基于长光程液体池的空间电荷测量装置及方法与流程

1.本发明涉及空间电荷测量技术领域，具体而言，涉及一种基于长光程液体池的空间电荷测量装置及方法。


背景技术：

2.目前，测量介质中空间电荷的方法主要有探针法、kerr电光效应法、声电脉冲法、热刺激电流法等。探针法虽能测量出液体电介质中的空间电荷，但由于探针本身是金属，其置入液体电介质中会改变原先电场的分布，因此测量误差较大。声电脉冲法通常适用于固体电介质的空间电荷的测量。热刺激电流法能测量出电介质中空间电荷的陷阱量及其深度。kerr电光效应法具有无电磁干扰、测量精度高、响应时间短等优点，但是对于变压器油等kerr常数较低的液体电介质，其kerr效应并不显著，因此测量精度不高，误差较大。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于长光程液体池的空间电荷测量装置及方法，实现低kerr常数的液体电介质在电场下空间电荷的高精度测量。
4.本发明实施例提供了一种基于长光程液体池的空间电荷测量装置，所述装置包括：
5.在光路上依次布置的激光发生器、起偏器、扩束镜、长光程液体池、检偏器和光电探测装置；
6.所述长光程液体池包括浸在透明液体电介质中的反射模块和电极模块，所述反射模块包括三块具有相同曲率半径的凹球面反射镜和一块平面反射镜，所述电极模块包括平行布置的上电极板和下电极板，激光在所述反射模块中多次反射的反射光组成的平面与所述上电极板所在的平面和所述下电极板所在的平面平行；
7.在冲击电压发生器施加暂态电压时，水平入射的激光在所述反射模块中多次反射且在通过所述电极模块的间隙时产生克尔效应，经过多次反射后的激光水平出射至所述长光程液体池外部被所述光电探测装置接收，以根据接收到的光强信息反推出暂态电压冲击下所述电极模块的间隙的空间电荷时空分布。
8.作为本发明进一步的改进，三块所述凹球面反射镜中口径最大的一块所述凹球面反射镜与所述平面反射镜布置于一侧，其他两块所述凹球面反射镜的口径相同且布置于另一侧；
9.三块所述凹球面反射镜的镜片中心处于同一高度，且激光的高度与三块所述凹球面反射镜的镜片中心处于同一高度。
10.作为本发明进一步的改进，口径相同的两块所述凹球面反射镜相对于口径最大的一块所述凹球面反射镜的曲率中心对称布置，三块所述凹球面反射镜构成共轭系统；
11.所述反射模块相对于水平方向倾斜设置，以使激光水平入射至所述长光程液体池内时，第一个光斑落在口径相同的两块所述凹球面反射镜中靠近所述长光程液体池顶部的
所述凹球面反射镜的中心；
12.激光在三块所述凹球面反射镜中多次反射直至最后一个光斑落在口径最大的一块凹球面反射镜的边缘外，并由所述平面反射镜将激光水平出射至所述长光程液体池外部。
13.作为本发明进一步的改进，激光在所述反射模块中反射时，激光的入射方向与三块所述凹球面反射镜的法线方向的夹角都小于5
°
。
14.作为本发明进一步的改进，激光在所述长光程液体池中反射的次数为偶数次。
15.作为本发明进一步的改进，所述起偏器和所述检偏器均由方解石构成，消光比为10000：1；
16.所述起偏器和所述检偏器与施加电场方向之间的夹角分别为45
°
和-45
°
，以使产生的偏振光水平通过所述电极模块的间隙时产生克尔效应。
17.作为本发明进一步的改进，所述长光程液体池位于光路上的两个侧面均由高透光的光学玻璃制成；
18.所述长光程液体池的内侧采用一定厚度的聚四氟乙烯材料制成绝缘层。
19.作为本发明进一步的改进，所述光电探测装置由多个等间距排列的光电探测器构成，每个所述光电探测器对应一个输出通道。
20.作为本发明进一步的改进，所述透明液体电介质为变压器油、纯水或碳酸丙烯酯。
21.本发明实施例还提供了一种基于长光程液体池的空间电荷测量装置的测量方法，所述方法包括：
22.调节光路，使激光发生器、起偏器、扩束镜、检偏器和光电探测装置在一条水平线上，其中，所述起偏器和所述检偏器与施加电场方向之间的夹角分别为45
°
和-45
°
；
23.冲击电压发生器施加暂态电压，水平入射的激光在所述反射模块中多次反射且在通过所述电极模块的间隙时产生克尔效应，经过多次反射后的激光水平出射至所述长光程液体池外部被所述光电探测装置接收；
