● 摘要
光学电压传感器具有电气绝缘性能优良、响应速度快、频带宽、以及易于网络化等优点，在电力系统的测量、智能电网及电磁兼容等领域中具有广阔的应用前景。本课题以石英晶体为传感晶体，研究基于该晶体的光学电压传感特性及其性能优化。石英晶体为32点群的单轴晶体，兼有自然旋光性、线性电光效应、电致旋光效应、弹光效应和热光效应等，因此基于石英晶体的电压传感器设计需要综合考虑这些因素。
论文主要研究内容及成果如下：
一、采用主要由一块石英晶体和两个偏振器组成的光学电压传感单元，不需要附加四分之一波片，实验实现了125V~4.5kV范围内工频电压的线性测量，其非线性误差低于0.21%。
二、对光学电压传感单元进行了优化设计，理论分析并实验研究石英晶体的光轴偏转角以及检偏器角度与电压传感特性之间的关系，结果表明，对于一块长度为23mm的石英晶体，当晶体光轴偏转角约为4°、检偏器角度约为20°时，可以获得相对较大的电压测量灵敏度。此外，初步分析了传感头组装过程中晶体的受力对光学电压传感信号的影响。
三、从晶体内部热应力以及自身热光效应两方面，理论分析了光学电压传感器的温度特性；在-40℃~60℃温度范围内，实验测量了电压传感器的温度特性，其输出电压信号变化范围为6.32%。