1、本科毕业论文（20 届）克尔效应法测量油隙电场原理与设备研制所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -克尔效应法测量油隙电场原理与设备研制摘要在实际工作中，换流变压器承受的电压含有直流分量，这对它绝缘结构提出了更高要求。为使具有足够的绝缘裕度，需要分析其在交流叠加极性反转电压下绝缘结构中的电场和空间电荷的分布情况。本文采用克尔效应法测量油隙电场，并组建了一套完整的克尔效应实验设备。克尔效应中光路部分试验的结果发现：起偏器与检偏器的方向垂直的前提下，光路中无四分之一波片时，光束无法透过检偏器；而光路中加入四分之一
2、波片后，光束可以透过检偏器。文中详细推导了在交流叠加极性反转电压下的整个克尔效应理论过程。并完成了本试验的灵敏度与可行性分析。由光路部分试验得出结论：试验中线偏振光的偏振方向与检偏器的偏振方向垂直，光束无法到大屏幕；而四分之一波片可以使入射光分解为两个振动方向相垂直的光束，且两束光的振动方向与检偏器的偏振方向的夹角均不是 90，光束可以到达屏幕。灵敏度与可行性分析中的计算结果用16 位的 A/D 转换器可以分辨。得出结论：在交流叠加极性反转电压下，用克尔效应法测量油隙电场是可行的。关键词 换流变压器；克尔效应；电场分布；光路实验；可行性分析哈尔滨理工大学学士学位论文- II -The prin
3、ciple of measuring the electric field of transformer oil gap by Kerr effect and the development of its apparatusAbstractThe voltage converter transformer withstand in practical work contains a DC component，which put a higher demand on its insulation structure. In order to ensure the converter transf
4、ormers have sufficient margin, it is very necessary to analyze the electric field and space charge distribution in the converter transformers paper/oil insulation structure under AC overlay polarity reversal voltage.In this paper, we use Kerr effect method to measure the electric field in the oil ga
5、p and formed a complete set of experimental equipment of Kerr effect. The test result of the optical section shows that: on the premise of the polarizer is perpendicular to the analyzer，when theres no quarter-wave plate in the optical path, beam can not through the polarizer；While after adding a qua
6、rter - wave plate in the optical path，beam can through the analyzer. In this paper，we make a derivation of Kerr effect theory under AC superimposed on the polarity reversal voltage, and analyze the sensitivity and feasibility of the test by the method of calculation.From test result of the optical p
7、art，we got a conclusion that when the polarization of light is perpendicular to the analyzer，theres no facula on the screen。While the quarter - wave plate can make the incident light divide into two vibration in vertical direction. And the angles between the direction of the analyzer and the directi
8、on of both two beams are not 90 ，so that beam can reach the screen. The calculation results of the sensitivity and feasibility analysis can be distinguished by 16-bit A / D converter. So, it is feasible to measure the oil gaps electric field under AC overlay polarity reversal voltage by Kerr effect.
9、Keywords trials of the optical section；electric field distribution； converter transformer；Kerr effect； Feasibility analysis哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.1.1 我国直流输电背景 .11.1.2 换流变压器 .21.2 测量电场和空间电荷分布的方法 .31.3 克尔效应在国内外应用的情况 .61.4 本文研究的主要内容 .8第 2 章 克尔效应实验原理 .92.1 克尔效应原理 .
