RU204860U1 - SENSING ELEMENT FOR HIGH VOLTAGE OPTICAL VOLTAGE TRANSFORMERS - Google Patents
SENSING ELEMENT FOR HIGH VOLTAGE OPTICAL VOLTAGE TRANSFORMERS Download PDFInfo
- Publication number
- RU204860U1 RU204860U1 RU2020137756U RU2020137756U RU204860U1 RU 204860 U1 RU204860 U1 RU 204860U1 RU 2020137756 U RU2020137756 U RU 2020137756U RU 2020137756 U RU2020137756 U RU 2020137756U RU 204860 U1 RU204860 U1 RU 204860U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- end surfaces
- single crystals
- voltage
- crystals
- optical
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
- G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
- G01R15/241—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption
- G01R15/242—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption based on the Pockels effect, i.e. linear electro-optic effect
Abstract
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к оптическим устройствам для автономного измерения напряжения в высоковольтных линиях электропередач, работающих на эффекте Поккельса. Полезная модель позволяет измерять напряжения свыше 110 кВ с точностью не хуже 0,2% и со слабой температурной зависимостью в интервале температур от минус 60°С до плюс 60°С. Это достигается путем выполнения чувствительного элемента в виде сборной конструкции из серии идентичных по кристаллографической ориентации пьезоэлектрических монокристаллов, соединенных между собой торцевыми поверхностями. При этом торцевые поверхности имеют отклонение от плоскостности не более 20 мкм, шероховатость Ra не более 0,01 мкм и отклонение от параллельности торцевых поверхностей не более 3 мкм. 3 з.п. ф-лы, 1 фиг.The utility model relates to measuring technology, in particular to optical devices for autonomous voltage measurement in high-voltage power lines operating on the Pockels effect. The utility model makes it possible to measure voltages over 110 kV with an accuracy of at least 0.2% and with a weak temperature dependence in the temperature range from minus 60 ° C to plus 60 ° C. This is achieved by making the sensitive element in the form of a prefabricated structure from a series of piezoelectric single crystals identical in crystallographic orientation, connected by end surfaces. In this case, the end surfaces have a deviation from flatness not more than 20 microns, a roughness Ra of not more than 0.01 microns and a deviation from parallelism of the end surfaces not more than 3 microns. 3 C.p. f-crystals, 1 fig.
Description
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к чувствительным элементам устройств для пассивного измерения напряжения в высоковольтных линиях электропередач, более конкретно к чувствительным элементам, выполненным из пьезоэлектрических монокристаллов и работающим на эффекте Поккельса. Полезная модель может быть использована для контроля напряжения в различных областях науки и техники, таких как энергетика, металлургическая, химическая, судостроительная промышленность.The utility model relates to measuring technology, in particular to sensitive elements of devices for passive voltage measurement in high-voltage power lines, more specifically to sensitive elements made of piezoelectric monocrystals and operating on the Pockels effect. The utility model can be used to control stress in various fields of science and technology, such as energy, metallurgy, chemical, and shipbuilding industries.
Важнейшим функциональным узлом систем контроля являются датчики физических величин, воспринимающие информацию о состоянии параметров контролируемого объекта техники. Первичным узлом датчиков, регистрирующим и передающим информацию о параметрах объекта, является чувствительный элемент из пьезоэлектрического материала, который преобразует неэлектрические физические величины в электрические сигналы. Достоинствами таких датчиков являются малые размеры, безинерционность и пассивный принцип действия (не требуется внешний источник электрической энергии).The most important functional unit of control systems are sensors of physical quantities, which perceive information about the state of the parameters of the controlled object of technology. The primary sensor unit, which records and transmits information about the parameters of the object, is a sensitive element made of piezoelectric material, which converts non-electrical physical quantities into electrical signals. The advantages of such sensors are small size, inertia-free operation and a passive principle of operation (no external source of electrical energy is required).
В настоящее время для контроля и учета активной и реактивной электроэнергии и мощности на промышленных предприятиях используют автоматизированные информационно-измерительные системы коммерческого учета электроэнергии. Их метрологические характеристики определяются в первую очередь установленными измерительными приборами и преобразователями - измерительными трансформаторами напряжения, необходимыми для сопряжения измерителей с цепями высокого напряжения и тока. Известны волоконно-оптические датчики - небольшие по размерам устройства, в которых оптическое волокно используется как в качестве линии передачи данных, так и в качестве чувствительного элемента, способного детектировать изменения различных величин (см. L. Duvillaret et al., "Electro-Optic Sensors for Electric Field Measurements. II. Choice of the Crystals and Complete Optimization of Their Orientation", J. Opt. Soc. Am. D, vol. 19, No. 11, Nov. 2002, pp. 2704-2715).At present, automated information and measurement systems for commercial metering of electricity are used to control and account for active and reactive electricity and power at industrial enterprises. Their metrological characteristics are determined, first of all, by the installed measuring instruments and converters - measuring voltage transformers necessary for interfacing the meters with high voltage and current circuits. Known fiber-optic sensors are small-sized devices in which optical fiber is used both as a data transmission line and as a sensitive element capable of detecting changes in various quantities (see L. Duvillaret et al., "Electro-Optic Sensors for Electric Field Measurements. II. Choice of the Crystals and Complete Optimization of Their Orientation ", J. Opt. Soc. Am. D, vol. 19, No. 11, Nov. 2002, pp. 2704-2715).
