用于宽频带时域电场测量的光电集成电场传感器

电场测量是电气工程领域的基础研究手段。光电集成电场传感器具有无源、小尺寸、宽频带、动态范围大等优点,能够满足电力工程领域不同场合的电场测量需求。首先介绍了光电集成电场传感器的半波电场、静态偏置点可控性、温度稳定性和湿度稳定性四方面的关键技术问题以及相关解决措施,并提出了未来相关方向的具体研究工作思路及其改进方案。另外就所研制的光电集成电场传感器的线性测量范围、时域响应、频率响应等关键电气特性进行了比较分析。最后,结合近年的工作,介绍了利用所研制光电集成电场传感器在直流、工频、μs级暂态、ns级暂态等典型时域电场中的测量应用。     

基于光纤消逝场的电场测量技术研究综述

电场测量对于电力设备绝缘设计优化、高压系统电磁环境分析、屏蔽装置防护效果评估等领域具有重要意义。消逝场式电场传感器是近年来新兴的一类光纤电场传感器,测量上限高达24 MV/m、封装尺寸低至1.2mm×0.2mm×0.2mm,可同步测量多场点、多方向电场,在电缆故障诊断、特快速暂态过电压监测、电磁武器改良等方面具有广阔应用前景。目前,关于光学电场传感器原理和结构方面的研究综述较多,但缺乏对新型消逝场式电场传感器的相关总结,以及对各类光纤电场传感器技术参数的分析比较。为此,首先总结了消逝场式电场传感器的测量机理、典型结构、研究进展、应用场景、温度补偿方法和关键技术问题。在此基础上,重点分析、比较了各类光纤电场传感器的测量指标、封装尺寸和性能特点,并结合相关标准对其实用化过程中存在的问题进行了讨论。最后,指出消逝场式电场传感器在材料改性、加工工艺优化、微观尺度电场仿真和耦合影响因素分析等方面值得做进一步深入研究。对于消逝场式电场传感器的设计、研制与性能改进具有一定意义。     

光电集成强电场传感器的频率特性校准研究

为了将光电集成电场传感器用于时域电场测量,为高电压技术领域的研究工作提供一种有效的实验手段,需要校准传感器的频率特性,常用的实验手段无法满足上述校准需求,故结合高电压工程领域电场传感器校准的基本要求和光电集成电场传感器的特点,分析并确定了传感器时域校准的方案,利用有界波电磁脉冲模拟器开展校准工作,通过实验与计算获得了传感器的上升时间和上限截止频率等,为传感器的测量应用打下了基础。     

特高压真型塔操作冲击放电电场测量

鉴于研究长空气间隙放电特性对于发展特高压输电技术具有重要意义,开发了光电集成电场传感器,并建立了双通道的电场测量系统。利用球板间隙冲击电场对测量系统进行了校验,并且用冲击信号均匀电场考察了测量系统的时域波形性能,证明了测量系统对电力系统的冲击信号具有较小的误差和良好的时域特性。利用该系统在特高压真型酒杯塔中相塔窗内开展了操作波放电电场测量实验,得到了电场峰值和波形,并与计算值进行了对比,分析了电晕、流注和先导等因素的影响。实验结果表明,光电集成电场测量系统可以用于特高压长空气间隙放电的研究工作。     

横电磁波小室校准系统产生标准电场的不确定度评定

电场传感器需要通过校准才能应用于电场测量,校准系统的不确定度反映了传感器校准结果的可信赖程度,所以需要评定校准系统的不确定度。横电磁波(TEM)小室具有成本低、内部电场均匀性好、幅值较高等优点,适用于产生标准电场,进行电场传感器的校准工作。针对光电集成电场传感器的校准需求,建立了一套TEM小室电场传感器校准系统,分析了该系统产生标准电场的各项影响因素包括场均匀系数、TEM小室特征阻抗实部、半空间距离和净输入功率,计算了这些影响因素的标准不确定度。通过不确定度合成,得出TEM小室校准系统在≥95.45%的置信概率下,产生标准电场的扩展不确定度为5.9%,满足校准电场传感器的需求。     