10、92.2 克尔效应试验简介 .92.3 克尔效应法测量油隙电场原理 .122.4 交流叠加极性反转电压下的克尔效应理论计算 .132.5 本章小结 .16第 3 章 克尔效应测量油隙电场设备设计 .173.1 克尔效应试验设备 .173.1.1 克尔效应试验光路部分设计 .173.1.2 克尔盒设计 .203.1.3 外施电压 .203.1.4 信号采集与数据处理 .203.2 光路部分试验 .213.3 本章小结 .23第 4 章 试验灵敏度与可行性分析 .244.1 光束在整个试验过程中功率计算 .244.1.1 光束到达检偏器时功率计算 .244.1.2 光束经过检偏器后功率计算 .24
11、4.2 光信号转化为电信号过程计算 .254.2.1 到达光电头的每平方毫米的功率 .254.2.2 光信号转化成电信号 .264.3 试验灵敏度与可行性分析 .274.4 本章小结 .28结论 .29哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -致谢 .30参考文献 .31附录 .33哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景1.1.1 我国直流输电背景我国幅员辽阔，资源总量大、种类多，但资源和人口分布不均匀，东西部发展不均衡。东部地区经济发达，人口众多，但能源匮乏，电力需求大，电力以火电为主，目前由于燃烧大量的煤炭来发电，造成部分地区大气和环境污染严重，再建设大量的火电站
12、是环境所不允许的。而我国西南地区水资源十分丰富，占全国总量的 68%，相当于目前全国总的装机容量且西南地区大部分水电站具有淹没损失小，开发条件好，经济指标优越等优点，目前开发不到 8%，积极开发西南水电，通过远距离输电传送到我国东部地区，实现“西电东送 ” 1，不仅可以解决东部地区发展的电力需求，而且有利于改善东部地区的生态环境。西电东送可以选取两种传输方式，直流高压输电和交流高压输电。直流高压输电已有 50 多年的历史。直流高压输电相比于交流高压输电具有十分明显的优势，原因有以下几点：1、交流电压在输电时会产生电容电流，在输电线路上产生压降，远距离输电时，线路上损耗过大。因此，交流电压不适合
13、远距离输电。2、直流输电采用两线制两极直流输电线路，比交流输电采用的三线制成本小，在输电线上的损耗小。3、在海底或地下输电的情况下，电缆电容不可忽略，而在外施交流电压时，线路中存在电容电流降低电缆的输电能力。4、直流输电线路中的两极是单独工作的，如发生故障，只需停运故障极，另一极可正常工作，而交流输电时，只要有一相出现故障，就要全线停电检修。5、直流输电线路可分期建设，分期投入运行。先建一极，并于大地或海水构成回路，待负荷增大后，再建另一极。6、直流输电对通讯设备的干扰和对空气的污染都比交流输电时小的多。除此之外，直流输电线路上的输电杆、塔。直流输电可以同时改善两端交流系统的工作稳定性 2-5
14、。国外应用直流输电技术较早： 1962 年前苏联建成400kV 工业试验线路，随后又建成750kV 长距离直流线路； 1970 美国第一条 400kV 直流线路建成，1985 年升压到500kV ；加拿大于 1990 年建成 750kV 级直流线路并向美国延伸；巴西伊泰普水电站也用600kV 直流输送；欧洲、非洲、日本、印度、新西兰等地区和国家的直流线路也相继投入运行。我国的高压直流输电工程起步较晚，但是发展较为迅速。1980 年我国自主建设了中国第一项直流输电工程-舟山直流输电工程，于 1984 年开始哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -施工，1987 年试运行，1989 年正式投运，工程最
