光学高电压传感器制造技术

电光高电压传感器包括电光材料的波导敏感纤维（１２；１２ａ、１２ｂ）。要测量的电压的电场大致上与敏感纤维（１２；１２ａ、１２ｂ）的纵轴平行。敏感纤维（１２；１２ａ、１２ｂ）载送两个正交偏振光波，其中施加的电场影响这些波之间的双折射。在这个配置中使用电光波导纤维（１２；１２ａ、１２ｂ）允许准确测量在两个宽间隔的点之间的电压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于测量高电压范围内的电压的方法，涉及用于实施 该方法的纤维，也涉及用于制造这样的纤维的方法。在这里使用的上下文中，术语"高电压，，以由IEC限定的意思使 用如任何超过lkV的AC电压或任何超过1.5kV的DC电压。相关技术已知使用光学装置测量电压。用于测量高电压的已知技术在EP 0682261中说明。它依赖于电光 效应，其中电场改变光传输元件即单晶块的折射率或双折射。晶体是 普克尔斯类型的电光材料，其随施加的电场线性地改变它的折射率或 双折射。在EP 0682261中说明的方法允许测量晶体两端的电压。为了 这个目的，两束正交偏4展光束通过晶体两次，并且^(吏返回的光束例如 在偏振器或干涉仪中进行干涉以用于测量它们相互相位偏移。对于在空气绝缘高压变电站中的应用，这个类型的光学电压传感 器通常需要昂贵的电介质绝缘。EP 0682261的传感器利用在 Bi12Ge4012 (BGO)晶体块中的电光效应。输电线的电压(高达数个 100kV)施加在具有典型地在100mm和250mm之间的长度的晶体。 这在晶体附近产生非常高的电场强度。为了避免电介质击穿，晶体安 装在充满在压力下的SF6气体的高电压绝缘体管中。在参考文献中说明的电压传感器使用几个也安装在高电压绝 缘体中的小的电光晶体。晶体测量局部电场。这些局部电场的总和充 当电场的线积分的近似值。这里，电场强度是较低的并且用大气压下 的氮气的绝缘是足够的。然而，需要使电场分布稳定的额外测量(电容率-屏蔽)以避免过大的近似误差。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是提供改进这样的测量的准确度的方法。这个问题用权利要求1的方法解决。因此，光传输元件是波导纤 维。光沿着该纤维在测量电压的点之间被引导。纤维积分沿连续的路径的电场，理想地积分了跨接地和高电压输 电线之间的全距离的电场。因此在电场强度中没有特定的增强。纤维 可以封装在细的、廉价的绝缘体管中或安装在例如断路器等其他高电 压部件内。因为纤维测量电场的精确的线积分，电场分布中的变化(例 如由于雨或表面污染)不会引起任何误差。本专利技术还涉及用于实施这个方法的纤维。这样的纤维是波导纤维 并且包括电光材料。纤维应该沿它的轴线具有非中心晶体或分子结构 以^使在轴向施加的电场下显出普克尔斯类型的电光效应。最后，本专利技术涉及用于制造这样的纤维的方法，其中材料被熔化、 挤压通过管嘴并且结晶为具有非中心晶轴的晶体结构。这允许制造显 示普克尔斯类型电光效应的纤维。本专利技术可以用于测量如上文限定的高电压，并且特别适用于测量超过50kV的电压。 附图说明本专利技术的另外的实施例、优势和应用在从属权利要求以及下列详 细说明中公开，其参考附图图1示出用于形成晶体纤维的坩埚和结晶装置， 图2示出使用这样的纤维的第一测量技术， 图3示出使用这样的纤维的第二测量技术， 图4示出使用这样的纤维的第三测量技术， 图5示出使用这样的纤维的第四测量技术，图6示出使用这样的纤维的第五测量技术。具体实施例方式本专利技术的一些有利的实施例在下面说明。1. 适合的材料种类对于电场的线积分，传感器必须有利地仅测量与积分路径平行的 电场分量，即仅与光的传播路径平行的电场分量应该51起折射率或双 折射可测量的变化。与该路径垂直的场分量不应该对信号有贡献。几 个电光晶体种类满足这个要求。它们沿纤维轴，即沿光的传播方向， 具有非中心晶体或分子结构。它们包括无固有双折射的材料和具有固 有双折射的材料。相应的晶体种类、在电压传感器中晶体轴的排列、 电光轴的方向以及材料的一些举例在参考文献1中列出。优选材料是Bi12Ge4012 ( BGO)。另 一个纤维材料可以是具有在其中嵌入的电光极性生色团的聚合物，其中生色团优选地沿纤维轴排列(例如通过在制造过程期间当 材料超过它的玻璃化温度时施加轴向电场用于产生需要的非中心分 子结构)。