CN104635129B - 一种液体电介质空间电场快速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于高电压与绝缘测量技术领域的一种液体电介质空间电场快速测量装置及方法。本发明是基于电光Kerr效应和Mach‑Zehnder干涉仪的液体电介质空间暂态电场的快速测量技术，其快速测量装置由He‑Ne激光器、扩束镜、起偏器、四分之一波片、Kerr盒、暂态电压发生器、偏振分光棱镜、消偏振分光棱镜、全反镜、二分之一波片、CCD图像传感器构成。该方法是首先对光路进行调节，利用CCD图像传感器直接测量干涉条纹，直观反映外施电场，不受后端检测设备的限制，从而实现暂态电场的快速测量，弥补了Kerr效应交流调制法在暂态电场测量领域的不足。

Description

一种液体电介质空间电场快速测量装置及方法

技术领域

本发明属于高电压与绝缘测量技术领域，特别涉及一种液体电介质空间电场快速测量装置及方法。具体而言，涉及一种基于电光Kerr效应和Mach-Zehnder干涉仪的液体电介质空间暂态电场的快速测量技术。

背景技术

油纸绝缘是目前电力变压器、换流变压器等大型电力设备的主要绝缘形式，但是由于长期承受交流、直流以及雷电冲击或操作冲击等多种电应力的共同作用，同时受水分、温度等因素影响使得绝缘材料的电阻率和介电常数呈现一定的非线性特性，进而使油纸绝缘结构的电场具有一定的不确定性。因此，要对油纸绝缘结构在交流、直流、冲击以及各种冲击电压作用下场强分布特性进行有效的定量分析，需迫切开展油纸绝缘结构空间电场分布特性的实测研究。

目前，随着测量技术的发展，以Kerr效应为代表的光学非接触式测量在目前油纸绝缘的电场测量中呈现出了较大的潜力。华北电力大学基于激光在变压器油中的光学Kerr效应，利用交流调制方法，率先实现了油纸绝缘稳态交流电场、稳态直流电场以及暂态极性反转电场空间电场的高灵敏度、非接触、在线测量。但是该测量方法由于受数据采集设备的限制难以实现雷电冲击或操作冲击等暂态电压作用下油纸绝缘空间电场的实际测量，并且仅能够实现单个测点的测量，尚不能实现一个区域的测量，因此，需要进一步开展油纸绝缘空间区域暂态电场快速测量技术的研究。

发明内容

本发明的目的是提出一种液体电介质空间电场快速测量装置及方法，其特征在于，所述液体电介质空间电场快速测量装置及方法是采用基于电光Kerr效应和Mach-Zehnder干涉仪的液体电介质空间暂态电场的快速测量技术；

所述液体电介质空间电场快速测量装置的光路结构为：He-Ne激光器1、扩束镜2、起偏器3、四分之一波片4、Kerr盒5、偏振分光棱镜6、二分之一波片7和第一全反镜8顺序布置在一条直线上，形成一条光路，该条光路在偏振分光棱镜6后分成Ⅰ支路和Ⅱ支路；所述支路1包括二分之一波片7和第一全反镜8；所述Ⅱ支路由布置在偏振分光棱镜6下方的第二全反镜9、布置在第一全反镜8下方的消偏振分光棱镜10和CCD图像传感器11构成；并且Kerr盒5的机壳接地；暂态电压发生器12同时与Kerr盒5和CCD图像传感器11电气连接。

所述He-Ne激光器发出波长为632.8nm的TEM₀₀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。

所述Kerr盒的前后窗口面均采用高透石英玻璃，透射系数大于0.98；用于盛放待测试品。

所述消偏振分光棱镜将入射光束，在不改变原偏振态的条件下，以50:50分光比分为两束光；固定在三维调节台上，该调节台能对消偏振分光棱镜的方位进行三维调节。

所述暂态电压发生器能输出1.2±30％和50±20％μs雷电冲击电压和250±20％和2500±60％μs操作冲击电压，点火脉冲与波形输出的延时小于100ns；其中，

1.2±30％和50±20％代表雷电冲击电压的波头时间为1.2μs，允许偏差为±30％，波尾时间为50μs，允许偏差为±20％；250±20％和500±60％代表操作冲击电压的波头时间为250μs，允许偏差为±20％，波尾时间为2500μs，允许偏差为±60％。