15、终规模为100kV，500A，100MW，线路全长 54kM；目前世界上距离最长的高压直流输电项目：800kV 向家坝-上海直流输电工程，也已经完成，该工程途经四川、重庆、湖南、湖北、安徽、江苏、浙江、上海等 8 个省市，四次跨越长江，输送距离达 1907 公里，铁塔共计 3933 级，是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、送电距离最远、技术水平最先进的直流输电工程，其多项创新直流输电技术处于世界领先水平 6-8。1.1.2 换流变压器 随着高压直流输电技术的不断发展和实际工程的日益增多，高压直流输电系统的可靠性已成为影响整个电力系统可靠性的重要因素。由于高压直流输电技术主要应用于远距离大功
16、率输电、大区联网和系统间非同步联络以及地下或海底电缆输电等特殊场合 9，这就对高压直流系统的可靠性提出了很高的要求，而其可靠性的改善也将给整个电力系统的安全、可靠和经济运行带来巨大的效益。直流输电系统是由整流站、直流线路和逆变站三部分组成，换流变压器是换流站的重要设备，其网侧绕组连接交流电网系统，阀侧绕组连接整流装置，经平波电抗器与直流线路相连。直流输电系统中，送电端的换流站称为整流站，受电端的换流站成为逆变站 7。换流变压器是直流输电的主变压器，它的运行可靠性关系到整个系统是否能够稳定运行。与普通电力变压器相比，换流变压器的运行环境更为复杂（见表 1-111） 。换流变压器的主绝缘同普通交流
17、变压器的主要区别是，其阀侧线圈绕组的主绝缘结构必须在正常工况下以及极性反转情况下承受直流和交流复合电场的作用，决定了其主绝缘结构与普通交流变压器不同。换流变压器在若想在如此特殊的环境下安全运行，变压器内部绝缘结构的稳定性至关重要。在换流变压器的绝缘设计中，首先应该采用先进的计算机软件程序进行电、磁、力、热的精确分析计算、来确定合理的主、纵绝缘结构以及整体布置，保证产品具有足够的绝缘裕度。表1-1 电力变压器和换流变压器耐受电压换流变压器的主绝缘由绝缘油和纸板组成。在交流电场下，施加在油纸复合绝缘上的电场呈容性分布。变压器油的相对介电常数约为2.2-2.4，设备 交流 雷电冲 击 操作冲 击 直
18、流 直流+交流 极性反转电力变压器 有 有 有换流变压器 有 有 有 有 有 有哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -纸板的介电常数约为4.4 11。因而在交流电压下，油和纸板上的电压约呈线性分布。在直流电场下，施加在油纸复合绝缘上的电场按照阻性分布，浸油纸板的电导率比变压器油的电导率小得多，浸油纸板中的场强比变压器油中的场强大，直流电压主要由纸板承受。受场强、温度、湿度、老化等因素影响，浸油纸板的电导率与变压器油的电导率比值在1:10 到1:500 宽范围变化，电场分布变化范围大。在直流电场下，绝缘材料内部更容易产生明显的电荷积聚。材料内部的空间电荷会严重影响电场分布，造成电场场强畸变，直至影
19、响绝缘性能。且在直流电压的作用下换流变压器油纸绝缘还必须面临极性反转的问题。极性反转效应同样存在于油纸绝缘系统中，空间电荷导致了油纸绝缘的击穿场强的变化。通过对直流输电系统运行中出现的事故进行统计，发现绝缘事故在全部故障中所占比约为50%。为了确保换流变压器安全运行，油纸绝缘在直流输电系统中面临的以上问题需要妥善解决。目前对于空间电荷的研究，大部分都是集中在聚乙烯等材料中，少部分是对油纸绝缘的电缆，很少部分才是针对换流变压器油纸绝缘系统。换流变压器油纸绝缘中空间电荷对于换流变压器绝缘性能的影响还处于初级阶段，有必要对油纸绝缘中电场与空间电荷特性进行深入的研究。正确分析变压器在各种电压下的电场分
20、布是主绝缘结构设计的基础。1.2 测量电场和空间电荷分布的方法目前，直接测量固体介质中空间电荷的几种非破坏性方法主要有：电声脉冲法（Pulsed Electro-Acoustic，PEA） ，压力波法（ Pressure Wave Propagation， PWP）和激光光强调制法（Laser Intensity Modulation Method，LIMM） 。他们分别以电脉冲、压力波和热脉冲作为虚探针深入固体介质内部引起外部测量电路的相应变化，从而获得固体介质中空间电荷分布的信息。PEA 法由日本学者 Takada 等人于上个世纪80年代提出并逐步发展起来，作为一种测量固体电介质内空间电荷
