基于畴反转技术的工频电场传感器研究.pdfVIP

中国电机工程学会高压专委会2007 年学术年会论文集 基于畴反转技术的工频电场传感器研究 牛犇，曾嵘 清华大学电机工程系 摘要 电力设备工频电场的测量对于设备研究和运行状况评估有重要意义。本文以集成光学工艺为基础，利 用基于铌酸锂晶片的铁电畴反转技术设计和制作了一种新型工频电场传感器。介绍了传感器的工作原理，设 计并制作了传感器的原理样机。该传感器采用全光结构，具有集成度高、无金属部件、对被测电场影响较小 等优点。工频电场标定测试结果表明，该传感器具有较大的测量范围。 关键词 工频电场 畴反转 传感器 标定 1 引言 2 传感器的设计原理 电力系统的理论与实践工作要求研究设 2.1 畴反转的原理与制备方法 备表面和内部等的工频电场，包括超高压输 本文研究的工频电场传感器是基于铁电 电线路上导体的表面电场强度和导体附近的 晶体的畴反转效应的。所谓畴反转（Domain 电场强度分布的计算与测试研究，超高压绝 Inversion ）是指通过外界做用使铁电晶体内 缘子表面电场强度和均压环附近电场强度的 部的铁电畴的极化方向发生反转的现象[7] 。 分析和测试等[1,2] 。这些研究中的很多内容要 以铌酸锂晶体为例，作为一种单轴铁电晶体， 求测量金属结构表面附近的电场分布，其场 o 在晶体中仅存在沿光向的针状 180 畴，宽 强幅值达到 MV/m 的数量级[3] 。这就要求测 0.1~1μm ，长 200~400μm ，其横截面为多边 试仪器既要有大的场强测量范围，又要在接 形。通过种种畴工程操作，可以形成与晶体 近被测设备时对待测电场的影响较小。 自发极化电畴矢量方向相反的电畴，这些反 自上世纪90 年代以来，不少学者研究了 转的电畴中，与奇数阶张量相联系的晶体物 工频电场的测量手段，目前常见的主要包括 理性质（如非线性光学系数、电光系数、压 球形有源式探头[4]和基于分立式光学元件的 电系数等）将符号由“+ ”变为“- ”，利用这 探头[5] 。前者属于金属结构传感器，对待测 些反转后的性质变化可以实现多种功能。 电场有明显影响，且测量过程和信号传输过 制备畴反转的实验研究始于上世纪 70 程都容易受到外界电磁骚扰的影响。后者的 年代后期，主要应用于光通信领域，例如通 光学器件之间存在交界面的反射问题，并且 过铌酸锂晶体周期性的畴反转制作准相位匹 对外界的机械振动比较敏感，对基座的精确 配的倍频器件等。本世纪以来，铌酸锂晶体 度和稳定性要求较高，系统体积也无法做到