CN104777374B - 直流气体绝缘金属封闭输电线路绝缘子表面电荷测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高压直流固体绝缘材料表面电荷积聚特性测量技术领域，尤其涉及一种基于Pockels效应的直流GIL盆式绝缘子表面电荷测量装置，包括：由氦氖激光器、偏光分离器、高速摄像机、1/8波片、硅酸铋晶体、绝缘真空管、滑块、转轴和绝缘导杆。测量时，将硅酸铋探头贴于盆式绝缘子表面，氦氖激光器发出红光，经偏光分离器及1/8波片变为椭圆偏振光，光线射入硅酸铋探头，并在硅酸铋与盆式绝缘子的分界面产生反射，再次透过1/8波片，在偏光分离器发生直角折射进入高速摄像机，测得光强度分布，经计算机处理后得到电荷量的大小。该测量装置结构简单，操作方便，为研究直流GIL中盆式绝缘子表面电荷积聚提供了有效的测量手段。
Description
技术领域
本发明属于高压直流固体绝缘材料表面电荷积聚特性测量技术领域，尤其涉及一种基于Pockels效应的直流气体绝缘金属封闭输电线路盆式绝缘子表面电荷测量装置。
背景技术
气体绝缘金属封闭输电线路(GIL，Gas Insulated Metal EnclosedTransmission Line)具有传输容量大、损耗小、电容小、占地少、可靠性高、适用于恶劣环境的特点，在海拔落差大，地形、气象条件恶劣或者输电容量大的场合得到了广泛应用。但目前，实现商业运行的均为交流GIL，直流GIL却没能在实际工程中得到规模化应用。主要原因是在直流电压作用下，直流GIL中支撑绝缘子的表面电荷积聚严重，畸变了沿面电场分布，降低了绝缘子的耐受电压。特别是在直流高压设备电压极性反转时，所带来的电场畸变影响尤为突出。
要解决直流GIL表面电荷积聚所带来的电场畸变问题，首先需要对绝缘子表面积聚电荷进行准确测量，以研究电荷积聚特性。至20世纪80年代以来，各国学者针对该问题展开了广泛的研究。目前表面电荷的测量方法包括：粉层图法，电容探头法，电光效应法。
粉尘图法是利用某些带电的有色固体(如带正电的红色的Pb3O4，带负电的白黄色的S)会与绝缘子表面的电荷发生吸附效应这一原理，将这些特殊的固体粉末喷洒在介质表面时，可以根据介质表面的这些固体粉末的颜色分布来判断介质表面的电荷极性及电荷分布。其优点是方便、直观，缺点是不能定量表征表面电荷，且在喷洒粉尘过程中，可能改变介质表面的电荷分布。
电容探头法分为动电容探头法和静电容探头法两种。动电容探头法是将静电信号转化为动态信号来测量，可以不用考虑前置运算放大器前置电流对输出信号的影响。为了提高测量***的分辨率，要求电容探头本身的电容值以及测试线路的入口电容值较为稳定，但是这在探头高速振动过程中难以实现。同时动电容探头法难以对形状比较复杂的绝缘子表面进行测量。由于近年来高输入阻抗，低输入偏置电流的运算放大器的发展，动电容探头法由于其自身的局限性逐渐遭到淘汰。静电容探头法是目前国际上表面电荷测量领域中使用较广泛的方法，其原理是通过一个微型金属探头靠近带电的绝缘子表面，由于静电感应，探头也将带电，测出其感应面电荷密度后可反演计算出绝缘子表面电荷密度。静电容容探头的优点是简单易行。但缺点是金属探头接近后绝缘子表面电场分布可能发生改变，将引起被测表面电荷密度发生变化，不能直接得到人们最感兴趣的表面电场或电荷。
鉴于静电容探头法难以实现在线测量，Kawasaki等人于1991年提出利用Pockels(普克尔斯)效应测量介质表面电荷。Pockels效应即线性电光效应，对于不具有对称中心的晶体来说，当其处在电场中时，其折射率的变化与所加的电场强度成正比关系，在电场不太强时已经表现得比较明显，因而可以通过测量电场作用下晶体折射率的变化来反映电场的变化。