24.根据所述光电探测装置接收到的光强信息反推出暂态电压冲击下所述电极模块的间隙的空间电荷时空分布。
25.本发明的有益效果为：
26.通过长光程液体池，使偏振光在长光程液体池中能经过多次反射，实现了有限空间内成倍提高激光在透明液体电介质中的光程，增大了低kerr常数的液体电介质(例如变压器油)的光相位差，解决了因液体电解质kerr常数较低而导致光强变化不明显的问题，可以大大增加激光在电场下产生的明暗条纹数量；
27.采用的测量光路位于长光程液体池外，是非介入观测手段，通过光学元件进行信号收集，实现了非接触式的测量，无电磁干扰，可以大幅度提升空间电荷的测量精度，灵敏度更高。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可
以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明一示例性实施例所述的一种基于长光程液体池的空间电荷测量装置的结构示意图；
30.图2为本发明一示例性实施例所述的反射模块的示意图。
31.图中，
32.1、激光发生器；2、起偏器；3、扩束镜；4、长光程液体池；5、检偏器；6、光电探测装置。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
35.另外，在本发明的描述中，所用术语仅用于说明目的，并非旨在限制本发明的范围。术语“包括”和/或“包含”用于指定所述元件、步骤、操作和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他元件、步骤、操作和/或组件的情况。术语“第一”、“第二”等可能用于描述各种元件，不代表顺序，且不对这些元件起限定作用。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个及两个以上。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。结合以下附图，这些和/或其他方面变得显而易见，并且，本领域普通技术人员更容易理解关于本发明所述实施例的说明。附图仅出于说明的目的用来描绘本发明所述实施例。本领域技术人员将很容易地从以下说明中认识到，在不背离本发明所述原理的情况下，可以采用本发明所示结构和方法的替代实施例。
36.本发明实施例所述的一种基于长光程液体池的空间电荷测量装置，如图1所示，所述装置包括：
37.在光路上依次布置的激光发生器1、起偏器2、扩束镜3、长光程液体池4、检偏器5和光电探测装置6；
38.所述长光程液体池4包括浸在透明液体电介质中的反射模块和电极模块，所述反射模块包括三块具有相同曲率半径的凹球面反射镜和一块平面反射镜，所述电极模块包括平行布置的上电极板和下电极板，激光在所述反射模块中多次反射的反射光组成的平面与所述上电极板所在的平面和所述下电极板所在的平面平行；
39.在冲击电压发生器施加暂态电压时，水平入射的激光在所述反射模块中多次反射且在通过所述电极模块的间隙(即上电极板和下电极板之间的间隙)时产生克尔效应，经过多次反射后的激光水平出射至所述长光程液体池4外部被所述光电探测装置6接收，以根据接收到的光强信息反推出暂态电压冲击下所述电极模块的间隙的空间电荷时空分布。
40.本发明所述装置利用克尔效应原理，通过光电探测装置6测量光强的变化，从而反推出暂态电压冲击下电极模块的间隙的空间电荷时空分布。通过长光程液体池，使偏振光
在长光程液体池中能经过多次反射，实现了有限空间内成倍提高激光在透明液体电介质中的光程，增大了低kerr常数的液体电介质(例如变压器油)的光相位差。激光在所述反射模块中多次反射的反射光组成的平面与所述上电极板所在的平面和所述下电极板所在的平面平行，可以确保激光能在长光程液体池中连续多次反射并产生克尔效应。与传统的kerr盒相比，解决了因液体电解质kerr常数较低而导致光强变化不明显的问题，可以大大增加激光在电场下产生的明暗条纹数量，所述装置采用的测量光路位于长光程液体池外，是非介入观测手段，通过光学元件进行信号收集，实现了非接触式的测量，无电磁干扰，可以大幅度提升空间电荷的测量精度，灵敏度更高。