Известны также оптические измерительные трансформаторы напряжения, работа которых основана на использовании светового потока для измерения параметров высоковольтных объектов и оптического канала связи для передачи информации из зоны высокого потенциала. Известна схема, когда измеряемый сигнал взаимодействует с параметрами пассивной среды, в которой распространяется световой поток источника, обратной передаче этого потока по световодам в зону низкого потенциала и преобразование его в электрический сигнал, пропорциональный измеряемому сигналу. Основным преимуществом оптических измерительных трансформаторов напряжения является отсутствие электронной аппаратуры в зоне высокого потенциала, что позволяет системе функционировать длительное временя без доступа обслуживающего персонала в зону высокого потенциала.There are also known optical measuring voltage transformers, the operation of which is based on the use of a light flux for measuring the parameters of high-voltage objects and an optical communication channel for transmitting information from the high-potential zone. A known scheme, when the measured signal interacts with the parameters of the passive medium in which the light flux of the source propagates, the reverse transmission of this flux through the optical fibers to the low potential zone and its conversion into an electrical signal proportional to the measured signal. The main advantage of optical measuring voltage transformers is the absence of electronic equipment in the high potential area, which allows the system to function for a long time without the access of service personnel to the high potential area.
Эффект Поккельса (электрооптический эффект) наблюдается только в пьезокристаллах, тогда как во всех центросимметричных телах (жидкости, газы, аморфные тела и т.д.) эффект Поккельса отсутствует. Большой интерес к применению линейного электрооптического эффекта для измерения напряженности электрического поля связан с наличием кристаллов, обладающих этим эффектом и которые широко применяются в качестве ультразвуковых излучателей, акустооптических модуляторов и пьезодатчиков (см. Nicolas A.F. et al., "Integrated Optics Pockels Cell High-Voltage Sensor", IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 10, No. 1, Jan. 1995, pp. 127-134, а также опубликованные патентные заявки US, Patent Appln. 2010/0283451 и US, Patent Appln. 2010/0109642).The Pockels effect (electro-optical effect) is observed only in piezocrystals, while in all centrosymmetric bodies (liquids, gases, amorphous bodies, etc.), the Pockels effect is absent. The great interest in the application of the linear electro-optical effect for measuring the electric field strength is associated with the presence of crystals with this effect and which are widely used as ultrasonic emitters, acousto-optical modulators and piezoelectric sensors (see Nicolas AF et al., "Integrated Optics Pockels Cell High-Voltage Sensor ", IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 10, No. 1, Jan. 1995, pp. 127-134, as well as published US patent applications, Patent Appln. 2010/0283451 and US, Patent Appln. 2010/0109642) ...
Известны различные конструкции оптических датчиков напряжения, принадлежащие различным компаниям, среди которых следует отметить канадскую компанию NxtPhase T&D, шведскую фирму PowerSense, американские фирмы OptiSense Network, Inc., ABB, Inc., Airak, Inc., FieldMetric, Inc. (FMI), а также российские компании «Про-Лайн, ОАО «ТГК1», ООО «Уникальные волоконные приборы».Various designs of optical voltage sensors are known belonging to various companies, among which the Canadian company NxtPhase T&D, the Swedish company PowerSense, the American companies OptiSense Network, Inc., ABB, Inc., Airak, Inc., FieldMetric, Inc. should be noted. (FMI), as well as Russian companies Pro-Line, JSC TGK1, LLC Unique Fiber Devices.
Известны различные конструкции чувствительных элементов для измерительных трансформаторов напряжения, работающие на эффекте Поккельса как российских, так и иностранных компаний (см., например, опубликованные патентные заявки US, Patent Application, 2014/0300341 и US, Patent Application, 2004/0239307; а также патенты US, 6621258; US, 6285182; US,5936395; US, 5939711, US, 5731579). Недостатками известных устройств являются низкая точность измерения и малый диапазон величин измеряемых напряжений. Существенным недостатком для их применения является также температурный диапазон от 0 до 50°С.Various designs of sensing elements for measuring voltage transformers are known, operating on the Pockels effect of both Russian and foreign companies (see, for example, published patent applications US, Patent Application, 2014/0300341 and US, Patent Application, 2004/0239307; and also US patents 6621258; US 6285182; US 5936395; US 5939711, US 5731579). The disadvantages of the known devices are low measurement accuracy and a small range of measured voltages. A significant disadvantage for their use is also the temperature range from 0 to 50 ° C.
Вместе с тем имеется потребность в устройствах, работающих на эффекте Поккельса, которые удовлетворяли бы требованиям температурной стабильности, необходимой для мониторинга высокого напряжения линий передач, где требуется высокая точность измерения напряжения в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 60°С.At the same time, there is a need for devices operating on the Pockels effect that would meet the requirements of temperature stability required for monitoring high voltage transmission lines, where high accuracy of voltage measurement is required in the temperature range from minus 60 ° C to plus 60 ° C.
