PDF《一种改善光学电压互感器电光晶体内电场分布的方法》

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2 晶体内电场分析 OVT 的核心部分是 电压传感头, 其结构见附录A图A2(a).仿真模型的具体尺寸如下: 电极间 环氧树脂绝缘支撑厚度4mm, 电极间距1

7 5 mm;

内充 0.

1 MP aS F

6 气体;

选用10mm 的正方形BGO 晶体,

1 0 mm 的石英玻璃 全反射棱镜.本文 应用 A n s o f tM a x w e l l软件建模分析, 由于工频交流

1 9 第4 0卷第6期2016年3月2 5日Vol.40N o .

6 M a r .

2 5,

2 0

1 6 D O I :

1 0.

7 5

0 0 / A E P S

2 0

1 5

0 4

2 7

0 0

6 电场是低频似稳场, 通常以静电场仿真分析[

1 3] , 在 高压电极施加1

1 0 /3k V 额定电压. 由图1可见, 由于 B GO 晶体与 S F

6 气体的介 电常数相差很大( B GO 晶体介电常数约是 S F

6 的16倍) , 电压等位线在晶体中分布稀疏, 在空气中分 布密集[

1 3] .晶体上方与 S F

6 气体接触的棱角处等 位线明显弯曲, 存在尖端场强聚集现象, 晶体内电场 分布不均匀. 图1 附加介质前晶体等位线分布 F i g .

1 D i s t r i b u t i o no f c r y s t a l e q u i p o t e n t i a l l i n e b e f o r ea d d i t i o n a lm e d i u ma t t a c h e d 如附录 A 图A2( a ) 所示, 通常传感头、 光源及 信号处理系统是分立的, 受光学元件自身的热胀冷 缩、 震动、 元件分立连接等因素的影响, 难免使通过 晶体的偏振光束发生微小偏移, 导致晶体内通光路 径发生改变( 见附录 A 图A3) , 光束经过偏移的积 分路径后, 累积的电光相位延迟量出现偏差, 产生测 量误差. 光路偏移包括角度偏移和位置偏移, 本文选取 入射光发生-0.

5 ° ~0.

5 ° 的微小角度偏移、 -0. 1~ 0. 1mm 的微小位置偏移为例, 简要 分析光路偏移对测量结果的影响.图2为不同通光路径电场积分 电压值与相对误差的仿真结果.由于晶体内电场不 均匀情况主要发生在晶体与 S F

6 气体的接触部分, 光路向上偏移时引起的测量误差较大, 且随着偏移 范围的增大而增大.光路角度偏移0.

5 ° 时, 相对误 差的绝对值最大达到0.

1 1%;

位置向上偏移0. 1mm 时, 相对误差的绝对值最大达到0. 3%, 对于准确度 等级要求较高的电压互感器, 其影响不容忽视.

3 改善晶体内电场分布的方法 3.

1 方法的提出 产生晶体内电场分布不均匀的主要原因是晶体 的介电常数远大于 S F

6 气体的介电常数.有研究 提出增加 B GO 晶体厚度可以解决这一问题.经过 理论分析和仿真计算发现, 以光路发生角度偏移为 例, 随着 B GO 晶体厚度增 加, 测 量误差减小, 但是 减小的幅度有限.当BGO 晶体厚度增加到2 0mm 时, 入射光发生角度偏移所产生的误差为0.

0 8%, 与BGO 厚度为1 0mm 时入射光角度偏移的最大误差

0 .

1 1%相比改善效果不明显.且横向调制电光晶体 图2 光路偏移引起的误差 F i g .

2 E r r o rc a u s e db y l i g h tp a t ho f f s e t 的半波电压与晶体尺寸有关, 为了保证半波电压不 变, 增加厚度后晶体的长度也需要成比例的增加, 这 样不仅增加成本, 而且对改善 OVT 晶体内电场分 布没有明显帮助.本文提出在晶体上部附加一介电 常数与晶体相近的材料, 便可以解决内电场分布不 均匀与尖端场强聚集问题.附录 A 图A2( b) 是改 进后的结构示意图, 附加介质与晶体长宽一致, 以避 免晶体与附加介质的棱角引起场强聚集.考虑到附 加介质的绝缘性能以及成本, 可以选用玻璃、 塑料 等.本文选用普通玻璃, 其介电常数为5. 5.为了比 较附加介质前后晶体内电场的变化, 在仿真条件不 变的情况下, 仅在 OVT 仿真模型中的 B GO 晶体上 方粘接一厚度为5 mm 的玻璃进行仿真, 则晶体内 电场的分布情况如附录 A 图A4所示.对比图1可见, 在晶体上方粘接玻璃, 避免了晶体上方与 S F