改善纵向调制光学电压互感器内电场分布的新方法

基于纵向调制Pockels效应的光学电压互感器(OVT),其电光晶体内电场分布的均匀性对测量结果影响很大。通过对多片晶体叠层的纵向调制OVT结构进行电场仿真分析可知,由于晶体内电场分布不均匀,当晶体薄片或光路的角度发生微小偏移时,其通光路径上的积分电压误差一般为0.2%左右,接近或超出了0.2%的准确级要求。为改善其内电场分布,文中针对多片晶体叠层的纵向调制OVT结构,提出了石英介质分层法,通过ANSYS Maxwell有限元分析软件和实验验证了方法的有效性。在保证有效提高半波电压和测量灵敏度的前提下,可以使积分电压误差降低到0.05%以下,保证了0.2%的准确级要求。     

光学电压传感器分压结构的缺陷及改进方法

现有的光学电压传感器多基于光功率检测模式,其测量范围与测量灵敏度受到电光晶体半波电压的限制。纵向调制的多片晶体叠层结构可以解决半波电压限制的问题,但仅适用于1 000 kV电压等级。此外,仿真结果表明这一结构中晶体内的电场分布极不均匀,受震动与热胀冷缩等因素的影响,光路或晶体的相互位置易产生偏移而引入积分电压误差。文中以110 kV电压等级为例,对多片晶体叠层结构进行了改进,简化了传感系统的结构,并将MgTiO₃陶瓷按照一定的要求安装在锗酸铋(BGO)晶体的外部以改善晶体的内电场分布,可以把积分电压误差从0.275%降低至0.01%以下。改进后的结构可用于各种电压等级。最后,通过实验验证了新方法的有效性。     

光学电压传感器探头的电场计算与分析

概述了光学电压传感器的原理与结构类型,并着重计算分析了传感器探头的方形、八边形和圆形晶体分别在平板电极和圆弧电极中的电场分布。模拟计算结果得出,采用不同形状的电光晶体和电极组合,可以改善晶体内外电场分布的均匀性,减弱电场的集聚效应,从而有效地提高耐压和测量的稳定性及准确度。     

光学电压互感器的电场分布对测量的影响

基于Pockels效应的光学电压互感器(OTV)中电极间的电场分布对电压的测量结果影响很大。用有限元法计算了纵向和横向调制情况下用BGO晶体作为传感介质的OTV的电场分布,讨论了电场的不均匀性对测量结果的影响。计算表明:在不均匀电场中,OTV的标度因数与均匀电场条件下的估算值有出入;OTV的标度因数将随入射光线的位置和角度变化而变化,会影响测量的稳定性;纵向调制比横向调制优越,因为纵向调制利用的是对称中轴附近的电场,均匀性较好,而横向调制利用的电场将受到边缘效应的干扰。     

电光晶体的 Pockels 效应仿真研究

结合麦克斯韦方程组建立了光在电光晶体中传播的数学模型;通过有限元仿真分别建立了铌酸锂晶体和锗酸铋晶体的物理参数模型,提出了一种通用的入射光三维波动场仿真方法,该方法将晶体内部电场分布和电光效应耦合波理论相结合,计算了在横向调制下两种晶体的Pockels效应,其结果与理论差值在10~(-5)数量级内;同时,仿真结果表明,铌酸锂晶体的Pockels效应更为明显。最后对两种不同材质的电光晶体进行了0～1 000 V直流加压实验,实验表明铌酸锂晶体的Pockels效应测量精度优于±2.9%。该方法为光学电压传感器电光晶体的选择和性能评估提供了新的研究思路与理论参考。     

非线性复合材料对不均匀电场的改善效果仿真分析

为改善绝缘介质空间电场的分布,针对实际运行中高压试验所采用的针-板电极以及330 kV电力系统中复合绝缘子的不均匀电场,建立其仿真模型,分析探讨了非线性复合材料对不均匀电场的改善效果及其内在作用机制。在直流和交流电压作用下,采用非线性复合材料局部替换高电场强度区域的绝缘材料,则其轴向电场强度最大值与平均值之比分别从9.06和5.22降为1.03和1.77。仿真分析结果表明,非线性复合材料可以有效改善绝缘介质空间电场分布;采用局部替换的方法可以使得绝缘材料的介质损耗和泄漏电流相对较小。     