В этой связи к материалу для изготовления чувствительного элемента для использования в составе оптического измерительного трансформатора напряжения на эффекте Поккельса предъявляются следующие требования:In this regard, the following requirements are imposed on the material for the manufacture of a sensitive element for use as part of an optical measuring voltage transformer based on the Pockels effect:
1) кристалл должен иметь удельное электрическое сопротивление не менее 1010 Ом⋅см;1) the crystal must have a specific electrical resistance of at least 10 10 Ohm⋅cm;
2) кристалл должен быть высокого оптического качества с воспроизводимыми параметрами и иметь значительные размеры. В зависимости от номинального напряжения измерительного трансформатора напряжения, длина чувствительного элемента должна варьироваться от 100 до 500 мм. Чувствительный элемент может быть выполнен в виде сборки из нескольких элементов, однако, чрезмерное увеличение числа элементов нежелательно с точки зрения механической надежности и стабильности характеристик измерительного трансформатора напряжения;2) the crystal must be of high optical quality with reproducible parameters and have significant dimensions. Depending on the rated voltage of the voltage transformer, the length of the sensing element should vary from 100 to 500 mm. The sensing element can be made in the form of an assembly of several elements, however, an excessive increase in the number of elements is undesirable from the point of view of mechanical reliability and stability of the characteristics of the voltage measuring transformer;
3) симметрия кристалла должна допускать реализацию продольного эффекта Поккельса;3) the symmetry of the crystal should allow the realization of the longitudinal Pockels effect;
4) вдоль выбранного направления распространения света кристалл должен обладать естественным линейным двулучепреломлением, так как естественное двулучепреломление кристалла существенно уменьшает влияние неконтролируемых температурно-зависимых механических напряжений в кристалле на измеряемую величину электрооптического эффекта;4) along the chosen direction of light propagation, the crystal should have natural linear birefringence, since the natural birefringence of the crystal significantly reduces the influence of uncontrolled temperature-dependent mechanical stresses in the crystal on the measured value of the electro-optical effect;
5) в рабочем диапазоне температур электрооптические константы кристалла, определяющие чувствительность измерительных трансформаторов напряжения, должны минимально зависеть от температуры.5) in the operating temperature range, the electro-optical constants of the crystal, which determine the sensitivity of the measuring voltage transformers, should depend minimally on the temperature.
Число кристаллов, допускающих продольный электрооптический эффект, весьма велико. Однако лишь очень немногие из них удовлетворяют всем приведенным выше требованиям, в частности, по электроизолирующим свойствам и по наличию хорошо отработанной технологии производства, позволяющей получать монокристаллы больших размеров и высокого качества. В первую очередь, это кристаллы кварца (SiO2), относящегося к классу симметрии 32. Кроме того, значительный интерес представляют электрооптические кристаллы KTP (KTiOPO4), и RTP (RbTiOPO4), относящиеся к кристаллографическому классу mm2. Электрооптические коэффициенты этих кристаллов существенно больше, чем у кварца, при этом разработаны технологии получения кристаллов с удельным сопротивлением 1010 Ом⋅см. Размеры коммерчески доступных высокоомных кристаллов KTP достигают величин 50×50×50 мм.The number of crystals admitting a longitudinal electro-optical effect is very large. However, only a very few of them satisfy all the above requirements, in particular, in terms of electrical insulating properties and the availability of a well-developed production technology that allows one to obtain large-sized and high-quality single crystals. First of all, these are quartz crystals (SiO 2 ), belonging to the class of symmetry 32. In addition, electro-optical crystals KTP (KTiOPO 4 ) and RTP (RbTiOPO 4 ), belonging to the crystallographic class mm2, are of considerable interest. The electro-optical coefficients of these crystals are significantly higher than those of quartz, while technologies for obtaining crystals with a resistivity of 10 10 Ohm 10cm have been developed. The dimensions of commercially available high-resistance KTP crystals reach 50 × 50 × 50 mm.
Патент US, 9291650 раскрывает оптические датчики высокого напряжения, работающие на электрооптическом эффекте, чувствительный элемент которых выполнен из таких кристаллов, как Bi4Ge3O12 (BGO). Приложенное к кристаллам напряжение вносит дифференциальный (различный) оптический фазовый сдвиг между двумя ортогональными линейно поляризованными световыми волнами, распространяющимися через кристалл. Величина этого фазового сдвига пропорциональна величине прикладываемого к кристаллу напряжения. На выходе из кристалла световые волны интерферируют на поляризаторе. Результирующая интенсивность света служит мерой фазового сдвига и, следовательно, напряжения.US patent 9291650 discloses high voltage optical sensors operating on the electro-optical effect, the sensing element of which is made of crystals such as Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO). The voltage applied to the crystals introduces a differential (different) optical phase shift between two orthogonal linearly polarized light waves propagating through the crystal. The magnitude of this phase shift is proportional to the magnitude of the voltage applied to the crystal. At the exit from the crystal, light waves interfere at the polarizer. The resulting light intensity serves as a measure of phase shift and therefore voltage.
