基于Kerr电光效应的变压器油中直流电场测量系统#王鹏*510152025303540（清华大学电机系）摘要：在直流电场下油纸绝缘系统中，空间电荷的存在会对系统的绝缘性能造成影响。通过实时测量得到绝缘系统中的电场分布和电荷分布具有重要意义。Kerr电光效应法因不会对绝缘系统中电场分布造成影响而得到很多研究者的关注。由于实验系统中包含较复杂的光学器件及微弱信号检测单元，其实现具有一定的难度。本文采用光电二极管作为光接收器件，采用一种交流电压调制方法，结合锁相放大器实现了对微弱信号的检测；通过检测输出光强中直流和所施加的交流信号分量，计算得到了待测直流电场的数值。试验结果表明该系统具有较好的线性度。关键词：绝缘系统；直流电场；电光效应；电场测量；测量系统中图分类号：TM854ADCElectricFieldMeasurmentSysteminTransformerOilBasedonKerrElectro-opticEffectWangPeng(Dept.ofElectricalEngineering)Abstract:Spacechargeaccumulationcanseriouslyeffecttheinsulationsystemunderdcvoltage.Sotherealelectricfielddistributionorspacechargedistributionplaysasignificantroleinthedevelopmentofinsulationsystemofpowerequipments.TheelectricfieldmeasurementmethodbasedonKerreffectcannotaffecttheelectricfielddistributionundertestandcanobtaintheelectricfielddistributionon-line.ForthesmallKellconstantofoil,acmodulationmethodisconductedduringthemeasurementofdcelectricfieldinoilinthispaper.Duringthedcelectricfieldmeasurement,alowacvoltage(aboutseveralhundredsvoltage)aresuperimposedonthetesteddcvoltage.Thedcelectricfieldcanbecalculatedusingthedcandacsignalcomponentsthroughtheopticintensityofthephotodiode.DuringthemeasurementofelectricfielddistributionbasedonKerreffect,theoutputofthephotodiodeisconnectedtoaphaselockamplifier,bywhichthedcandacsignalcomponentsneededtocalculatetheelectricfieldareobtained.Thismethodcangetthefinalresultsofthedcandacsignalcomponents.Thevalidityofthemeasurementsystemisconfirmedbytheresults.Keywords:insulationsystem;dcelectricfield;electro-opticeffect;electricfieldmeasurement;measurementsystem0引言在高压装备绝缘结构（尤其是直流电场下）的设计中，空间电荷对电场分布的影响是不能回避的重要问题[1]。空间电荷的存在，会畸变区域内的电场分布，导致绝缘水平下降。此时，电场按泊松方程分布；若采用拉普拉斯方程进行求解将带来非常大的误差。因此，为了优化绝缘结构设计，需要得到电极间的电场分布和空间电荷分布状况。在绝缘结构比较复杂的情况下，准确获得空间电荷或电场分布是非常困难的。在工程设计中，往往根据经验进行估计。对要求较高的场合，这种方式常常失效，造成设备损坏，甚至带来严重的后果。基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20100002120007);国家自然科学基金(51107064)作者简介：王鹏（1977-），男，高工，主要研究方向电气测量技术.wpeng@mail.tsinghua.edu.cn-1-φ2BE2zdz2BEL455055Kerr电光效应是研究直流电场下变压器油中电场和油纸绝缘系统中空间电荷测量的重要手段。该方式只需将激光穿过待测区域，通过检测因电场引起的o光和e光的相位差来间接获得电场分布情况。这种测量方式不会改变现有电场分布，具有一定的优越性。但Kerr效应用于测量变压器油中电场时存在一些问题，主要是因为变压器油的Kerr常数很小，通常约为10-15m/V2量级。如此微弱的Kerr常数，在有限的电场强度和电极尺寸下，电场作用下o光和e光的相位差也会非常微小，实现对电场的准确测量非常困难。目前一般采用在直流上叠加交流分量的方式来提高电场测量的灵敏度[2-6]。即使如此，测量系统检测到光接收器输出信号中的有用信息也是在uV量级（与所施加的交流信号同频率的分量），对如此微弱的信号，常规的测量手段较难实现高准确度测量。本文搭建了一套用于测量油中电场和油纸绝缘系统空间电荷的光学测...