21、动态分布简单而有效的技术被广泛接受。该方法曾经主要应用于单一材料平板绝缘子中。近来，PEA 法应用于对多层不同材料的组合电介质研究中，单是此方法并不能直接反应出空间电荷的分布情况，主要有两个原因：一方面，由于各层电介质电特性不同，使得探测到的声波信号不仅取决于空间电荷分布，还受到各层电介质介电常数的影响；另一方面，PEA 法是根据声波的产生、传播来进行测量的，不同电介质的声特性不同，从而声波的产生、传播、反射系数不同，且会在不同电介质交界面处产生反射，以上两个方面都使得探测到的声波信号与空间电荷分布不一致。此外，声波信号在传播过程中存在色散、衰哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -减、过冲现象，
22、也会使得测量结果不能真实地反应电荷分布。这些问题引起了国内外研究者的普遍关注并提出了一些解决方法，但要真正解决，还需要深入研究。PEA 法已经开始应用于工业领域,尤其是对高压绝缘材料性能的判断。为了满足不同的需要，新近发展起来了基于 PEA 法的个中空间电荷测量系统。如：可以测量空间电荷三维剖面的附加声透镜3-D PEA 系统，可以观测瞬时空间电荷状态的瞬时 PEA 系统，可以应用在特殊温度环境中的极高-低温度 PEA 系统，可用于现场检测的便携式 PEA 系统等。随着应用的深入，相信 PEA 法将会有更进一步的发展。PEA 法原理图见图1-1 12。图1-1 PEA 法空间电荷测量基本原理P
23、WP 法是由 Laurenceau 等人于1977年提出。按压力波产生方式的不同，PWP 法又分为激光感应压力脉冲法（LIPP ）和压电压力脉冲法（PPP） 。LIPP 法用激光来产生压力脉冲，不需要与试样直接接触，就能产生短上升时沿的压力脉冲，但是连续施加激光会损坏试品，故对试品厚度有一定得要求。压电传感器产生的压力波上升时间短，有较好的分辨率，且设备简单、成本低、受到很多学者的亲睐而用于实验室研究。但该方法输出信号幅值小，需要重复测量以提高信噪比，耗费时间长，限于分析相对较薄的式样。PWP 法空间电荷测量原理图见图 1-213。1975年 Collins 提出非破坏性空间电荷测量思想，随后
24、热方法被广泛应用与电介质内空间电荷和电场分布的研究。其中，激光光强调制法（LIMM）应用普遍。由于 LIMM 本身的局限性，适合研究薄试样，且只在电极附近有较高的分辨率。哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -图1-2 PWP 法空间电荷测量原理图PEA 和 PWP 统称为声方法，与热方法比较，适合测量相对较厚的式样，且在整个试样厚度方向上的分辨率是一个常量；声方法测量时间短，通过简单分析就可以得到空间电荷分布情况，而热方法测量时间长，不适合进行瞬时研究，且要对信号进行大量复杂的数学计算才能得到电荷分布情况；声方法所需设备昂贵，热方法所用仪器练剑。因此两种方法相互补充，同时应用以获得更详细的电荷分
25、布信息。 液体介质中空间电荷的测量方法主要有探针法、施利伦纹影法和克尔效应法等。对于液体介质，虽然常规的探针测量法可以深入到液体介质内部进行测量，但由于探针的引入干扰了被测电厂，使测量结果误差大、不真实。为了解决这一问题，目前国际上采用了两种光学测量技术，一种是施利伦纹影法，另一种是克尔效应法。 纹影法是基于介质的折射率和介电常数、密度、温度的函数关系，在介质中人为的形成一个恒定的温度梯度分布，利用单色激光源，在电场作用下，以干涉条纹的变化来间接的确定液体介质中的电场分布。事实上，要建立一个精度较高的温度场是十分困难的，况且所测电场还要经人手工量算电光场图的明暗条纹才能间接得到，所以这种方法的实际意义不大，并没有得到广泛的应用。纹影法系统图见图1-3 14。