Патенты US, 4904931 и US, 6252388 раскрывают датчик напряжения, в котором напряжение величиной до 100 кВ прикладывается по длине кристалла Bi4Ge3O12 (BGO). Длина кристалла составляет величину от 100 до 250 мм. Преимущество известного устройства состоит в том, что сигнал чувствительного элемента соответствует истинному напряжению, то есть линейному интегралу электрического поля вдоль кристалла. Патент US, 6252388 раскрывает датчик напряжения, в котором чувствительный элемент выполнен в виде нескольких небольших электрооптических кристаллов, установленных вдоль продольной оси полого высоковольтного изолятора. Кристаллы измеряют электрические поля в своих локальных местах. Сумма этих измерений локального поля служит приближением величины напряжения, приложенного к изолятору. Габаритные размеры известных устройств аналогичны размерам обычных индуктивных трансформаторов напряжения.US patents, 4904931 and US, 6252388 disclose a voltage sensor in which a voltage of up to 100 kV is applied along the length of a Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO) crystal. The length of the crystal ranges from 100 to 250 mm. The advantage of the known device is that the signal of the sensing element corresponds to the true voltage, that is, to the linear integral of the electric field along the crystal. US Pat. No. 6,252,388 discloses a voltage sensor in which the sensing element is made in the form of several small electro-optical crystals mounted along the longitudinal axis of a hollow high-voltage insulator. Crystals measure electric fields at their local locations. The sum of these measurements of the local field serves as an approximation of the magnitude of the voltage applied to the insulator. The overall dimensions of the known devices are similar to those of conventional inductive voltage transformers.
Известен чувствительный элемент, выполненный из кварца, в котором напряжение распределяется между несколькими кристаллами кварца, каждый из которых имеет длину 150 мм (см., например, патент US, 9291650). Пьезоэлектрическая деформация кристаллов под действием приложенного напряжения передается на оптическое волокно, которое переносит, по меньшей мере, две разные световые моды. Световые волны, проходящие через волокно, испытывают дифференциальный оптический фазовый сдвиг, пропорциональный напряжению. Торцы каждого кристалла снабжены электродами, которые обеспечивают относительно однородное распределение поля на кристаллах. Электроды соседних кристаллов соединены между собой электрическими проводниками.Known is a sensitive element made of quartz, in which the voltage is distributed between several quartz crystals, each of which has a length of 150 mm (see, for example, US patent, 9291650). The piezoelectric deformation of the crystals under the applied voltage is transmitted to the optical fiber, which carries at least two different light modes. Light waves passing through the fiber experience a differential optical phase shift proportional to the voltage. The ends of each crystal are equipped with electrodes that provide a relatively uniform field distribution across the crystals. The electrodes of neighboring crystals are connected to each other by electrical conductors.
Известны электрооптические материалы семейства галлогермонатов, такие как лан-гатат (La3Ga5.5Ta0.5O14) и лангасит (La3Ga5SiO14), которые принадлежат к классу симметрии 32 и характеризуются наличием электрооптического эффекта со слабой температурной зависимостью и достаточно большими электрооптическими коэффициентами. Так, электрооптический коэффициент лангасита составляет величину 3 пкм/В против величины 0,4 пкм/В у кварца. Удельное электрическое сопротивление этого кристалла составляет величину 4⋅1012 Ом⋅см. Разработана технология выращивания монокристаллов лангасита с линейными размерами до 120 мм и массой до 7 кг. Кристаллы лангасита характеризуются слабой температурной зависимостью естественного двулучепреломления в требуемых температурных интервалах (см. Langasites as electro-optic materials for highvoltage optical sensors V. Ivanov, A. Stepanov, V. Alenkov, O. Buzanov. Optical materials express, 2017, Vol. 7, No. 9, 3366, а также J. Stade et. all, "Electro-optic, Piezoelectric and Dielectric Properties of Langasite, Langanite and Langatite", Cryst. Res. Technol 37(10), 1113-1120 (2002).There are known electro-optical materials of the gallohermonate family, such as langatate (La 3 Ga 5.5 Ta 0.5 O 14 ) and langasite (La 3 Ga 5 SiO 14 ), which belong to the symmetry class 32 and are characterized by the presence of an electro-optical effect with a weak temperature dependence and rather high electro-optical coefficients. Thus, the electro-optical coefficient of langasite is 3 pm / V versus 0.4 pm / V for quartz. The specific electrical resistance of this crystal is 4⋅10 12 Ohm⋅cm. A technology has been developed for growing langasite single crystals with linear dimensions up to 120 mm and weight up to 7 kg. Langasite crystals are characterized by a weak temperature dependence of natural birefringence in the required temperature ranges (see Langasites as electro-optic materials for highvoltage optical sensors V. Ivanov, A. Stepanov, V. Alenkov, O. Buzanov. Optical materials express, 2017, Vol. 7 , No. 9, 3366, and J. Stade et. All, "Electro-optic, Piezoelectric and Dielectric Properties of Langasite, Langanite and Langatite", Cryst Res Technol 37 (10), 1113-1120 (2002).
Патенты US,5731579; US, 5939711 и US, 6492800 раскрывают датчики напряжения на эффекте Поккельса, которые включают поляризатор на входе и сплиттер на выходе устройства, способные успешно работать при постоянной температуре. Однако в широком интервале температур известные устройства не способны контролировать напряжение с требуемой точностью.US patents, 5731579; US Pat. No. 5,939,711 and US Pat. No. 6,492,800 disclose Pockels effect voltage sensors that include a polarizer at the input and a splitter at the output of the device capable of operating successfully at a constant temperature. However, over a wide temperature range, the known devices are not able to control the voltage with the required accuracy.
