[发明专利]一种VFTO传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种VFTO传感器及其制备方法和应用，所述VFTO传感器由微纳光纤干涉仪和液态碳酸丙烯酯通过微纳光纤的倏逝场耦合效应结合而成。本发明的VFTO传感器是一种基于液态碳酸丙烯酯和微纳光纤干涉仪高度集成的VFTO传感器，将微纳光纤强倏逝场输出特性和碳酸丙烯酯液体所特有的良好流动性、高电光效应特性结合，能够实现对纳秒量级VFTO的准确测量以及对测量结果的远程传输；传感器无任何金属部件、温度稳定性好，可长期稳定运行，具有广阔的市场前景和较高的工程实用价值。

技术领域

本发明属于光纤电压传感技术领域，特别涉及一种VFTO传感器及其制备方法和应用。

背景技术

气体绝缘变电站(Gas Insulated Substation，GIS)将变电站内除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电流和电压互感器、避雷器等，经优化设计组合成一体，密封于金属外壳内，充以SF₆气体作为绝缘介质组成封闭式组合电器。

由于GIS结构的小型化和其中SF₆气体的特殊性质，GIS中隔离开关或断路器分合空载母线时，由于开关触头断口的重复击穿，在GIS内部会产生振荡频率高达上百兆赫兹的特快速暂态过电压(Very Fast Transient Overvoltage，VFTO)。VFTO具有波前陡(上升时间在2～20ns左右)、幅值高(典型值为1.5～2.5pu)、频谱宽(50Hz～200MHz)等特点；这些特点使得VFTO会导致主绝缘击穿、引起对地短路及变压器主绝缘破坏等严重电力故障，甚至危害人们生命健康。因此，GIS隔离开关合分闸过程中产生的VFTO的精准测量，对避免VFTO引起的电力事故，保障智能电网的快速、稳定发展具有重要意义。

目前，针对VFTO测量的相关研究报道很少，常规的VFTO测量方法主要有：微积分方法、电容分压法和光学检测法。其中，前两种方法中由于存在金属结构，无法适用于强电磁干扰环境中，所以无法满足实际测量需求。光学VFTO测量方法具有抗电磁干扰能力强等技术优点，近年来得到人们的广泛关注。

目前的光学VFTO传感器主要是基于晶体的泡克斯效应而形成的，其尚存在的主要问题包括：

(1)由起偏器、检偏器、波片、准直器、电光晶体等很多光学元件组合而成，每个元件的相对位置变化都会影响传感器测量精度；

(2)光学类VFTO传感器需要引入接收天线的微结构来提升传感器灵敏度，天线和电极的引入对电场分布会产生影响，往往导致测量结果无法反应VFTO的真实情况；

(3)传感器内各元件受热光效应和热膨胀效应的影响较大，导致不同温度下的测量结果存在较大误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种VFTO传感器及其制备方法和应用，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的VFTO传感器，能够实现对纳秒量级VFTO的准确测量以及对测量结果的远程传输；温度稳定性好，可长期稳定运行。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种VFTO传感器，所述VFTO传感器由微纳光纤干涉仪和液态碳酸丙烯酯通过微纳光纤的倏逝场耦合效应结合而成。

本发明的进一步改进在于，所述微纳光纤干涉仪由掺锗二氧化硅线状微米量级光波导经过两次倏逝场耦合构成，包括环形区域、第一耦合区域和第二耦合区域；

第一耦合区域和第二耦合区域之间的掺锗二氧化硅线状微米量级光波导分别为第一干涉臂和第二干涉臂；其中，第一干涉臂置于液态碳酸丙烯酯中，第二干涉臂置于折射率低于掺锗二氧化硅折射率的固态介质中；

其中，所述掺锗二氧化硅线状微米量级光波导的长度为7cm～10cm。

本发明的进一步改进在于，所述掺锗二氧化硅线状微米量级光波导的直径为2μm～3μm。