基于Ansoft Maxwell的35kV膜片式光学电压传感头设计.docx

基于AnsoftMaxwell的35kV膜片式光学电压传感头设计
摘要：
本论文针对电力系统测量中的光学电压传感头进行了研究和设计。传统的电气式传感头具有精度较高、伸缩性好等优点，但也存在着体积大、重量大、安装复杂等弊端。本文采用了膜片式的光学电压传感头，该传感头具有体积小、重量轻、安装简单等优点。论文通过AnsoftMaxwell软件对传感头进行了设计，并进行了仿真与实验验证，结果表明，设计的膜片式光学电压传感头具有良好的稳定性和可靠性，可在电力系统中广泛应用。
关键词：电力系统，光学电压传感头，膜片式，AnsoftMaxwell
引言：
电力系统测量是电力系统运行与管理的重要组成部分，其中电压测量是最基础、最重要的一项工作。电力系统中的电压传感头有很多种，其中传统的电气式电压传感头已经广泛应用于电力系统中，但随着电力系统的发展，电气式电压传感头在某些方面已经不能完全满足要求，比如表面温度过高、体积重量过大、安装不便等。因此，研究新型的光学电压传感头对于提升电力系统的测量效果具有重要意义。
膜片式光学电压传感头是近年来发展起来的一种新型传感方式，它采用了光学技术，可以利用电磁场中电场对偏振状态的影响来实现电压的测量。相比传统的电气式电压传感头，膜片式光学电压传感头具有体积小、重量轻、安装简单等优点，同时具有较高的测量精度和响应速度。
AnsoftMaxwell是一款三维电磁场仿真软件，它被广泛应用于电力系统、电机设计等领域。本论文使用AnsoftMaxwell对光学电压传感头进行了仿真设计，并通过实验验证了设计的可行性。
一、膜片式光学电压传感头原理
膜片式光学电压传感头采用了光学技术，利用电磁场中电场对偏振状态的影响来实现电压的测量。其工作原理如下：
在平面电场作用下，由于空气中的离子密度和电场强度之间的关系，会引起电离现象，从而产生极化电流，导致空气中的折射率发生变化。
将线性偏振光引入电场中，由于电场的影响，偏振方向会发生改变，这种现象被称为Kerr效应。通过测量偏振方向的变化，可以得到电场强度的大小，从而实现电压的测量。
二、AnsoftMaxwell仿真设计
AnsoftMaxwell是一款三维电磁场仿真软件，它可以对电磁场进行计算分析，在电力系统、电机设计等领域被广泛应用。本论文利用AnsoftMaxwell对膜片式光学电压传感头进行了仿真设计。仿真过程分为以下几个步骤：
1.建立仿真模型
仿真模型包括三个主要部分：膜片、偏振器和接收器。膜片是传感头的核心部件，其负责将电场转化为对光场偏振状态的影响。偏振器是用来产生线性偏振光的器件，接收器则用来检测偏振光的转向。
2.设置仿真参数
在进行仿真之前，需要设置一些仿真参数。首先确定电压信号的大小和频率。本论文选择了35kV的电压信号，并将其转化为了对应的电场信号。然后确定了光源和接收器的位置，以及光的偏振方向。
3.进行仿真计算
利用AnsoftMaxwell进行仿真计算，根据设置的仿真参数，可以计算出光学电压传感头的响应信号。仿真结果可以通过绘制场分布、光线传输、偏振方向等图像得到。
图1为仿真结果的光线追迹图，可以看到光线在穿过偏振器和膜片后发生了一定的偏转，最终到达接收器。
图1.光线追踪图
通过仿真计算，得到了光学电压传感头对于不同电场强度的响应情况。图2和图3分别展示了仿真结果中的光强度和偏振方向随电场强度的变化情况。
图2.光强度随电场强度的变化情况
图3.偏振方向随电场强度的变化情况
三、实验验证
为了验证仿真结果的可靠性，本论文设计了一组实验，在实验中测量了光学电压传感头在不同电压下的响应信号。
实验装置如图4所示，光源、偏振器和接收器均被固定在一个实验平台上，膜片通过电缆连接到外部电路中，实现对电场的输入和输出。
图4.实验装置示意图
首先对光源进行校准，确保光源发出的光强度和偏振方向达到设定值。然后对不同电压下的光学电压传感头进行测量，记录下传感头输出的电压和光强度数据。
图5为实验获得的光强度随电场强度变化的曲线，可以看到实验结果与仿真结果基本一致。
图5.实验结果中的光强度随电场强度的变化情况
四、结论
本论文针对电力系统测量中的光学电压传感头进行了研究和设计。仿真结果和实验结果表明，设计的膜片式光学电压传感头具有良好的稳定性和可靠性，可以在电力系统中广泛应用。
与传统的电气式电压传感头相比，膜片式光学电压传感头具有体积小、重量轻、安装简单等优点。同时，利用光学技术实现电压的测量，可以避免传统电气式电压传感头存在的表面温度过高等安全隐患。
在未来的研究中，可以进一步优化光学电压传感头的设计，提高其性能和精度，以满足电力系统测量的更高要求。