电场测量的光路结构，其特征在于，所述起偏器 和检偏器均采用格兰泰勒棱镜，消光比高于50dB ;固定在三维调节支架上，该调节支架不 仅能使镜面二维旋转，还能通过旋转刻度盘改变偏振片的透振方向，刻度盘指示精度小于 0.5° ;用于获取某一固定方向上的线偏振光源。
5. 根据权利要求1所述油纸绝缘空间电场测量的光路结构，其特征在于，所述四分 之一波片采用零级石英波片，相位延迟精度λ/300 ;固定在三维调节支架上，该调节支架 不仅能使镜面二维旋转，还能通过旋转刻度盘改变波片的光轴方向，刻度盘指示精度小于 0.5° ;用于将线偏振光转化为圆偏振光。
6. 根据权利要求1所述油纸绝缘空间电场测量的光路结构，其特征在于，所述克尔盒 的前后窗口面均采用高透石英玻璃，透射系数大于0.98;窗口面上设置有调节螺丝，能对 玻璃面进行二维调节；用于盛放液体电介质和电极模型。
7. -种权利要求1所述的油纸绝缘空间电场测量的光路结构的调节方法，其特征在 于，在光路结构中分为光学器件的角度标定和方向调整两部分，其中角度标定是将氦氖激 光器置于光学平台上，在距离激光器出射孔一定距离处放置两个小孔光阑，调整两个光阑 的小孔在同一水平线高度上；反复调整氦氖激光器的高度和出射光束的方向，使光束均通 过两个光阑的小孔，最终使光束平行于光学平台；然后撤去两个光阑，在氦氖激光器出射孔 附近放置一偏振分光棱镜，调节偏振分光棱镜的镜面，使反射光斑回到激光器出射孔中；在 偏振分光棱镜后依次放置起偏器和光功率计，调节起偏器高度使光束通过镜面中心，使光 束与镜面垂直，再旋转刻度盘至光功率计的示数为最小； 下一步进行所述方向调整，具体是先撤去氦氖激光器以外的各个光学器件；氦氖激光 器固定不动，按照所述光路结构，在光路方向上按顺序依次对光隔离器、起偏器、四分之一 波片、克尔盒、检偏器或光电检测器对轴，将各个光学器件的中轴线调至同一水平线，保证 光路为同轴单光路；并将四分之一波片的光轴方向调至y轴方向，将起偏器的透振方向调 至与四分之一波片的光轴成45°，将检偏器的透振方向调至与起偏器正交；其中，四分之 一波片将氦氖激光器发出的线偏振光转化为圆偏振光；在外施电场作用下，圆偏振光经过 克尔盒后产生了附加相位差，变为椭圆偏振光；经检偏器检偏后输出到光电检测器，光信号 被转换为电压信号，实现油纸绝缘空间电场的测量。
8.根据权利要求7所述的油纸绝缘空间电场测量的光路结构的调节方法，其特征在 于，所述光隔离器的引入能有效阻止后端光学器件的镜面反射光束进入激光器谐振腔中， 有效减小反射光束对电场测量精度影响，防止对激光器的输出光强稳定性造成不良影响， 提高了测量结果的准确性、可靠性和稳定性。
【专利摘要】本发明公开了属于高电压绝缘的光学电场测量技术领域的一种油纸绝缘空间电场测量的光路结构及其调节方法。该光路结构由氦氖激光器、光隔离器、起偏器、四分之一波片、克尔盒、检偏器、光电检测器组成，辅助光学器件还包括小孔光阑、偏振分光棱镜、光功率计。并对光路结构中的光学器件的角度进行标定和方向调整，先将氦氖激光器固定在光学平台上，用小孔光阑调整氦氖激光器的高度和方向；然后按光路结构对各光学器件的角度进行标定和方向调整，本发明能有效防止光学器件镜面反射光束对激光器输出光强的干扰，提高测量精度，有效地保证每次试验的重复性和可靠性，精简了试验流程，操作方便。
【IPC分类】G01R29-12
【公开号】CN104635064
【申请号】CN201510072870
【发明人】齐波, 赵晓林, 李成榕, 吴昊
【申请人】华北电力大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年2月11日