На точность измерения величины напряжения влияет термическая стабильность пьезоэлектрического кристалла, а также точность определения разности фаз собственных волн при прохождении через пьезоэлектрический кристалл. Большую погрешность на измерения величины разности фаз в пьезоэлектрическом кристалле вносит собственное двулучепреломление, вызванное деформацией пьезокристалла при наложении электрического поля (обратный пьезоэффект). Данная проблема решена в патенте RU, 2579541, в котором использован сборный чувствительный элемент, состоящий из пары идентичных монокристаллических чувствительных элементов цилиндрической формы и соосно соединенных торцами так, что их электрические оси X повернуты относительно друг друга на 180°, что обеспечивает компенсацию влияния обратного пьезоэффекта, изменяющего размеры пьезоэлектрического кристалла под действием приложенного напряжения на величину фазового сдвига, что повышает точность измерений напряжения.The accuracy of measuring the voltage value is influenced by the thermal stability of the piezoelectric crystal, as well as the accuracy of determining the phase difference of natural waves when passing through the piezoelectric crystal. A large error in measuring the value of the phase difference in a piezoelectric crystal is introduced by its own birefringence caused by deformation of the piezo crystal when an electric field is applied (inverse piezoelectric effect). This problem is solved in the patent RU, 2579541, in which a prefabricated sensitive element is used, consisting of a pair of identical single-crystal sensitive elements of cylindrical shape and coaxially connected by their ends so that their electric axes X are rotated relative to each other by 180 °, which compensates for the influence of the inverse piezoelectric effect , which changes the dimensions of the piezoelectric crystal under the action of the applied voltage by the value of the phase shift, which increases the accuracy of voltage measurements.
В рамках данной заявки решается задача разработки такой конструкции чувствительного элемента для высоковольтных оптических измерительных трансформаторов напряжения, которая позволила бы измерять напряжения величиной свыше ПО кВ с точность не хуже 0,2% и со слабой температурной зависимостью в интервале температур от минус 60°С до плюс 60°С.Within the framework of this application, the problem of developing such a design of a sensitive element for high-voltage optical measuring voltage transformers is being solved, which would make it possible to measure voltages above 10 kV with an accuracy of at least 0.2% and with a weak temperature dependence in the temperature range from minus 60 ° C to plus 60 ° C.
Поставленная задача решается тем, что чувствительный элемент для высоковольтных оптических измерительных трансформаторов напряжения, работающих на эффекте Поккельса, включает, по крайней мере, два пьезоэлектрических монокристалла семейства лангасита цилиндрической формы и электроды, где пьезоэлектрические монокристаллы имеют идентичную кристаллографическую ориентацию Х-среза, каждый из пьезоэлектрических монокристаллов имеет противолежащие торцевые поверхности, при этом пьезоэлектрические монокристаллы соосно соединены друг с другом торцевыми поверхностями неразъемным соединением так, что электрические оси X соседних монокристаллов повернуты относительно друг друга на 180°, а их кристаллографические оси Y и Z перпендикулярны, соответственно, кристаллографическим осям Y и Z соседнего монокристалла, при этом электроды сформированы на противолежащих торцевых поверхностях пьезоэлектрических монокристаллов, кроме того, торцевые поверхности каждого пьезоэлектрического монокристалла имеют отклонение от плоскостности не более 20 мкм, величину шероховатости Ra не более 0,01 мкм, а отклонение от параллельности торцевых поверхностей пьезоэлектрических монокристаллов имеет величину не более 3 мкм.The problem is solved by the fact that the sensitive element for high-voltage optical measuring voltage transformers operating on the Pockels effect includes at least two piezoelectric single crystals of the langasite family of cylindrical shape and electrodes, where the piezoelectric single crystals have identical crystallographic orientation of the X-cut, each of the piezoelectric of single crystals has opposite end surfaces, while piezoelectric single crystals are coaxially connected to each other by end surfaces by a permanent connection so that the electric X axes of neighboring single crystals are rotated relative to each other by 180 °, and their crystallographic axes Y and Z are perpendicular, respectively, to the crystallographic axes Y and Z of a neighboring single crystal, while the electrodes are formed on opposite end surfaces of piezoelectric single crystals, in addition, the end surfaces of each piezoelectric single crystal have open flatness not more than 20 microns, roughness Ra not more than 0.01 microns, and the deviation from parallelism of the end surfaces of piezoelectric single crystals is not more than 3 microns.
Предпочтительно, что каждый из пьезоэлектрических монокристаллов выполнен из лантан галлиевого силиката La3Ga5SiO14, при этом имеет ориентацию торцевых поверхностей перпендикулярно кристаллографической оси X, где точность ориентации торцевых поверхностей не хуже ±10 угловых минут.It is preferable that each of the piezoelectric single crystals is made of lanthanum gallium silicate La 3 Ga 5 SiO 14 , while having the orientation of the end surfaces perpendicular to the crystallographic axis X, where the accuracy of the orientation of the end surfaces is not worse than ± 10 arc minutes.
Целесообразно, что длина каждого из пьезоэлектрических монокристаллов вдоль кристаллографической оси X составляет величину из диапазона от 40 до 60 мм, а длина оптического чувствительного элемента имеет величину не более 250 мм.It is expedient that the length of each of the piezoelectric single crystals along the crystallographic axis X is in the range from 40 to 60 mm, and the length of the optical sensitive element is not more than 250 mm.