所述CCD图像传感器以至少100000fps的采样速率采集并传输干涉条纹图像，像素点距小于明暗条纹间距的1/10，外部触发延时小于100ns。

使用液体电介质空间电场快速测量装置的空间电场快速测量方法，其特征在于，首先对光路进行调节：起偏器3的透振方向和二分之一波片7的光轴方向与x轴成45°，四分之一波片4的光轴方向与y轴重合，然后进行电气接线：暂态电压发生器12的输出接Kerr盒5的上电极，Kerr盒5的下电极接地；同时，暂态电压发生器12的点火脉冲引出接CCD图像传感器11的外部触发端口；其次He-Ne激光器1发出的点光束经扩束镜变为平行面光束，光束直径不超过后端光学镜片直径的90％。经过起偏器3将光的偏振方向固定在与水平方向夹角45°方向上，经过四分之一波片4转化为圆偏振光。经过Kerr盒5时，在暂态电压发生器12所施外电压作用下，将圆偏振光的S分量和P分量产生附加相位延迟变为椭圆偏振光，偏振分光棱镜6将S分量和P分量分离，S分量在Ⅰ支路上传输，P分量在Ⅱ支路上传输，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与Ⅱ支路上光的偏振方向一致；两束光分别经过第一全反镜8、第二全反镜9反射后在消偏振分光棱镜10处汇聚，发生干涉；调节CCD图像传感器11处于连拍模式，根据外施电压不同调节拍摄间隔；暂态电压发生器12触发点火后，CCD图像传感器11同步触发，拍摄干涉条纹图像，并将所拍图像同步传输到PC，通过软件处理、对判读涉条纹的移动量可得外施电场大小；该干涉条纹直观反映外施电场，外施电场越大，S分量与P分量之间的相位差越大，干涉条纹的移动越明显；由于CCD图像传感器11以至少100000fps的采样速率采集并传输干涉条纹图像，像素点距小于明暗条纹间距的1/10，外部触发延时为ns级，不受后端检测设备的限制，从而实现暂态电场的快速测量。

所述CCD图像传感器，其触发方式以暂态电压发生器的点火脉冲作为CCD外部触发信号，延时小于100ns，传感器自身的快门动作时间也小于100ns；拍摄的干涉条纹明暗辨识度高。

本发明的有益效果是：将传统的Mach-Zehnder干涉仪和Kerr效应原理结合，提出了一种新颖的在线式、非接触光学测量方法，可实现暂态电场的快速测量，拍摄的干涉条纹明暗辨识度高；弥补了Kerr效应交流调制法在暂态电场测量领域的不足。

附图说明

图1为测量系统示意图。

图中，1-氦氖激光器，2-扩束镜，3-起偏器，4-四分之一波片，5-Kerr盒，6-偏振分光棱镜，7-二分之一波片，8-第一全反镜，9-第二全反镜，10-消偏振分光棱镜，11-CCD图像传感器，12-暂态电压发生器，虚线为激光束，实线为电气接线。

具体实施方式

本发明提出一种液体电介质空间电场快速测量装置及方法，下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

如图1所示的电光Kerr效应和Mach-Zehnder干涉仪的光路结构为：所有光学元件按照图1水平摆放在光学平台上，He-Ne激光器1、扩束镜2、起偏器3、四分之一波片4、Kerr盒5、偏振分光棱镜6、二分之一波片7和第一全反镜8顺序布置在一条直线上，形成一条光路，该条光路在偏振分光棱镜6后分成Ⅰ支路和Ⅱ支路；所述支路1包括二分之一波片7和第一全反镜8；所述Ⅱ支路由布置在偏振分光棱镜6下方的第二全反镜9、布置在第一全反镜8下方的消偏振分光棱镜10和CCD图像传感器11构成；并且Kerr盒5的机壳接地；暂态电压发生器12同时与Kerr盒5和CCD图像传感器11电气连接；其中He-Ne激光器发出波长为632.8nm的TEM₀₀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。

Kerr盒的前后窗口面均采用高透石英玻璃，透射系数大于0.98；用于盛放待测试品。所述暂态电压发生器能输出1.2±30％和50±20％μs雷电冲击电压和250±20％和2500±60％μs操作冲击电压，点火脉冲与波形输出的延时小于100ns其中，1.2±30％和50±20％代表雷电冲击电压的波头时间为1.2μs，允许偏差为±30％，波尾时间为50μs，允许偏差为±20％；250±20％和2500±60％代表操作冲击电压的波头时间为250μs，允许偏差为±20％，波尾时间为2500μs，允许偏差为±60％；

所述起偏器的消光比大于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。

所述四分之一波片和二分之一波片均采用零级石英波片，相位延迟精度小于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，四分之一波片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；二分之一波片将线偏振光的振动方向旋转90°。

偏振分光棱镜将任意偏振态的入射光分解为大小相等、传播方向和偏振方向垂直的两束线偏振光；固定在三维调节台上，该调节台能对偏振分光棱镜的方位进行三维调节。

消偏振分光棱镜将入射光束，在不改变原偏振态的条件下，以50:50分光比分为两束光；固定在三维调节台上，该调节台能对消偏振分光棱镜的方位进行三维调节。

所述全反镜在光束以45°角入射时，全反镜将在不改变其偏振态的条件下，以大于99％的反射效率使光束发生90°偏转；固定在二维调节支架上，该调节支架能对镜面二维调节。

