CN105301540A - 电光传感元件温度效应测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电光传感元件高压试验领域，具体公开了一种电光传感元件温度效应测量装置，包括外部高压输入及光信号检测系统、恒温箱与电光传感元件实验平台，所述电光传感元件实验平台设置于恒温箱内，包括一隔热绝缘腔体，所述隔热绝缘腔体上开有穿线孔，所述恒温箱上对应设置有测试孔，穿线孔与测试孔之间设置有绝缘套管；所述隔热绝缘腔体内的底部设置有防震固定层，防震固定层上设置有用于固定电光传感元件的固定机构，外部高压输入及光信号检测系统的线缆通过测试孔、绝缘套管和测试孔接入隔热绝缘腔体内。本发明温度精度极高，不受环境温度变化影响，满足各类与温度相关的电气试验需要。

Description

电光传感元件温度效应测量装置

技术领域

本发明属于电光传感元件高压试验领域，具体涉及了一种电光传感元件温度效应测量装置。

背景意义

电力系统中产生的各种过电压对电力线路的稳定运行具有非常大的干扰和影响。随着针对高压电网过电压保护的相关课题的开展，与之对应的各种过电压测量及分析方法应运而生。传统的对电力系统进行计量与保护的高压电压传感器，诸如电容分压式电压传感器(CVT)和电磁式电压传感器(VT)，由于电力系统的飞速发展，其自身的抗干扰能力差、与一次电气隔离困难等各种缺陷已经越来越难以适应高压电网的传输容量的不断增大以及电压等级的不断提高，无法进一步满足现代电力系统工程的实际需要，随着现代光学技术的迅猛发展，体积小，测量精度高，抗电磁干扰能力强且便于安装方便远程控制的各类电光传感元件走入人们的视线，高压监测领域的发展则使得将此类无源光纤电光传感元件运用到电力系统过电压监测成为可能。近些年，科技团体已经研发出了各类型的针对于不同测量环境的光纤电压传感器OVS(OpticVoltageSensor)，根据传感原理主要可分为：传光型无源OVS、有源OVS、全光纤OVS和基于电致伸缩原理的OVS。上述类型光纤电压传感器均具有测量精度高，响应频带宽，抗电磁干扰能力强、体积小等众多优点，但是缺点是其无法与一次电气设备隔离，传感器本身的故障可能会导致整个电网的故障，这为电网设备的安全运行埋下了重大隐患。重庆大学自主研发的利用高低压耦合分压单元和具有一次电光效应即Pockels效应的电光晶体(LiNbO₃)进行电光转换，实现对高压电网过电压监测的非接触式过电压光电传感器解决了上述诸类光纤传感器无法进行一次电气隔离的问题，这对于推进高压电网过电压无源监测技术的发展，使得监测技术更安全可靠具有相当重要的意义。

在对此单铌酸锂晶体(LiNO₃)非接触式过电压光电传感器进行初步性能试验后，我们发现此种光电传感器优点颇多，但是对温度变化特别敏感，并在进一步实验之后，我们得到基于Pockels效应光电传感器的核心——电光晶体，由于其自身的特性，不仅对于电场敏感，温度、压力以及附加双折射等都对电光晶体的晶体折射率、晶体对称型等施加着重要影响，尤其温度对其影响最大，会引起诸多不良附加影响，从而影响电光器件的测量和精度。

然而对于此种光电传感器的温度特性以及温度造成影响的机理，我们还缺乏较为系统的研究，其侧重点主要是在低压测量领域中针对晶体本身性质如折射率等参数与温度的关系进行的研究，对于高压测量领域中此种基于电光晶体的光电传感器的半波电压以及引起传感器半波电压变化的原因即电光晶体的电光系数等与温度的关系，国内外学界相关的研究比较少，且缺少针对性试验的高压—温度控制相关平台的搭建，为了全面的研究在各类电压下基于铌酸锂晶体的非接触式过电压光电传感器的的温度特性，亟需一种温度精度极高且可以满足各类电压试验的电光传感元件温度效应测量装置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种电光传感元件温度效应测量装置，温度精度极高，不受环境温度变化影响，满足各类与温度相关的电气试验，测量精度高，搭建方便。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

电光传感元件温度效应测量装置，包括外部高压输入及光信号检测系统、恒温箱与电光传感元件实验平台，所述电光传感元件实验平台设置于恒温箱内，电光传感元件实验平台包括一隔热绝缘腔体，所述隔热绝缘腔体上开有穿线孔，所述恒温箱上对应设置有测试孔，穿线孔与测试孔之间设置有绝缘套管；所述隔热绝缘腔体内的底部设置有防震固定层，防震固定层上设置有用于固定电光传感元件的固定机构，隔热绝缘腔体为环氧树脂盒，所述环氧树脂盒的顶部具有开口，开口处设置有透明亚克力板所述透明亚克力板外设置有温度缓冲层，外部高压输入及光信号检测系统的线缆通过测试孔、绝缘套管和测试孔接入隔热绝缘腔体内。