Кроме того, предпочтительно, что неразъемное соединение торцевых поверхностей соседних монокристаллов выполнено либо методом диффузионной сварки, либо склеиванием кристаллов с помощью оптических клеев.In addition, it is preferable that the permanent connection of the end surfaces of adjacent single crystals is made either by diffusion welding or by gluing the crystals using optical adhesives.
Сущность полезной модели состоит в том, что пьезоэлектрический чувствительный элемент для оптических измерительных трансформаторов напряжения представляет собой сборную конструкцию и состоит из серии идентичных монокристаллов лангасита цилиндрической формы, соосно соединенных торцевыми поверхностями с помощью неразъемного соединения, и имеет ориентацию торцевых поверхностей перпендикулярно кристаллографической оси X, при этом предъявляются требования к обработке торцевых поверхностей соединяемых пьезоэлектрических монокристаллов.The essence of the utility model is that a piezoelectric sensing element for optical measuring voltage transformers is a prefabricated structure and consists of a series of identical single crystals of langasite of a cylindrical shape, coaxially connected by end surfaces using a permanent connection, and has the orientation of the end surfaces perpendicular to the crystallographic axis X, at This imposes requirements on the processing of the end surfaces of the piezoelectric single crystals to be connected.
Сущность полезной модели поясняется графическим материалом, где на фиг. 1 приведено вертикальное сечение чувствительного элемента. На фиг. 1 введены обозначения: 1, 2 - пьезоэлектрические монокристаллы; 3 - неразъемное соединение; 4 и 5 - электроды чувствительного элемента.The essence of the utility model is illustrated by graphic material, where in Fig. 1 shows a vertical section of the sensing element. FIG. 1 introduced designations: 1, 2 - piezoelectric single crystals; 3 - one-piece connection; 4 and 5 - electrodes of the sensitive element.
Пьезоэлектрические монокристаллы 1 и 2 соединены между собой неразъемным соединением 3 соосно торцевыми поверхностями так, что их кристаллографические оси X повернуты относительно друг друга на 180°, а одноименные кристаллографические оси Y и Z ортогональны. На двух противолежащих торцевых поверхностях чувствительного элемента, перпендикулярных кристаллографическим осям X монокристаллов лангасита, сформированы электроды 4 и 5.Piezoelectric
Принцип работы данного оптического чувствительного элемента основан на формировании за счет линейного электрооптического эффекта Поккельса эллиптической поляризации светового пучка при его прохождении через монокристаллы лангасита 1 и 2.The principle of operation of this optical sensing element is based on the formation, due to the linear electro-optical Pockels effect, of the elliptical polarization of the light beam when it passes through langasite
Чувствительный элемент, выполненный из монокристалла лангасита и предназначенный для высоковольтных оптических измерительных трансформаторов напряжения работает следующим образом. На чувствительный элемент подается световой поток вдоль его длины, которая совпадает с кристаллографическими осями X монокристаллов лангасита 1 и 2. Световой поток направляется под углом 45° к кристаллографическим осям Y и Z. В этом случае в кристалле возникают две поляризационные моды: одна поляризована параллельно оси Y, а другая - параллельно оси Z, чтобы каждая поляризационная мода светового пучка распространялась в плоскостях кристаллографических осей монокристаллов лангасита 1 и 2, т.е. одна мода поляризована вдоль кристаллографической оси Y одного пьезоэлектрического монокристалла 1 лангасита и параллельной ей кристаллографической оси Z другого пьезоэлектрического монокристалла 2 лангасита, другая мода поляризована вдоль кристаллографической оси Z одного монокристалла 1 лангасита и параллельной ей кристаллографической оси Y другого монокристалла 2 лангасита. В отсутствии внешнего электрического поля на выходе из чувствительного элемента световой поток имеет эллиптическую поляризацию из-за разницы фаз двух поляризационных мод. При приложении к торцам чувствительного элемента с помощью электродов 4 и 5 электрического напряжения, воздействующего на пьезоэлектрические монокристаллы лангасита 1 и 2 по их кристаллографическим осям X, изменяется степень эллиптичности поляризации светового потока из-за набега разницы фаз поляризационных мод вследствие электрооптического эффекта. Между поляризационными модами светового пучка возникает дополнительная разность фаз, которая пропорциональна величине приложенного электрического напряжения. Поворот относительно друг друга на 180° электрических осей X пьезоэлектрических монокристаллов лангасита 1 и 2 позволяет уменьшить погрешность измерения напряжения за счет подавления собственного двойного лучепреломления, возникающего за счет обратного пьезоэффекта. Кроме того, строгие требования, предъявляемые к торцевым поверхностям монокристаллов лангасита, уменьшают погрешность, обусловленную искажением фронта проходящего светового пучка через неразъемное соединение 3 монокристаллов на границе раздела монокристаллов 1 и 2. Согласно данной полезной модели, торцевые поверхности чувствительного элемента на основе монокристаллов лангасита имеют следующие параметры:A sensing element made of a single crystal of langasite and intended for high-voltage optical voltage measuring transformers operates as follows. A light flux is supplied to the sensing element along its length, which coincides with the crystallographic axes X of single crystals of
отклонение от плоскостности не более 20 мкм;deviation from flatness no more than 20 microns;
шероховатость Ra не более 0,01 мкм;roughness Ra no more than 0.01 microns;
точность ориентации перпендикулярно оси X не более ±10 угловых минут;orientation accuracy perpendicular to the X-axis no more than ± 10 arc minutes;
отклонение от параллельности торцевых поверхностей чувствительного элемента не более 3 мкм.deviation from parallelism of the end surfaces of the sensitive element is not more than 3 microns.
