CN203479912U

CN203479912U - 低克尔常数的液体介质空间电荷分布测量装置

Info

Publication number: CN203479912U
Application number: CN201320624385.XU
Authority: CN
Inventors: 沈涛; 胡超; 熊燕玲; 杨文龙; 于雪莲
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2023-10-10

Abstract

低克尔常数的液体介质空间电荷分布测量装置，属于液体介质空间电荷分布测量技术领域。本实用新型为了解决现有基于光学CCD的液体介质空间电荷分布的克尔效应测量装置只能对高克尔常数的液体介质进行测量的问题。它的克尔盒的两个电极连接端分别连接电源的正极和负极；克尔盒内装有待测的液体介质；半导体激光器发射的激光束经扩束器扩束，再经准直器准直后，入射至起偏器后获得偏振光束，该偏振光束经第一λ/4波片后入射至克尔盒，经过克尔盒获得的透射光束再经第二λ/4波片、检偏器和滤波器后，输出的光束由CCD图像传感器接收。本实用新型用于测量液体介质的空间电荷分布。

Description

低克尔常数的液体介质空间电荷分布测量装置

技术领域

本实用新型涉及低克尔常数的液体介质空间电荷分布测量装置，属于液体介质空间电荷分布测量技术领域。

背景技术

绝缘材料的电击穿特性是电气设备及电力行业的研究重点，电介质的绝缘性能极大地受到其内部电场的影响，其中空间电荷在改变绝缘电介质内部电场分布中起着重要的作用。因此，研究绝缘材料中的电场及空间电荷发展趋势显得尤为重要。

传统方法中对绝缘电介质电场的研究主要依靠实验经验，通过分压器及传感器测量施加电压后的绝缘电介质的电压和电流分量，再通过计算还原得到绝缘电介质的电场变化过程。但这种方法无法精确计算绝缘体内部实际的电场变化过程，特别是电极处于液体电介质环境中，当电压达到一定程度后，液体中会出现空间电荷。研究表明，空间电荷的产生、输运以及消散会改变液体电介质中的电场分布，从而影响液体电介质的绝缘击穿性能，这种影响既可能降低液体电介质的击穿电压，亦有可能改善液体电介质的电场分布从而抑制流注的发展以提高液体电介质的击穿电压。特别是近年来，随着新型材料技术和空间电荷注入原理的研究，新型液体电介质的空间电荷产生机理及其对击穿过程的影响机理受到了广泛的重视。

液体电介质材料的应用范围和应用量都很大，其电场分布的研究比较薄弱，国外先后提出了探针法、纹影法和克尔效应法。利用静电感应原理的探针法，可以深入液体内部测量电极各位置点上的电势，假如测得的电势分布是连续光滑的，则求导可得出电场分布，遗憾的是探针本身引起的干扰，常带来不可补救的极大的误差，使测量无效，这一方法已不太有人应用。纹影法的基础是介质的折射率。介质常数和密度为温度的函数，如在电极相同的介质中有一个温度梯度，外施电压使温度梯度的变化将以折射两次的变化反映出来，通过测量透明液体介质中的电场分布，来建立一个可以人为控制的温度梯度，并对之进行精确的计量。

克尔电光效应测量系统对液体介质中的电场和空间电荷分布的测量具有精度高、响应快，且对被测电场无干扰的优点。克尔效应从1875年发现，至今已一百多年，随着激光技术的发展，逐步被引入高电压测量。上世纪七十年代，麻省理工学院Markus Zahn教授首创了克尔电光场图测量，用去离子纯水作为介质进行试验，直接测量介质在高电压作用下的电场分布，进而扩展到气体、固体，它对多种不同介质进行研究并取得一系列研究成果。较之于其他高压电场测量方法，电光场图测量法具有直观、安全、可靠，又易于进行计算机信息处理的优点，是一种有效的高压电场测量方法。特别是采用光信号作为测量的媒介，排除了与高电压的直接联系，不仅安全而且易于进行自动控制和信号处理，应用于高压作用下的电场测量具有很大优势。