光学电压互感器偏光干涉测量模式:(一)常见偏光干涉测量模式局限性分析

现有的光学电压互感器(OVT)大多基于电光晶体的Pockels效应,即电光晶体在外加电场的作用下其折射率发生变化,使得沿某一方向射入晶体的线偏振光产生电光相位延迟,延迟量与外加电场成正比。由于无法实现对晶体电光相位延迟的直接测量,通常采用偏光干涉测量模式,将相位延迟转变为光强调制,通过对光强的检测实现电压测量。这种测量模式反映了光功率的大小,但仅能近似线性地测量有限的电光相位延迟,其稳定性与可靠性受到温漂、晶体附加相位延迟、半波电压等问题的限制,无法满足电力系统的实用要求。文中分析了偏光干涉测量模式的局限性,并对双光路补偿法进行了讨论。     

局部放电的静电场仿真定量分析

在指导电气产品的绝缘设计方面,电场仿真分析的应用日益广泛。以局部放电测试工装为研究对象,分析静电场仿真数据与局部放电起始电压之间的量化关系,提出采用静电场仿真数据预测局部放电起始电压的方法,并通过试验验证了该方法的可行性。研究表明,仿真数据中的最大电场强度、最大场强位置周边区域的电场不均匀系数与局部放电起始电压息息相关。对某工况下的局部放电起始电压进行预测,结果表明预测方法适用于稍不均匀电场的结构,试验测得的局部放电起始电压与预测电压的误差不超过10%。     

特高压换流阀内冷却系统对电压分布的影响

特高压换流阀是直流输电系统的核心设备,在其运行及试验过程中,会承受很高的直流电压应力。在电压应力下换流阀组件电压分布受冷却系统的影响较大。为改善阀内电压分布均匀性,根据换流阀的冷却系统参数对阀内冷却介质的电阻值进行计算,采用EMTDC软件仿真研究了不同电阻值对阀内电压分布的影响,得到阀组件在直流电压工况下的电压分布不均匀系数,对换流阀塔进行直流耐压试验,验证了仿真结果的可靠性。根据仿真、试验结果提出了换流阀冷却系统结构的改进方案,对改进后的阀塔进行仿真和试验,结果显示电压分布均匀性有明显改善。     

数值积分法在电压互感器中的应用及误差分析

光学电压互感器是新一代电子式电压互感器的研究方向之一,它相比传统互感器具有体积小,价格低廉,绝缘易实现等优点。利用分布式电场传感头和数值积分方法测量高电压切实可行并有着光明的发展前景。为此,采用电磁场仿真软件对电极三维模型电场分布进行了仿真,分别使用高斯算法、高斯—勒让德(Gauss—Legrendre)积分公式及辛普森(Simpson)积分公式这3种数值积分方法计算得到了两极间电压;分析比较了3种算法在电压计算中的算法误差以及不同距离下干扰物带来的误差,同时计算出了在要求电压测量误差控制在0.2%以内时电场传感头安放位置的偏移范围;还针对高斯算法提出了通过改变传感头结构提高计算准确度的方法。综合仿真计算结果表明,3点高斯算法在无干扰情况下的测量误差<0.2%,准确度明显高于3点辛普森积分公式,也好于高斯—勒让德积分公式;随着干扰物距离的增加,干扰物对轴向电场的影响减小;高斯算法要优于其他数值积分方法,用较少的传感头就可以达到较高的计算准确度,高斯算法应用在电压测量上是可行的。     

实现线性测量的光学电压传感器设计

设计了一种采用径向偏振光栅实现线性测量的光学电压传感器。将光学晶体的电光相位延迟角转化成环形光斑的同步旋转,由图像转换器将环形光斑转换为条形光斑,通过图像采集系统定位条形光斑暗纹的中心位置来获得被测电压值。应用琼斯矩阵证明了光斑暗纹中心位置与晶体电光相位延迟角之间的线性关系,给出了计算方法,并给出了锗酸铋(BGO)晶体和铌酸锂(LN)晶体的实验验证。结果表明该光学电压传感器的测量模式与光强无关,可直接测量172°的电光相位延迟角,测量误差小于0.5%,实现了对电压的线性测量。     