综上所述，粉层图法和静电容探头法都无法对直流GIL绝缘子表面积聚电荷进行准确测量。本发明基于Pockels效应设计一套盆式绝缘子表面电荷测量装置，为研究直流GIL绝缘子表面电荷积聚提供一种新的测量手段。
发明内容
为克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种基于Pockels效应的直流气体绝缘金属封闭输电线路盆式绝缘子表面电荷测量装置，包括一个圆柱体的试验腔体，试验腔体顶部外装有外部操控机构，试验腔体顶部中心轴处安装有转轴，转轴中部水平装有绝缘导杆，绝缘导杆可绕转轴旋转，绝缘导杆一端装有滑块，滑块可在绝缘导杆上水平滑动，滑块上竖直装有绝缘真空管，绝缘真空管从顶部到底部依次装有激光器、偏光分离器、1/8波片；硅酸铋晶体探头；高速摄像机通过螺栓固定于绝缘真空管上，并与偏关分离器始终保持在同一水平线上，以确保出射光被准确捕捉；试验腔体底部同轴反扣放置作为测量目标的盆式绝缘子，盆式绝缘子顶部从下往上依次安装有屏蔽环和高压电极；滑块与转轴均由外部操控机构通过步进电机与齿轮控制，实现在试验腔体内的上下、左右平移与旋转，完成对直流气体绝缘金属封闭输电线路中盆式绝缘子表面电荷的全方位测量。
所述的硅酸铋晶体厚度为0.75mm～1mm。
所述激光器为氦氖激光器，发出波长为651nm的红光。
所述偏光分离器是由两个直角棱镜的斜面相互粘合而成的立方体，每个棱镜斜面上有多层介质膜涂层。
所述高速摄像机拍摄速度大于1000帧/秒。
所述高速摄像机与计算机相连，计算机利用高速摄像机测得的光强度分布，处理后得出电荷量的大小和分布。
本发明的有益效果在于：设计易于实现，操作简单，为研究直流GIL中盆式绝缘子表面电荷积聚提供了有效的测量手段。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于Pockels效应的直流GIL盆式绝缘子表面电荷测量原理示意图；
图2为本发明提供的一种基于Pockels效应的直流GIL盆式绝缘子表面电荷测量装置结构示意图；
其中：1-氦氖激光器；2-偏光分离器；3-高速摄像机；4-1/8波片；5-硅酸铋晶体探头；6-绝缘真空管；7-绝缘导杆；8-转轴；9-滑块；10-试验腔体；11-盆式绝缘子；12-屏蔽环；13-高压电极；14-外部操控机构。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例进行详细说明。
本发明的工作原理如图1所示，具体说明如下：
当不具有对称中心的晶体介质的光轴与入射光的光轴相同，且光振动方向与晶体主振动方向成45°角时，根据Pockels效应，作用于晶体的电场分布Ez(x,y)的大小与该电场作用下晶体产生双折射的偏光相位差Δθ有以下的关系：
其中λ表示入射光的波长；n0表示晶体中寻常光的折射率；γ41表示晶体的普克尔斯常数；d表示晶体的厚度。该相位差值的测量可转换为光强的测量。从物理光学可知，当一束椭圆偏振光入射时，检出光的强度分布ΔI(x,y)与相位差的关系可表示为：
采用普克尔斯效应十分明显的的晶体，当一面紧贴带电荷的绝缘子表面时，若绝缘子表面积聚有电荷σ(x,y)时，将在硅酸铋晶体内产生相应的电场分布Ez(x,y)，故σ与E的关系可表示为：
其中，ε0为真空中的介电常数；εr为晶体的相对介电常数。
当一束相位差为π/4的椭圆偏振光入射到晶体时，入射的偏振光在晶体与绝缘子的界面产生反射，再次透过晶体，此时由于表面电荷产生电场的作用，根据普克尔斯效应，出射光的相位差增加为2Δθ(x,y)，可得：