Пример.Example.
Для изготовления чувствительного элемента, согласно данной полезной модели, предварительно готовят серию идентичных по материалу и кристаллографической ориентации, а также форме и размерам заготовок.For the manufacture of a sensitive element, according to this utility model, a series of blanks identical in material and crystallographic orientation, as well as in the shape and size of the blanks, is prepared in advance.
Заготовки для чувствительного элемента производятся путем резки предварительно выращенного объемного монокристалла лангасита на идентичные по форме и размерам пьезоэлектрические заготовки с ориентацией противолежащих торцевых поверхностей перпендикулярно кристаллографической оси X с точностью не хуже ±10 угловых минут, длиной 50 мм. При шлифовке и химико-механической полировке резаных торцевых поверхностей достигаются предварительно заданные отклонение от плоскостности не более 20 мкм, шероховатость Ra не более 0,01 мкм, отклонение от параллельности торцевых поверхностей элемента не более 3 мкм.Blanks for a sensitive element are made by cutting a pre-grown bulk single crystal of langasite into piezoelectric blanks of identical shape and size with the orientation of opposite end surfaces perpendicular to the crystallographic axis X with an accuracy of no worse than ± 10 arc minutes, 50 mm long. When grinding and chemical-mechanical polishing of the cut end surfaces, a predetermined deviation from flatness is not more than 20 μm, a roughness Ra is not more than 0.01 μm, a deviation from parallelism of the end surfaces of an element is not more than 3 μm.
Далее формируется неразъемное соединение 3 двух заготовок, прошедших шлифовку и химико-механическую полировку, либо методом диффузионной сварки, либо склеиванием пьезоэлектрических монокристаллов с помощью оптических клеев соосно полированными торцевыми поверхностями, так чтобы кристаллографические оси X соседних заготовок были повернуты относительно друг друга на 180°, а их одноименные кристаллографические оси Y и Z ортогональны. Соответственно длина чувствительного элемента, состоящего из двух идентичных пьезоэлектрических монокристаллов 1 и 2 длиной по 50 мм, равна 100 мм. Противолежащие торцы чувствительного элемента снабжены электродами 4 и 5, с помощью которых к торцам чувствительного элемента прикладывается измеряемое напряжение. На чувствительный элемент вдоль его длины, которая совпадает с кристаллографической осью X, подается линейно поляризованный световой пучок с длиной волны 1,5 мкм.Next, a
Световой поток направляется под углом 45° к кристаллографическим осям Y и Z кристаллов, чтобы каждая поляризационная мода светового пучка распространялась в плоскостях кристаллографических осей монокристаллов лангасита (одна мода поляризована вдоль кристаллографической оси Y одного монокристалла лангасита и параллельной ей кристаллографической оси Z другого монокристалла лангасита, другая мода поляризована вдоль кристаллографической оси Z одного монокристалла лангасита и параллельной ей кристаллографической оси Y другого монокристалла лангасита). В отсутствии внешнего электрического поля на выходе из кристалла световой поток имеет эллиптическую поляризацию из-за разницы фаз двух поляризационных мод. При приложении к торцам чувствительного элемента электрического напряжения с помощью электродов 4 и 5, воздействующее на монокристаллы лангасита по их кристаллографическим осям X, изменяется степень эллиптичности поляризации светового потока из-за набега разницы фаз поляризационных мод вследствие электрооптического эффекта. Эта дополнительная разница фаз пропорциональна величине приложенного электрического напряжения.The light flux is directed at an angle of 45 ° to the crystallographic axes Y and Z of the crystals so that each polarization mode of the light beam propagates in the planes of the crystallographic axes of langasite single crystals (one mode is polarized along the crystallographic axis Y of one single crystal of langasite and the crystallographic axis Z of another single crystal of langasite, parallel to it, the mode is polarized along the crystallographic axis Z of one single crystal of langasite and the crystallographic axis Y of another single crystal of langasite parallel to it). In the absence of an external electric field at the exit from the crystal, the light flux has elliptical polarization due to the phase difference between the two polarization modes. When an electric voltage is applied to the ends of the sensitive element using electrodes 4 and 5, acting on the langasite single crystals along their crystallographic axes X, the degree of ellipticity of the polarization of the light flux changes due to the incursion of the phase difference of polarization modes due to the electro-optical effect. This additional phase difference is proportional to the applied voltage.