41.其中，所述激光发生器1例如采用he-ne激光发生器，提供波长为633nm，光斑直径为0.7mm的线偏振光，该光源输出强度稳定，线性度较好。扩束镜3可将该光斑直径扩大3-5倍。激光发生器1发出的线偏振光依次经过起偏器2、扩束镜3、长光程液体池4、检偏器5，最后由光电探测装置6接收光强信息。
42.本发明在根据接收到的光强信息反推出暂态电压冲击下所述电极模块的间隙的空间电荷时空分布时，反算公式如下：
[0043][0044][0045]
式中，i表示检偏器5出射的光强，i0表示起偏器2输入的光强，θ1表示起偏器2与电场线之间的夹角(施加暂态电压时形成电场)，θ2表示检偏器5与电场线之间的夹角，em是特征电场，em＝(2bl)-1/2
，ρ表示电荷密度，单位c/m3，ε0和εr分别表示真空介电常数和相对介电常数。
[0046]
电力变压器是电能传输和配送过程中能量转换的核心。绝缘油作为变压器的重要组成部分，其优良的绝缘性能是变压器等主设备稳定运行的前提和保障。空间电荷在液体介质中的迁移、复合、附着、消散过程，空间电荷影响和制约变压器油纸绝缘材料耐电强度，是导致其老化和破坏的重要因素。
[0047]
本发明所述装置适用于变压器油，需要指出的是，所述装置还可以用于纯水、碳酸丙烯酯等透明介质，实现对这些kerr常数低的液体电介质下空间电荷检测。
[0048]
一种可选的实施方式中，所述起偏器2和所述检偏器5均由方解石构成，消光比为10000：1，消光比的设置，使偏振器2产生的偏振光具有较高的偏振度。
[0049]
所述起偏器2和所述检偏器5与施加电场方向之间的夹角分别为45
°
和-45
°
，以使产生的偏振光水平通过所述电极模块的间隙时产生克尔效应。
[0050]
本发明所述装置的光路中，激光发生器1、起偏器2、扩束镜3、检偏器5和光电探测装置6在一条水平线上。其中，起偏器2的起偏方向与电场方向成45
°
，若起偏方向与检偏方向相平行，则称为平行偏振(ap)，若起偏方向与检偏方向相垂直，则称为垂直偏振(cp)。需要指出的是，光路中，激光高度与长光程液体池4内的凹球面反射镜中心的高度一致。
[0051]
本发明所述电极模块采用上下平行设置的两个电极板，分别为上电极板和下电极板，两个电极板的四周成圆角，以减小电场的边缘效应，两个电极板之间具有间隙，偏振光在通过两个电极板的间隙时会产生克尔效应。多块反射镜需要配合设置，且多块反射镜形
成的反射结构与两个电极板平行。形成的反射结构可以使激光在该反射结构的同一平面内多次反射，通过简单的光学元件形成反射结构即可增加激光在液体电介质中的光程。
[0052]
其中，暂态电压可通过冲击电压发生器施加，上电极板接至冲击电压发生器，下电极板接至地，例如施加为1.2/50μs的雷电波或250/2500μs的操作波等。
[0053]
一种可选的实施方式，三块所述凹球面反射镜中口径最大的一块所述凹球面反射镜与所述平面反射镜布置于一侧，其他两块所述凹球面反射镜的口径相同且布置于另一侧；
[0054]
三块所述凹球面反射镜的镜片中心处于同一高度，以使激光水平入射至其他两块所述凹球面反射镜中的一块并在所述反射模块中多次反射时，反射光组成的平面与所述上电极板所在的平面和所述下电极板所在的平面平行；
[0055]
激光的高度与三块所述凹球面反射镜的镜片中心处于同一高度，以使激光入射至所述上电极板和所述下电极板之间的间隙时，反射光组成的平面与所述上电极板所在的平面和所述下电极板所在的平面平行。
[0056]
如图2所示，所述反射模块包括三块具有相同曲率半径的凹球面反射镜(m1、m2、m3)和一块平面反射镜(m4)。m1、m2、m3和m4位于同一平面内，且完全浸在液体电介质中，m1、m2、m3的镜片中心处于同一高度(即同一平面)。其中，m1为口径最大的凹球面反射镜，m2和m3为口径相同的两块凹球面反射镜，m1和m4布置于一侧，m2和m3布置于另一侧。激光水平入射至长光程液体池4内时，会先入射至m2上，并在三块凹球面反射镜中多次反射，最后激光从m4出射，多次反射的反射光组成的平面与两个电极板的平面平行。另外，激光在反射过程中会同时入射至两个电极板的间隙，此时，反射光组成的平面也需与两个电极板的平面平行。
[0057]
这种反射结构可将光程提升至原来的十倍，解决了因液体电介质kerr常数较低而导致光强变化不明显的问题，可大大增加激光在电场下产生的明暗条纹数量。