2. 纤维有利地，纤维仅支持单空间模，其可具有两个正交的偏振方向， 其中在正交偏振之间的双折射作为轴向施加电场的函数变化。然而， 纤维也可以支持超过一个空间模。有利地，纤维的折射率应该由电场通过普克尔斯效应改变。因为 在普克尔斯效应中折射率大致上线性地随施加的电场改变，这样的材 料允许在宽的场范围之中准确的测量。此外，普克尔斯效应是有方向 性地选择的，因为它仅对于沿非中心晶体方向施加的场而发生，其使 纤维能够适应为忽略与路径垂直的电场分量。有利地，纤维放置于可控的流体环境中，例如其中流体是油。在 一方面，这能够防止纤维的表面被污染，例如;波灰尘污染，从而增加它的波导性能和在模之间的通道分离。同样，靠近该一个纤维的具有 高折射率的流体减少了在该纤维内可以引导的模的数量。因为同样的原因，纤维还可以提供有被包层包围的波导芯。有利 地，该芯是显示出普克尔斯类型电光效应的晶体的结晶体，而包层可 以是结晶体或非结晶体。芯和包层有利地是相同载体材料^旦在掺杂剂 和/或结构上不同，其减少应变并且增加结合力。包层也可是聚合物。用于制造这样的纤维的方法在下面说明。3.结晶体纤维制造如同BGO的电光材料可以以光导纤维的形式生长。常见的生长 方法是微下拉技术。在铂坩埚中加热并且熔 化原材料。坩埚在它的底部具有微管嘴。单晶体纤维通过将小的籽晶 带到管嘴中并且以恒定速度将它向下拉而生长。籽晶的取向决定纤维 中晶轴的取向。纤维可生长具有至少lm至2m的长度。比单个纤维 段更长的积分路径可通过设置几个串联的纤维实现。到目前为止这样 的纤维主要是作为用于X射线和伽马射线的闪烁检测器而受关注，例 如在核医学、高能物理或伽马射线光i普中。杆型晶体纤维在最简单的情况下，纤维是直径在例如O.lm至4mm之间的范围 内的杆式结构，即没有纤维包层并且纤维是高度多模的。纤维可作为 (多模)波导工作。在纤维和环境介质之间的折射率级差引起波导性 质。对于电压传感，纤维可置于可控的流体环境中，例如气氛(例如 氮气或SF6气体)或由例如熔融石英构成的充油毛细管。油的折射率 应该低于并且理想地接近纤维材料的折射率，因为小的折射率差减少 导模的数量。例如BGO在800nm的折射率是2.07。具有聚合物包层的晶体纤维另 一个选择是对纤维应用聚合物包层，如已知所谓的石英/硬聚合 物包层光纤。这里，聚合物的折射率典型地在1.4和1.5之间的范围7内。然而，结晶纤维要求聚合物具有高的折射率。对于光电子应用， 具有高折射率的聚合物特别受到关注并且已经为了这样的目的开发 出来。通过添加例如氧化钛或氧化锆等金属氧化物，在可见光中的折射率已经达到高达1.9。已经报道了具有甚至更高折射 率的原型材料。另一个增加包括丙烯酸酯(acrylates)、环氧树脂和 硅酮的聚合物的折射率的方法是添加例如ZnS微粒等化合物半导体的 纳米微粒。电压传感器通常在近红外中操作。因此具有相对小的带隙(靠近 可见光谱的红端的带隙，例如CdSe、 CdTe)的半导体微粒特别受关 注。具有结晶芯和结晶包层的纤维优选的技术方案是具有结晶芯和结晶包层的纤维。在芯和包层之 间的折射率差可通过向芯和/或包层添加适当的掺杂剂产生。例如已知 向BGO添加Eu3+掺杂剂产生额外的吸收带从而产生折射 率谱的变化。已经报道了许多其他用于BGO的掺杂剂(包括C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在第一点和第二点之间测量高电压范围内的电压，特别地是超过５０ｋＶ的电压，的方法，包括步骤：　在所述第一点和所述第二点之间设置至少一个电光光传输元件，　使光从所述第一点向所述第二点经过所述电光光传输元件，以及　测量在 所述光中由所述电场引入的相位偏移，　其特征在于，所述电光光传输元件形成波导纤维（１２；１２ａ、１２ｂ）并且所述光在所述第一点和所述第二点之间在所述纤维（１２；１２ａ、１２ｂ）内被引导。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：K博纳特，A弗兰克，H布兰德尔，
申请(专利权)人：ABB研究有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]