现有的克尔效应测量空间电荷的方法，可以分为两种：一种是基于光电传感器的测量，一种是基于光学CCD的测量。基于光电传感器的测量，使用方便，可进行交直流和冲击电压作用下的液体电介质的空间电荷测量，在实验室内应用广泛。但其每次测量采集的是一个点的光强，对于不同位置的电场测量需进行多次不同点上的重复试验，从而会造成一定的测量误差；基于光学CCD的测量，多数是对高克尔常数的液体介质进行测量，并且大部分是交直流作用下的电介质空间电荷的测量，它不能在测量电场的同时对不同电极材料、不同电极设计方式对介质电场分布的影响提供参考。

发明内容

本实用新型目的是为了解决现有基于光学CCD的液体介质空间电荷分布的克尔效应测量装置只能对高克尔常数的液体介质进行测量的问题，提供了一种低克尔常数的液体介质空间电荷分布测量装置。

本实用新型所述低克尔常数的液体介质空间电荷分布测量装置，它包括半导体激光器、扩束器、准直器、起偏器、第一λ/4波片、克尔盒、第二λ/4波片、检偏器、滤波器和CCD图像传感器，

克尔盒的两个电极连接端分别连接电源的正极和负极；克尔盒内装有待测的液体介质；

半导体激光器发射的激光束经扩束器扩束，再经准直器准直后，入射至起偏器后获得偏振光束，该偏振光束经第一λ/4波片后入射至克尔盒，经过克尔盒获得的透射光束再经第二λ/4波片、检偏器和滤波器后，输出的光束由CCD图像传感器接收。

它还包括计算机、驱动器和显示器，

计算机的采集信号输入端连接CCD图像传感器的采集信号输出端，计算机的驱动控制信号输出端连接驱动器的驱动控制信号输入端，驱动器的驱动信号输出端连接CCD图像传感器的驱动信号输入端；计算机的显示信号输出端连接显示器的显示信号输入端。

所述克尔盒内装有的待测的液体介质为变压器油。

本实用新型的优点：本实用新型采用CCD采集信息，可以实现对液体介质空间电场分布的动态测量；选用波长波动较小的半导体激光器作为光源，能够保证波长的稳定性，减少光源功率变化对测量结果产生的误差；在信号采集端采用滤波器实现接收波段的控制，可以保证采集信息的有效性，避免杂散光的输入，解决了测量装置对实验环境的依赖性，便于现场测量；测量装置具有便携性，拆装以及移动方便，适合在各种场合使用。

本实用新型针对克尔常数较小的液体介质电场分布进行测试，具有极大的应用价值。

附图说明

图1是本实用新型所述低克尔常数的液体介质空间电荷分布测量装置的原理框图；

图2是克尔盒的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述低克尔常数的液体介质空间电荷分布测量装置，它包括半导体激光器1、扩束器2、准直器3、起偏器4、第一λ/4波片5、克尔盒6、第二λ/4波片7、检偏器8、滤波器9和CCD图像传感器10，

克尔盒6的两个电极连接端分别连接电源的正极和负极；克尔盒6内装有待测的液体介质；

半导体激光器1发射的激光束经扩束器2扩束，再经准直器3准直后，入射至起偏器4后获得偏振光束，该偏振光束经第一λ/4波片5后入射至克尔盒6，经过克尔盒6获得的透射光束再经第二λ/4波片7、检偏器8和滤波器9后，输出的光束由CCD图像传感器10接收。

本实施方式中，克尔盒6能够实现对电极间距的可调，并可更换电极材料和电极大小，图2中A为克尔盒6的上盖，B为克尔盒6的内槽。

所述测量装置可放置在一个仪器箱中，仪器箱的内部放置具有隔振功能的铁质小实验平台和测试所需的各种元件，以便于移动到现场等场所进行测量操作，携带方便。该装置安装调试方便，可在任意场所进行安装，在安装后即为工作状态。半导体激光器1发出的光束的波长，根据测试要求，选用特定波长的光束。所述测量装置可以用于电气领域的低克尔常数的液体介质电场分布进行测试。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式还包括计算机11、驱动器12和显示器13，

计算机11的采集信号输入端连接CCD图像传感器10的采集信号输出端，计算机11的驱动控制信号输出端连接驱动器12的驱动控制信号输入端，驱动器12的驱动信号输出端连接CCD图像传感器10的驱动信号输入端；计算机11的显示信号输出端连接显示器13的显示信号输入端。

