任意调制方向的光学电压传感器关键参数演变机理与优化研究

To improve the long-term stability of optical voltage sensor (OVS), an optimization method based on arbitrary direction modulation is proposed. By altering the light propagating direction and electrical field direction of electro-optic modulation, the method can regulate and control multiple key parameters such as temperature drift of electro-optic effect, thermal stress birefringence, half-wave voltage and resistance to electric field interference. The wave coupling theory is utilized to analyze the evolution mechanism of electro-optic effect's key parameters with modulation direction. And it is also generalized to the elasto-optical effect for studying the thermal stress birefringence. On this basis, the optimized modulation direction is provided to reduce the temperature drift of electro-optic effect and thermal stress birefringence, and the sensor head is designed and verified by experiments. This method would not bring in extra optical elements. Changing the light propagating direction and crystal cutting orientation will enables the optimization.

为了提高光学电压传感器(OVS)的长期稳定性，提出了一种基于任意调制方向的优化方法。该方法通过改变电光调制的通光方向和电场方向，对OVS的多个关键参数（如电光效应温漂、热应力双折射、半波电压、抗电场干扰能力等）实现调控。采用耦合波理论分析电光效应关键参数随调制方向的演变机理，并将其推广到弹光效应分析热应力双折射。在此基础上，以降低电光效应温漂和热应力双折射为主要目标，提出优化后的电光调制方向并进行传感头设计和实验验证。该方法无需引入额外的光学元件，不会提高OVS传感头的复杂度，仅需改变通光方向或晶体切割方向，即可实现优化。

基于泡克尔斯效应的光学电压传感器（OVS）具有体积小，绝缘性能佳，无铁磁饱和，动态测量范围大，带宽高等优势，是智能电网一次测量设备的发展方向。但是其长期稳定性不佳，未在电力系统得到广泛应用。通常认为，温度、应力、线双折射、老化等因素是影响OVS 长期运行稳定性的主要因素，且多种因素相互耦合。本项目提出研究任意方向电光调制下，电光效应的温漂、热应力双折射、半波电压能力，重点分析上述关键参数随调制方向的演化机理。在此基础上，以降低电光效应温漂和热应力双折射为主要目标，兼顾其它参数，实现对OVS 多个性能参数的优化，提高长期稳定性。. 本项目实际完成如下研究目标：a)首先通过电光效应耦合波理论和有限元多物理场分析，成功实现了对温漂、热应力、线双折射的理论分析计算和仿真。b) 以电压方向调控为主要手段，对OVS传感头进行优化。依据仿真分析得到的优化方案通过实验手段进行了验证。通过实验验证，可优化的关键参数包括：温漂、半波电压，线双折射等。c) 根据理论和实验结果设计了优化后的传感头。d) 从理论和实验上实现了基于图像解调的光学电压传感器，与任意方向调制优化的传感头配合使用，有效降低温漂和线双折射。. 本项目提出的任意调制方向OVS，温度不敏感方向，图像解调光学电压互感器属于课题组的首创，在光学电子式互感器领域里没有其它课题组提出，属于多学科交叉领域和开创性研究。本项目提出的多物理场和耦合波理论联合仿真方法，旨在为研究目标提供一套完整的理论解决方案，除了可以适用于本项目提出的任意调制模式，同样适用于经典调制模式。具有较好的泛用性和完备性。并且通过实验验证证明有效。本项目提出的综合实验测试平台和电场调控方案用于支撑理论仿真工具和传感头原型验证，在电子式互感器领域里属于技术性首创。本项目提出的基于任意调制方向的半波电压调控手段和温漂抑制手段（正在整理，相关成果会在项目结题一年内发表），有助于解决光学电压互感器实际大规模落地面临的测量结果波动性和随机性，由于该方案仅依靠电场下电光晶体自身的各向异性，不依赖外部补偿器件和复杂算法，因此具有较好的稳定性和可靠性，具备大规模落地推广的潜力，具备较好的潜在应用性。.