光纤电压互感器温度特性的研究

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光纤电压互感器(Optical Voltage Transformer,简称OVT)作为一种用于电网高压测量的电压互感器,其安全性、测量精度、动态范围等性能远优于传统的基于变压器结构的电磁式电压互感器,是国家智能电网建设的关键一环。OVT的提出至今已有几十年,但其温度稳定性等性能仍旧没有达到国家电网的实用化标准。因此,对OVT的机理(Pockels效应)以及温度稳定性进行全面系统的研究与分析具有重要的理论意义和应用价值。本文的主要工作可分为以下三部分:对OVT的理论基础(电光晶体的Pockels效应)的深入研究、双光路OVT的研发制作以及OVT的温度特性的全面分析研究。其中,Pockels效应相关理论的深入研究将对后续OVT的温度特性的研究有重要的推动作用。具体研究内容如下:(1)本文针各向异性的铌酸锂晶体(LiNb03,简称LN晶体),利用四元数、张量矩阵等方法对任意通光方向LN晶体的横向介电张量与Pockels效应进行了详细且深入的理论分析与实验验证,得到了 LN晶体不同通光与加电压方向的偏振旋转轴。其次,研究了不同输入光的偏振态对泡克尔斯效应的影响。最后,通过设计大量的实验验证了结论的正确性,为后面的研究打下了基础。(2)OVT的研制经历了以下过程:OVT整体结构的最佳选择与验证、电光晶体的性能分析与实验、退火工艺探讨、封装器件的机械设计和改进、严格的元器件性能检测和定制以及封装工艺的研究等复杂过程。攻克众多难题,最终利用BGO晶体研制出了性能良好的双光路锗酸铋晶体光纤电压互感器,在高压直流电场(0~6kV)和高压交流电场(0~2kV)下,OVT的输出参量与外加电压呈现良好的线性关系。(3)利用研制的OVT成品对其温度特性进行重点研究。深入分析了五大因素对双光路结构的BGO晶体光纤电压互感器温度特性的影响,包括:传感器机械准直的结构变化、晶体残余双折射、晶体的热膨胀、热光效应和二阶非线性极化系数。其中,针对BGO晶体的残余双折射提出了一种新颖的测量方法,针对BGO晶体的热光效应提出一种利用F-B腔测量BGO晶体热光系数的测量方案,并通过搭建相应实验系统测得了一系列BGO晶体的残余双折射和热光系数的大小。最后,结合OVT的温度特性实验,分析得到了各因素在OVT温度特性中的作用机理以及各个参量之间的联系。文中图57幅,表5个,参考文献50篇。
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