Чувствительный элемент для оптических измерительных трансформаторов напряжения, выполненный согласно данной полезной модели, позволяет измерять напряжений свыше 110 кВ с точностью не хуже 0,2% и со слабой температурной зависимостью в интервале температур от минус 60°С до плюс 60°С.The sensing element for optical measuring voltage transformers, made according to this utility model, makes it possible to measure voltages above 110 kV with an accuracy of at least 0.2% and with a weak temperature dependence in the temperature range from minus 60 ° C to plus 60 ° C.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020137756U RU204860U1 (en) | 2020-11-18 | 2020-11-18 | SENSING ELEMENT FOR HIGH VOLTAGE OPTICAL VOLTAGE TRANSFORMERS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020137756U RU204860U1 (en) | 2020-11-18 | 2020-11-18 | SENSING ELEMENT FOR HIGH VOLTAGE OPTICAL VOLTAGE TRANSFORMERS |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU204860U1 true RU204860U1 (en) | 2021-06-16 |
Family
ID=76414930
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020137756U RU204860U1 (en) | 2020-11-18 | 2020-11-18 | SENSING ELEMENT FOR HIGH VOLTAGE OPTICAL VOLTAGE TRANSFORMERS |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU204860U1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5113131A (en) * | 1990-02-16 | 1992-05-12 | Southern California Edison Company | Voltage measuring device having electro-optic sensor and compensator |
| WO2000034793A1 (en) * | 1998-12-04 | 2000-06-15 | The University Of British Columbia | Voltage sensor |
| RU180725U1 (en) * | 2018-01-22 | 2018-06-21 | Открытое акционерное общество "ФОМОС-МАТЕРИАЛС" | HIGH TEMPERATURE MASS-SENSITIVE ELEMENT FOR Piezoresonance sensors |
| RU190637U1 (en) * | 2019-03-01 | 2019-07-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | High-temperature thermostable accelerometer sensitive element |
| US10663494B2 (en) * | 2016-08-17 | 2020-05-26 | Micatu, Inc. | Optical Pockels voltage sensor assembly device and methods of use thereof |
-
2020
- 2020-11-18 RU RU2020137756U patent/RU204860U1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5113131A (en) * | 1990-02-16 | 1992-05-12 | Southern California Edison Company | Voltage measuring device having electro-optic sensor and compensator |
| WO2000034793A1 (en) * | 1998-12-04 | 2000-06-15 | The University Of British Columbia | Voltage sensor |
| US10663494B2 (en) * | 2016-08-17 | 2020-05-26 | Micatu, Inc. | Optical Pockels voltage sensor assembly device and methods of use thereof |
| US20200241053A1 (en) * | 2016-08-17 | 2020-07-30 | Micatu Inc. | Optical pockels voltage sensor assembly device and methods of use thereof |
| RU180725U1 (en) * | 2018-01-22 | 2018-06-21 | Открытое акционерное общество "ФОМОС-МАТЕРИАЛС" | HIGH TEMPERATURE MASS-SENSITIVE ELEMENT FOR Piezoresonance sensors |
| RU190637U1 (en) * | 2019-03-01 | 2019-07-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | High-temperature thermostable accelerometer sensitive element |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0083196B1 (en) | Voltage and electric field measuring device using light | |
| Kumada et al. | Directly high-voltage measuring system based on Pockels effect | |
| Jaeger et al. | Integrated optics Pockels cell high-voltage sensor | |
| Yang et al. | Intense electric-field optical sensor for broad temperature-range applications based on a piecewise transfer function | |
| EP0390581A2 (en) | Instrument for concurrently optically measuring thermal and electric quantities | |
| Kyuma et al. | Fiber-optic current and voltage sensors using a Bi 12 GeO 20 single crystal | |
| US10663494B2 (en) | Optical Pockels voltage sensor assembly device and methods of use thereof | |
| Pan et al. | Optical AC Voltage Sensor Based on Two $\hbox {Bi} _ {4}\hbox {Ge} _ {3}\hbox {O} _ {12} $ Crystals | |
| Chu et al. | Optical voltage sensors based on integrated optical polarization-rotated reflection interferometry | |
| EP0458255B1 (en) | Polarimetric directional field sensor | |
| US6885182B2 (en) | Temperature-compensated electro-optical voltage sensor | |
| RU204860U1 (en) | SENSING ELEMENT FOR HIGH VOLTAGE OPTICAL VOLTAGE TRANSFORMERS | |
| US6930475B2 (en) | Method for the temperature-compensated, electro-optical measurement of an electrical voltage and device for carrying out the method | |
| Paliwal et al. | Electro-optic (EO) effect in proton-exchanged lithium niobate: towards EO modulator | |
| JP4092142B2 (en) | Photovoltage measuring device, electric power or electric energy measuring device, and electrical equipment protection system | |
| Li | Magnetooptic sensor based on electrogyration compensation for Faraday effect in lead molybdate crystal | |
| Wildermuth et al. | Growth and characterization of single crystalline Bi 4 Ge 3 O 12 fibers for electrooptic high voltage sensors | |
| JPWO2020152820A1 (en) | Voltage measuring device and gas insulated switchgear | |
| JPS58140716A (en) | Magnetic field-light transducer | |
| Jaeger | Integrated-optic sensors for high-voltage substation applications | |
| Zhao et al. | Fiber optic voltage sensor based on capacitance current measurement with temperature and wavelength error correction capability | |
| Bayvel | Electro-optic coefficient in BSO-type crystals with optical activity measurement and application to sensors | |
| US10816577B2 (en) | Electric field detection device and methods of use thereof | |
| WO1997022012A1 (en) | Electro-optic voltage sensor | |
| Sun et al. | Communication—Electro-Optic Coefficient Measurement by Using Linearity between Refractive Index Change and Externally Applied Electric Field |