本实施方式中，计算机11对CCD图像传感器10输出的信号进行接收并处理和显示，同时，对CCD图像传感器10起到调控作用。

具体实施方式三：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，本实施方式所述克尔盒6内装有的待测的液体介质为变压器油。

现有测量液体介质中空间电场分布的克尔效应测量系统在使用中，必须把电压加到很高或把电极加长到1米以上，才能用于测量克尔常数小的液体介质，由于液体介质击穿电压以及光路稳定与光强吸收等因素，过高电压和加长电极是不实际的。

目前出现的新型的液体电介质的克尔常数一般都很小，这种小克尔常数的液体介质绝缘材料在电气领域中被广泛用在变压器、断路器、电力电缆和电力电容器等电气设备中。本实用新型基于克尔电光效应原理，改变了原有克尔效应法的克尔盒结构以及光路结构，利用高速CCD光电接收装置建立新型测量系统，测量克尔常数小的液体介质，例如变压器油中的电场分布。它通过分析光强的空间分布和变化规律得出电场的空间分布和变化规律，能够得出使用不同金属材料做克尔盒的电极时对电场分布的影响，为克尔常数小的液体介质中的电场及空间电荷分布提供了测量装置，具有实用性。

本实用新型所述液体介质空间电荷分布测量装置的使用过程如下：

1、首先调整光源，调整所有元器件的位置和水平高度；

2、打开计算机11，使CCD图像传感器10与计算机11相连。

一、对变压器油空间电场分布以及不同电极材料对电场分布影响的测试为：

1、将变压器油注入克尔盒6中，并将其封闭；

2、打开半导体激光器1；

3、可选择在计算机11中利用Matlab程序记录此时CCD图像传感器10的输出结果；

4、调节电源电压或通过电压波动来测试CCD图像传感器10的输入；

5、利用Matlab程序记录此时CCD图像传感器10的输出结果；

6、经过5分钟时间后再次记录当前时CCD输出结果；

7、经过10分钟时间后再次记录当前CCD输出结果；

8、关闭高压电源；

9、在克尔盒上安放另一种材料的电极，重复上述步骤；

10、分析测试结果，并绘制数据曲线图。

二、高压下的变压器油中空间电场分布测试与电极间距对电场分布影响的测试：

1、将变压器油注入克尔盒6中，并将其封闭；

2、打开半导体激光器1；

5、利用Matlab程序记录此时CCD图像传感器10的输出结果；

6、经过5分钟时间后再次记录当前时CCD输出结果；

7、经过10分钟时间后再次记录当前CCD输出结果；

8、关闭高压电源；

9、改变克尔盒中电极的间距，重复上述步骤；

10、分析测试结果，并绘制数据曲线图。

本实用新型中所述低克尔常数的液体介质指的是克尔常数数值低于10^-13量级的液体介质。

Claims

1.一种低克尔常数的液体介质空间电荷分布测量装置，其特征在于，它包括半导体激光器（1）、扩束器（2）、准直器（3）、起偏器（4）、第一λ/4波片（5）、克尔盒（6）、第二λ/4波片（7）、检偏器（8）、滤波器（9）和CCD图像传感器（10），

克尔盒（6）的两个电极连接端分别连接电源的正极和负极；克尔盒（6）内装有待测的液体介质；

半导体激光器（1）发射的激光束经扩束器（2）扩束，再经准直器（3）准直后，入射至起偏器（4）后获得偏振光束，该偏振光束经第一λ/4波片（5）后入射至克尔盒（6），经过克尔盒（6）获得的透射光束再经第二λ/4波片（7）、检偏器（8）和滤波器（9）后，输出的光束由CCD图像传感器（10）接收。

2.根据权利要求1所述的低克尔常数的液体介质空间电荷分布测量装置，其特征在于，它还包括计算机（11）、驱动器（12）和显示器（13），

计算机（11）的采集信号输入端连接CCD图像传感器（10）的采集信号输出端，计算机（11）的驱动控制信号输出端连接驱动器（12）的驱动控制信号输入端，驱动器（12）的驱动信号输出端连接CCD图像传感器（10）的驱动信号输入端；计算机（11）的显示信号输出端连接显示器（13）的显示信号输入端。

3.根据权利要求1或2所述的低克尔常数的液体介质空间电荷分布测量装置，其特征在于，所述克尔盒（6）内装有的待测的液体介质为变压器油。