光学电压互感器中采用高斯算法的误差分析

光学电压互感器具有动态范围大、带宽宽、体积小、重量轻、成本低等优点,是传统互感器的最佳替代产品。针对应用于分布式光学电压互感器的高斯算法相对误差进行研究。虽然权函数的引入使得高斯积分算法具有较高的计算精度,但是权函数并不能完全反映干扰电场的作用,当存在外界干扰时,应用高斯算法计算电压存在一定的相对误差。为此,通过ANSOFT电磁场仿真软件对互感器干扰电场进行相应的仿真,分析了干扰接地平板和相间2种干扰所带来的相对误差,结果表明:对于接地平板干扰模型,干扰电场引起的高斯算法相对误差随平板距离的增大而减小;对于相间干扰模型,AC两相同时接电时对B相电压计算相对误差最大;具有较大相对介电常数的屏蔽材料可以极大改善轴向电场分布,屏蔽管相对介电常数为100时,在1 000mm距离的接地平板干扰以及相间干扰作用下,2点高斯积分方法的相对误差<1.5%。最后分析了屏蔽管尺寸对轴向电场的作用,发现屏蔽管环径较大可以改善电场分布,而屏蔽管内径则对轴向电场分布没有太大影响。     

Comparative study of theoretical Kerr electro-optic fringe patternsin 2-D and axisymmetric electrode geometries

Kerr electro-optic fringe patterns have long been used to study space charge injection and transport phenomena in highly birefringent materials such as nitrobenzene, Most past experimental work has been limited to 1 or 2-dimensional geometries where the electric field magnitude and direction have been constant along the light path such as two concentric or parallel cylinders or parallel plate electrodes. For these geometries the extrema in the fringe patterns can be used directly to find the electric field magnitude and direction. In this work we extend the fringe based Kerr electro-optic measurement technique to a point/plane electrode geometry which often is used in HV research to create large electric fields for charge injection at known location and at reasonable voltages. We calculate theoretical Kerr electro-optic fringe patterns for this point/plane electrode geometry with and without space charge distributions, for which the electric field magnitude and direction vary along the light path. We particularly compare the calculated space charge free optical patterns for the point/plane electrodes to the optical patterns of the 2-dimensional analog blade/plane geometry. We underline the differences and study how these fringe patterns can be used to reconstruct the axisymmetric electric field components in practice     

不同结构光学电压互感器抗电场干扰的探讨

外电场对光学电压互感器(OpticalVoltageTransformer,OVT)的干扰与OVT的结构有关系,通光方向和电压方向不同,外电场对OVT的影响也不同。该文详细分析了外电场对OVT的横向调制和纵向调制两种基本结构的影响。针对这两种结构抗电场干扰的特点,兼顾实际高电压测量中的信号处理,提出了一种OVT传感头结构的改进措施。     

光学电压互感器的设计和试验

开发了基于Bi4Ge3O12晶体的Pockels电光效应的光学电压互感器(OVT)，阐述了OVT的结构设计、传感头的工作原理及其结构。对传感头进行了温度稳定性和时间稳定性试验，当温度在0—45℃范围内，传感器的相对误差为-0．4％—0．4％；在户外运行20多天的传感器的相对误差为-0．3％—0．3％。并依据相关标准对开发的220kV OVT样机进行了准确度、绝缘性能以及电磁兼容等一系列型式试验，试验结果表明，开发的OVT样机达到了预期的设计要求。     

光电集成强电场测量系统及其应用研究

为研发高性能强电场测量系统,在分析高压电场测量的特殊要求后,介绍了光电电场测量系统的基本原理、最新进展及其在高压测量领域的优势。通过对光电集成电场测量系统及传感器体系结构、关键参数的分析,研制了一种光电集成强电场传感器并测量它的输入输出特性。用研制的测量系统测量棒板间隙击穿过程冲击电场与复合绝缘子工频场,证明光电集成电场测量系统在高压测量研究领域的广阔应用前景。