华北电力大学高浩予、任瀚文 等：适配光电子学空间电荷测量方法的弹光传感器设计与测试验证

阅读提示：本文约 1700 字

为支撑复杂应力环境下新能源电力系统装备绝缘可靠设计与状态评估，厘清高频应力下空间电荷积聚与分布机理，高时空分辨空间电荷测量方法的研究迫在眉睫。华北电力大学先进输电装备与智能化研究团队结合太赫兹窄脉宽高信噪比特性与椭偏测量原理，提出了一种基于光弹性效应的光电子学空间电荷测量方法。进一步，研制了基于SU-8光刻胶复合体系的弹光传感器，并对其测量可靠性进行了评估验证。

研究（项目）背景

相对于传统电气装备，电力电子变压器等新能源电力系统装备在实际运行过程中需经受高频类正弦波和瞬态PWM开关脉冲等强场特殊电应力的作用，运行条件更为恶劣。

由于外部复杂应力直接作用，大量空间电荷积聚于装备绝缘系统，将造成绝缘局部电场的严重畸变，进而直接导致系统的介电性能变化和放电现象发展，引起装备绝缘失效。目前，主要依据空间电荷无损测量技术，对绝缘材料空间电荷积聚及分布机理开展研究，但高频环境下电荷测试方法的发展仍面临测量速度与空间分辨率不足的问题。

论文所解决的问题及意义

本文提出了一种基于光弹性效应的光电子学空间电荷测量方法，并构建了电荷测量全过程光-电-机械多态信号传变模型。进一步，基于光刻工艺，完成了椭偏测量系统关键部件弹光传感器的研制，并对其测量性能开展了实验验证。本文工作可为高时空分辨率空间电荷快速测量技术的发展提供必要基础。

论文方法及创新点

1）光电子学空间电荷测量方法

本文所提出光电子学空间电荷测量系统原理如图1所示。核心思路为采用太赫兹脉冲作为激励扰动绝缘介质内部空间电荷产生弹性波，并基于应力双折射效应及椭圆偏振测量原理，采用氦氖激光实现电荷扰动弹性波的测量以反演恢复空间电荷分布。

图1  光电子学空间电荷测量方法

2）弹光传感器设计研发

针对测量传感器部分，结合分子动力学模拟，提出了以SU-8光刻胶为基体，羟基功能化石墨烯为掺杂分子的传感器材料改性设计思路，并基于光刻工艺，完成了高可靠弹光传感器的研制，如图2所示。

图2  弹光传感器实物图

3）传感器测量性能评估验证

设计并搭建椭偏传感探测系统，以实现对传感器测量性能的评估验证，如图3所示。

图3  椭偏传感探测系统

分别施加fs脉宽脉冲弹性波于所研发弹光传感器与电声脉冲测量系统压电传感模块，测量结果如图4所示。

图4  飞秒脉宽脉冲弹性波下传感器输出结果

实验表明，弹光传感器与压电传感模块均可对外施飞秒脉冲弹性波响应。与压电传感模块相比，平衡探测器输出与飞秒脉冲激光器的参考波形一致性更高，且不存在过冲与震荡。

结论

本文提出了一种具备高时空分辨潜力的光电子学空间电荷测量方法，并构建了光-电-机械电荷测量信号传变转换模型。针对测量传感器部分，结合分子动力学模拟，提出了以SU-8胶为基体，羟基化石墨烯为掺杂分子的传感器材料改性设计思路，并完成了高可靠弹光传感器的研制。进一步，搭建椭偏传感探测系统对所研发传感器开展了测试验证。实验表明，相较于压电传感模块，测量波形光滑且无畸变，具备较高测量可靠性，可应用于光学测量方法。

团队介绍

面向国家未来电网发展的重大技术需求，先进输电装备与智能化研究团队依托华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室、高电压与电磁兼容北京市重点实验室等科研平台，先后主持国家重点研发计划1项、国家自然科学基金18项（其中重大和重点4项）、国家重大专项课题1项、973计划和863计划子课题4项以及各类科研课题60余项，重点针对高压交直流GIS/GIL、高性能绝缘与电接触材料、光电子学微纳传感与测量、新能源系统雷击物理及防护等方向开展创新研究。

团队现有专职教师4人，其中教授1人，副教授2人，讲师1人；研究生70余人，其中博士研究生12人，硕士研究生60余人。

高浩予

博士研究生，研究方向为固体电介质空间电荷测量技术。

任瀚文

讲师，研究方向为高电压与绝缘技术。

李庆民

教授，博士生导师，研究方向为高电压与绝缘技术、放电物理等。

本文编自2023年第3期《电工技术学报》，论文标题为“适配光电子学空间电荷测量方法的弹光传感器设计与测试验证”。本课题得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目的支持。

引用本文

高浩予, 任瀚文, 李庆民, 史昀祯, 程思闳. 适配光电子学空间电荷测量方法的弹光传感器设计与测试验证[J]. 电工技术学报, 2023, 38(3): 587-598. Gao Haoyu, Ren Hanwen, Li Qingmin, Shi Yunzhen, Cheng Sihong. Design and Measurement Verification of Elasto-Optical Sensor Adapted to Space Charge Measurement Method Based on Optoelectronics. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(3): 587-598.

阅读全文

➤ 下载论文PDF版，请点击本行文字！

➤ 在线阅读全文，请点击本行文字！

推荐阅读

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

CES电气

学会官方B站

CES TEMS

今日头条号

学会科普微信

新浪微博

抖音号

联系我们

☎️ 《电工技术学报》：010-63256949/6981；邮箱：[e-mail]

☎️ 《电气技术》：010-63256943；邮箱：[e-mail]

☎️ 《中国电工技术学会电机与系统学报（CES TEMS）》：电话：[phone]；邮箱：[e-mail]

☎️ 编务：010-63256994

☎️ 订阅：010-63256817

☎️ 商务合作：010-63256867/6838