进一步，所述外部高压输入及光信号检测系统包括任意函数发生器、高压放大器、电容分压器、激光源、示波器、光电探测器和温度计，所述任意函数发生器的信号输出端高压放大器的信号输入端电连接，所述高压放大器的输出端与高压电缆连接，高压电缆通过电容分压器后接入隔热绝缘腔体，用于连接电光传感元件的电极；所述激光源的输出端通过光纤接入隔热绝缘腔体，用于连接电光传感元件的光路输入端，所述光电探测器的输入端通过光纤接入隔热绝缘腔体，用于连接电光传感元件的光路输出端，所述示波器的输入端与光电探测器的输出端电连接，所述电容分压器的电压信号通过同轴电缆经过衰减探头后接入示波器。

进一步，所述温度计固定设置于隔热绝缘腔体内或可通过测试孔放置于隔热绝缘腔体。

进一步，所述透明亚克力板上部覆盖有PE保鲜膜，透明亚克力板上部沿边缘还设置有一层EPE珍珠棉，以此在透明亚克力板与PE保鲜膜之间形成所述温度缓冲层。

进一步，温度缓冲层四周用绝缘隔热胶进行密封。

进一步，用于固定电光传感元件的固定机构包括设置于防震固定层上的固定支架和设置于固定支架用于固定电光传感元件的绝缘螺钉。

本发明的有益效果：本发明的一种电光传感元件温度效应测量装置，相对于现有技术，具有如下优点：

本装置基于温度试验基本原理和物体之间传热规律研制而成，具有温度精度极高，不受可程序恒温箱内温度扰动的影响，受环境温度影响极小，性能稳定的特点。

本装置体积小，稳定性高，测量精度高，操作方便，安装简易，便于在电光传感元件的精密温度试验领域的推广和应用。

本装置通过光电转换技术实现了在极高温度精度的实验条件下，基于电光传感元件的各类电压试验，且测量精度高，响应速度快，操作方便等特点。

本装置通过外部高压输入及信号检测装置和恒温箱与内部电光传感器件实验平台配合工作，实现了电光传感器的精密温度特性试验，精准测量出了试验中由相关电压信号及光信号信号评判的电光传感元件的温度特性。

本装置通过示波器以及后端软件信号处理，实现弱电信号的高精度测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为电光传感元件温度效应测量装置的结构示意图；

图2为恒温箱及电光传感元件实验平台的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明。

参见图1、2，电光传感元件温度效应测量装置，包括外部高压输入及光信号检测系统、恒温箱与电光传感元件实验平台，所述电光传感元件实验平台设置于恒温箱19内，电光传感元件实验平台包括一隔热绝缘腔体8，所述隔热绝缘腔体8上开有穿线孔5、6，所述恒温箱19上对应设置有测试孔1、2，穿线孔5、6与测试孔1、2之间设置有绝缘套管3、4；所述隔热绝缘腔体8内的底部设置有防震固定层14，防震固定层14上设置有用于固定电光传感元件10的固定机构，隔热绝缘腔体8为环氧树脂盒，所述环氧树脂盒的顶部具有开口，开口处设置有透明亚克力板9，所述透明亚克力板9通过绝缘垫7设置于环氧树脂盒的的开口处，所述透明亚克力板9外设置有温度缓冲层，外部高压输入及光信号检测系统的线缆通过测试孔1、2、绝缘套管3、4和测试孔1、2接入隔热绝缘腔体8内。

所述外部高压输入及光信号检测系统包括任意函数发生器20、高压放大器21、电容分压器22、激光源23、示波器24、光电探测器25和温度计26，所述任意函数发生器的信号输出端高压放大器的信号输入端电连接，所述高压放大器的输出端与高压电缆连接，高压电缆通过电容分压器后接入隔热绝缘腔体8，用于连接电光传感元件10的电极12；所述激光源23的输出端通过光纤接入隔热绝缘腔体8，用于连接电光传感元件10的光路输入端，所述光电探测器25的输入端通过光纤接入隔热绝缘腔体8，用于连接电光传感元件10的光路输出端，所述示波器24的输入端与光电探测器25的输出端电连接，所述电容分压器22的电压信号通过同轴电缆经过衰减探头27后接入示波器24。

所述温度计26固定设置于隔热绝缘腔体8内或在进行试验时，通过测试孔1、2放置于隔热绝缘腔体8。

所述透明亚克力板9上部覆盖有PE保鲜膜16，透明亚克力板9上部沿边缘还设置有一层EPE珍珠棉11，以此在透明亚克力板9与PE保鲜膜16之间形成所述温度缓冲层17。