液体电介质空间电场快速测量装置在实际测量时，首先对光路进行调节：起偏器3的透振方向和二分之一波片7的光轴方向与x轴成45°，四分之一波片4的光轴方向与y轴重合，然后进行电气接线：暂态电压发生器12的输出接Kerr盒5的上电极，Kerr盒5的下电极接地；同时，暂态电压发生器12的点火脉冲引出接CCD图像传感器11的外部触发端口；其次，He-Ne激光器发出的点光束经扩束镜变为平行面光束，光束直径不超过后端光学镜片直径的90％。经过起偏器3将光的偏振方向固定在与水平方向夹角45°方向上，经过四分之一波片4转化为圆偏振光。经过Kerr盒5时，在暂态电压发生器12所施外电压作用下，将圆偏振光的S分量和P分量产生附加相位延迟变为椭圆偏振光，偏振分光棱镜6将S分量和P分量分离，S分量在Ⅰ支路上传输，P分量在Ⅱ支路上传输，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与Ⅱ支路上光的偏振方向一致；两束光分别经过第一全反镜8、第二全反镜9反射后在消偏振分光棱镜10处汇聚，发生干涉；调节CCD图像传感器11处于连拍模式，根据外施电压不同调节拍摄间隔；暂态电压发生器12触发点火后，CCD图像传感器同步触发，拍摄干涉条纹图像，并将所拍图像同步传输到PC，通过软件处理、对判读涉条纹的移动量可得外施电场大小。

该干涉条纹直观反映外施电场，外施电场越大，S分量与P分量之间的相位差越大，干涉条纹的移动越明显；由于CCD图像传感器以至少100000fps的采样速率采集并传输干涉条纹图像，像素点距小于明暗条纹间距的1/10，外部触发延时小于100ns，不受后端检测设备的限制，从而实现暂态电场的快速测量。

Claims (1)

1.一种液体电介质空间电场快速测量装置的空间电场快速测量方法，所述液体电介质空间电场快速测量装置是采用基于电光Kerr效应和Mach-Zehnder干涉仪的液体电介质空间暂态电场的快速测量技术，

所述液体电介质空间电场快速测量装置的光路结构为：He-Ne激光器（1）、扩束镜（2）、起偏器（3）、四分之一波片（4）、Kerr盒（5）、偏振分光棱镜（6）、二分之一波片（7）和第一全反镜（8）顺序布置在一条直线上，形成一条光路，所述光路在偏振分光棱镜（6）后分成Ⅰ支路和Ⅱ支路；所述Ⅰ支路包括二分之一波片（7）和第一全反镜（8）；所述Ⅱ支路由布置在偏振分光棱镜（6）下方的第二全反镜（9）、布置在第一全反镜（8）下方的消偏振分光棱镜（10）和CCD图像传感器（11）构成；并且Kerr盒（5）的机壳接地；暂态电压发生器（12）同时与Kerr盒（5）和CCD图像传感器（11）电气连接；其特征在于，首先对光路进行调节：起偏器（3）的透振方向和二分之一波片（7）的光轴方向与x轴成45°，四分之一波片（4）的光轴方向与y轴重合，然后进行电气接线：暂态电压发生器（12）的输出接Kerr盒（5）的上电极，Kerr盒（5）的下电极接地；同时，暂态电压发生器（12）的点火脉冲引出接CCD图像传感器（11）的外部触发端口；其次，He-Ne激光器发出的点光束经扩束镜变为的平行面光束，光束直径不超过后端光学镜片直径的90%；经过起偏器（3）将光的偏振方向固定在与水平方向夹角45°方向上，经过四分之一波片（4）转化为圆偏振光；其特征在于，经过Kerr盒（5）时，在暂态电压发生器（12）所施外电压作用下，将圆偏振光的S分量和P分量产生附加相位延迟变为椭圆偏振光，偏振分光棱镜（6）将S分量和P分量分离，S分量在Ⅰ支路上传输，P分量在Ⅱ支路上传输，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与Ⅱ支路上光的偏振方向一致；两束光分别经过第一全反镜（8）、第二全反镜（9）反射后在消偏振分光棱镜（10）处汇聚，发生干涉；调节CCD图像传感器（11）处于连拍模式，根据外施电压不同调节拍摄间隔；暂态电压发生器（12）触发点火后，CCD图像传感器（11）同步触发，拍摄干涉条纹图像，并将所拍图像同步传输到PC，通过软件处理，判断和读取干涉条纹的移动量得到外施电场大小；该干涉条纹直观反映外施电场，外施电场越大，S分量与P分量之间的相位差越大，干涉条纹的移动越明显；由于CCD图像传感器（11）以至少100000fps的采样速率采集并传输干涉条纹图像，像素点距小于明暗条纹间距的1/10，外部触发延时为ns级，不受后端检测设备的限制，从而实现暂态电场的快速测量。