[0058]
一种可选的实施方式，口径相同的两块所述凹球面反射镜相对于口径最大的一块凹球面反射镜的曲率中心对称布置，三块所述凹球面反射镜构成共轭系统；
[0059]
所述反射模块相对于水平方向倾斜设置，以使激光水平入射至所述长光程液体池内时，第一个光斑落在口径相同的两块所述凹球面反射镜中靠近所述长光程液体池顶部的所述凹球面反射镜的中心；
[0060]
激光在三块所述凹球面反射镜中多次反射直至最后一个光斑落在口径最大的一块所述凹球面反射镜的边缘外，并由所述平面反射镜将激光水平出射至所述长光程液体池外部。
[0061]
如图2所示，m2和m3相对于m1的曲率中心对称排布，使得m1、m2和m3形成共轭系统，修正各个凹球面反射镜的光心偏差，减少激光在反射模块中的能量衰减，反射模块(包括m1、m2、m3和m4)整体倾斜设置，可以将反射模块整体相对于水平方向旋转一个较小的角度(例如逆时针旋转2.862
°
)，使得激光水平入射至长光程液体池4内时，第一个光斑落在m2的中心处，可以在不额外增加光学镜片的情况下，减少激光在各个凹球面反射镜上反射所导致的光强损失和相位偏差，使所述反射模块的参数调整至最佳状态，相应提高所述装置的测量精度。
[0062]
一种可选的实施方式，激光在所述反射模块中反射时，激光的入射方向与三块所
述凹球面反射镜的法线方向的夹角都小于5
°
。
[0063]
本发明所述长光程液体池4内部的反射模块在放置时具有很小的倾角，采用小角度的入射方式可以有效防止激光偏振态受到多次反射的影响。对于图2中的反射模块，反射过程中的所有激光的入射方向与凹球面反射镜的法线方向的夹角都小于5
°
，使得激光的反射对偏振态的振幅影响很小，所造成的误差小于千分之一。
[0064]
一种可选的实施方式，激光在所述长光程液体池4中反射的次数为偶数次。
[0065]
本发明所述长光程液体池4在提升光程时通过多次反射，反射过程中会出现小角度反射，通过对反射模块的反射结构进行设计，保证激光在长光程液体池4中的反射次数为偶数次，可以消除激光因小角度反射所引起半波失问题。
[0066]
一种可选的实施方式，所述长光程液体池4位于光路上的两个侧面均由高透光的光学玻璃制成，且所述长光程液体池4的内侧采用一定厚度(例如0.5cm)的聚四氟乙烯材料制成绝缘层。
[0067]
可以理解的是，所述长光程液体池4用于盛放液体电介质，该液体电介质需透明，利于光的传播，将两个侧面设计成由高透光的光学玻璃制成，以利于光的传播，提高测量精度。
[0068]
一种可选的实施方式，所述光电探测装置6由多个等间距排列的光电探测器构成，例如由10个等距离排列的光电探测器构成，通过阵列形式可以最大限度地记录光强随时间变化的情况，上述为示意性举例，本发明对光电探测器的数量不做具体限制。每个所述光电探测器对应一个输出通道，其输出的光强信息(光强变化波形)或光电信息可以由多通道示波器记录(例如四通道示波器)下来。
[0069]
本发明实施例所述的一种基于长光程液体池的空间电荷测量，采用前述实施方式所述装置，这里不再赘述，所述方法包括：
[0070]
调节光路，使激光发生器1、起偏器2、扩束镜3、检偏器5和光电探测装置6在一条水平线上，其中，所述起偏器2和所述检偏器5与施加电场方向之间的夹角分别为45
°
和-45
°
；
[0071]
冲击电压发生器施加暂态电压，水平入射的偏振光在所述反射模块中多次反射且在通过所述电极模块的间隙时产生克尔效应，经过多次反射后的激光水平出射至所述长光程液体池4外部被所述光电探测装置6接收；
[0072]
根据所述光电探测装置6接收到的光强信息反推出暂态电压冲击下所述电极模块的间隙的空间电荷时空分布。
[0073]
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0074]
此外，本领域普通技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
[0075]
本领域技术人员应理解，尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本
发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。