温度缓冲层四周用绝缘隔热胶进行密封。

用于固定电光传感元件10的固定机构包括设置于防震固定层14上的固定支架13和设置于固定支架13用于固定电光传感元件10的绝缘螺钉18。

电光传感元件实验平台通过环氧树脂盒设置于恒温箱内，可以防止恒温箱内部由于出功不均等因素导致的轻微温度扰动对温度敏感性较高的电光传感器件造成的不良影响，防震固定层为硅胶等具有防震且力学强度足够的材料，最大限度降低可程序恒温箱工作时的机械振动对内部电光传感元件的影响。设置透明亚克力板便于观察环氧树脂盒内电光传感元件工作情况，为防止亚克力板传热速率过大，在其上设置温度缓冲层，达到较为稳定的恒温效果。

根据傅里叶定律，热导率的定义式为：

$k_x=-\frac{q_x^{\′\′}}{\left(\frac{\∂T}{\∂x}\right)};$

式中，x为热流方向，q_x”为该方向上的热流密度，单位为W/m^2。式中为该方向上的温度梯度，单位是K/m，且可知对于各向同性的材料来说，各个方向上的热导率是相同的，不同物质导热系数各不相同；各类物质的导热系数受其结构、密度、湿度、温度、压力等因素的影响。一般来说，固体的热导率大于液体的热导率，而液体的热导率又要大于气体的热导率。这种差异很大程度上是由于这两种状态分子间距不同所导致的。而本发明的电光传感元件温度效应测量装置，存在有多孔、多层、多结构、各向异性材料等特点，因此获得的导热系数实际上是一种综合导热性能的表现，也称之为平均导热系数。因此我们可以知道，本发明综合地改变了恒温箱内部的热导率，通过一系列恒温的手段使其热导率较之空气有明显的下降，使其内部电光传感器件实验平台周围传热阻R₀(R₀＝1/k_x)增大，对外部环境温度的变化的敏感度下降，但又不至于和外界无法进行热传递，从而降低了其内部的温度波动度，最终实现了进一步精确恒温的效果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.电光传感元件温度效应测量装置，其特征在于：包括外部高压输入及光信号检测系统、恒温箱与电光传感元件实验平台，所述电光传感元件实验平台设置于恒温箱(19)内，电光传感元件实验平台包括一隔热绝缘腔体(8)，所述隔热绝缘腔体(8)上开有穿线孔(5、6)，所述恒温箱(19)上对应设置有测试孔(1、2)，穿线孔(5、6)与测试孔(1、2)之间设置有绝缘套管(3、4)；所述隔热绝缘腔体(8)内的底部设置有防震固定层(14)，防震固定层(14)上设置有用于固定电光传感元件(10)的固定机构，隔热绝缘腔体(8)为环氧树脂盒，所述环氧树脂盒的顶部具有开口，开口处设置有透明亚克力板(9)所述透明亚克力板外设置有温度缓冲层，外部高压输入及光信号检测系统的线缆通过测试孔(1、2)、绝缘套管(3、4)和测试孔(1、2)接入隔热绝缘腔体(8)内。

2.如权利要求1所述电光传感元件温度效应测量装置，其特征在于：所述外部高压输入及光信号检测系统包括任意函数发生器(20)、高压放大器(21)、电容分压器(22)、激光源(23)、示波器(24)、光电探测器(25)和温度计(26)，所述任意函数发生器的信号输出端高压放大器的信号输入端电连接，所述高压放大器的输出端与高压电缆连接，高压电缆通过电容分压器后接入隔热绝缘腔体(8)，用于连接电光传感元件(10)的电极(12)；所述激光源(23)的输出端通过光纤接入隔热绝缘腔体(8)，用于连接电光传感元件(10)的光路输入端，所述光电探测器(25)的输入端通过光纤接入隔热绝缘腔体(8)，用于连接电光传感元件(10)的光路输出端，所述示波器(24)的输入端与光电探测器(25)的输出端电连接，所述电容分压器(22)的电压信号通过同轴电缆经过衰减探头(27)后接入示波器(24)。

3.如权利要求2所述的电光传感元件温度效应测量装置，其特征在于：所述温度计(26)固定设置于隔热绝缘腔体(8)内或可通过测试孔(1、2)放置于隔热绝缘腔体(8)。

4.如权利要求1-3中任一项所述的电光传感元件温度效应测量装置，其特征在于：所述透明亚克力板(9)上部覆盖有PE保鲜膜(16)，透明亚克力板(9)上部沿边缘还设置有一层EPE珍珠棉(11)，以此在透明亚克力板(9)与PE保鲜膜(16)之间形成所述温度缓冲层。

5.如权利要求4所述的电光传感元件温度效应测量装置，其特征在于：温度缓冲层四周用绝缘隔热胶(15)进行密封。

6.如权利要求4所述的电光传感元件温度效应测量装置，其特征在于：用于固定电光传感元件(10)的固定机构包括设置于防震固定层(14)上的固定支架(13)和设置于固定支架(13)用于固定电光传感元件(10)的绝缘螺钉(18)。