从上式可以看出，只要测量出光强度分布即可知道电荷分布。
如图2所示，本发明的装置结构如下：氦氖激光器1，偏光分离器2，高速摄像机3，1/8波片4，硅酸铋晶体5固定安装在绝缘真空管6上，共同构成了测量装置的核心单元。高速摄像机3通过螺栓固定于绝缘真空管6上，并与偏关分离器2始终保持在同一水平线上，以确保出射光被准确捕捉。绝缘真空管6通过滑块9安装于绝缘导杆7上。在绝缘导杆7中部由转轴8固定于试验腔体10上方。滑块9与转轴8均由外部操控机构14通过步进电机与齿轮控制，可实现在腔体内的上下、左右平移与旋转，完成对盆式绝缘子表面电荷的全方位测量。试验腔体10内还安装有屏蔽环12与高压电极13，底部是作为测量目标的盆式绝缘子11。由氦氖激光器1，偏光分离器2，高速摄像机3，1/8波片4，硅酸铋晶体5和绝缘真空管6共同构成的测量装置核心单元安装于密封的试验腔体10内，用于测量直流GIL中盆式绝缘子表面电荷分布情况。
高压电极13上施加有一定的直流电压，在该直流电压作用下，盆式绝缘子11表面有电荷积聚。测量前，断开该直流电压，通过外部操控机构14控制转轴8和滑块9，使绝缘真空管6上的硅酸铋晶体探头5贴近盆式绝缘子11某一表面。此时，由表面电荷产生的电场将作用于硅酸铋晶体探头5中，使其折射率发生变化。打开氦氖激光器1电源，其发出的红光经偏光分离器2后一部分折射人高速摄像机3中，另一束经过1/8波片4后直射如硅酸铋晶体5。该入射光在盆式绝缘子11表面发生反射，反射光原路返回，在偏关分离器2中发生偏折，射入高速摄相机3中。高速摄像机3将采集到的光强信息输出至计算机中，可以计算出盆式绝缘子11该点电荷密度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种基于Pockels效应的直流气体绝缘金属封闭输电线路盆式绝缘子表面电荷测量装置，其特征在于，包括一个圆柱体的试验腔体，试验腔体顶部外装有外部操控机构，试验腔体顶部中心轴处安装有转轴，转轴中部水平装有绝缘导杆，绝缘导杆可绕转轴旋转，绝缘导杆一端装有滑块，滑块可在绝缘导杆上水平滑动，滑块上竖直装有绝缘真空管，绝缘真空管从顶部到底部依次装有激光器、偏光分离器、1/8波片；硅酸铋晶体探头；高速摄像机通过螺栓固定于绝缘真空管上，并与偏关分离器始终保持在同一水平线上，以确保出射光被准确捕捉；试验腔体底部同轴反扣放置作为测量目标的盆式绝缘子，盆式绝缘子顶部从下往上依次安装有屏蔽环和高压电极；滑块与转轴均由外部操控机构通过步进电机与齿轮控制，实现在试验腔体内的上下、左右平移与旋转，完成对直流气体绝缘金属封闭输电线路中盆式绝缘子表面电荷的全方位测量；
高压电极上施加有一定的直流电压，在该直流电压作用下，盆式绝缘子表面有电荷积聚；测量前，断开该直流电压，通过外部操控机构控制转轴和滑块，使绝缘真空管上的硅酸铋晶体探头贴近盆式绝缘子某一表面；此时，由表面电荷产生的电场将作用于硅酸铋晶体探头中，使其折射率发生变化；打开氦氖激光器电源，其发出的红光经偏光分离器后一部分折射入 高速摄像机中，另一束经过1/8波片后直射入 硅酸铋晶体；该入射光在盆式绝缘子表面发生反射，反射光原路返回，在偏关分离器中发生偏折，射入高速摄相机中，高速摄像机将采集到的光强信息输出至计算机中，可以计算出盆式绝缘子该点电荷密度；
所述硅酸铋晶体厚度为0.75mm～1mm；
所述激光器为氦氖激光器，发出波长为651nm的红光；
所述偏光分离器是由两个直角棱镜的斜面相互粘合而成的立方体，每个棱镜斜面上有多层介质膜涂层；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180731 |