平行板型三维脉冲电场传感器的研制

宽频带传感器是脉冲电磁场测量的关键设备之一,目前用于脉冲电场测量的传感器大都是单极化形式,只能测量半空间、单极化方向上的电场。为此,研制了一种可用于脉冲电场测量的三维平行板型结构传感器,它由三维电场天线和光发射机组成,与相应的光纤传输系统配合,可以对三维脉冲电场进行同时、全空间测量。应用FDTD法对三维电场测量天线模型进行了数值模拟,重点分析了三维天线的极间耦合、三维场分量的合成与频率特性。计算结果表明,平行板型三维电场天线可以满足脉冲电场测量要求。根据数值模拟的结果实际制作了三维电场传感器并对该传感器进行了实验验证。测量结果表明,该三维电场传感器的性能达到了设计要求。     

基于Pockels效应的大气电场测量研究

为解决常用场磨式大气电场仪体积大、机械磨损严重、易受电磁干扰、测量带宽窄等问题,在研究分析Pockels效应原理的基础上,提出应用Pockels效应来测量大气电场的方法。对晶体、光源的选择及传感器设计中出现的问题进行了分析,设计了一种基于Pockels效应原理的脉冲电场传感器,该传感系统包括稳定高效的光源、Pockels晶体探头、数据采集及处理电路。通过模拟仿真,说明了这种测量方法是可行的,为进一步研制大气电场测量传感器,提高其性能提供了理论依据。     

雷电冲击下棒-板间隙空间电场的测量

长空气间隙放电特性是特高压输电技术的重要研究内容,电场测量作为其重要研究手段,是近年来的研究热点之一。为此,建立了以高场强光电集成电场传感器为核心的空间电场测量系统。利用平板电极对电场测量系统进行校准,获得系统的输入输出特性;通过时域波形对比,证明测量系统具有良好的动态响应特性。利用该系统对1m棒-板间隙在正极性雷电冲...     

光电互感器及其测量系统在HVDC中的应用研究

光电互感器具有结构简单、抗干扰能力强、响应迅速等优点,使其在高压直流系统(HVDC)中得到了广泛的应用。笔者分别介绍了基于罗戈夫斯基线圈、精密电阻的光电电流互感器(OCT)和基于阻容分压元件的光电电压互感器(OVT)的结构组成、测量系统的工作原理以及其在高压换流站中的应用情况,并结合光电传感器及其测量系统在实际工程的典型故障案例,分析了故障产生的原因及对高压直流控制保护系统的影响,为光电互感器的运行及其在后续工程中的改进提供一定的借鉴。     

利用光电电场传感器测量合成绝缘子的沿面场强

利用光电电场传感器对复合绝缘子表面场强的分布进行了测量,采用平行金属板对研制的电场传感器进行了工频标定实验,并测量了绝缘子棒身表面附近的轴向电场和伞裙下方的径向电场分布。对绝缘子和连接金属导体进行了建模,并利用边界元法计算了绝缘子表面场强的分布,计算结果和测量值基本符合。     

长间隙中操作冲击电场测量的研究

简介了自由电位式二维暂态电场传感器的结构和标定方法。设计了当施加操作冲击电压时,在长空气间隙中,用该传感器进行电场测量的实验。定量测量了有先导出现时间隙中电场的时空变化。通过对间隙中暂态电场的测量,定性得出了先导的变化特性。测量结果与文献中的有关理论相符。     

便携式工频电场测量装置的设计

为了了解设备表面和内部的工频电场,从而更好地研究设备运行的状态及优化改进设备,笔者介绍了一维球型电场传感器的测量原理,设计了一种基于C8051F410单片机的便携式工频电场测量装置,讨论了不同形状及规格电场探头对测量结果的影响并完成了电场探头的选型。在500 kV交流输电线下方和实验室简化同心圆球电极内使用该装置与国外标准仪器进行了对比测量,现场测试结果表明该装置测量数据与国外仪器相比具有较大的相关度,能准确地测量电力系统工频电场,具有很好的实用性。     

光学电压传感器分压结构的缺陷及改进方法

现有的光学电压传感器多基于光功率检测模式,其测量范围与测量灵敏度受到电光晶体半波电压的限制。纵向调制的多片晶体叠层结构可以解决半波电压限制的问题,但仅适用于1 000 kV电压等级。此外,仿真结果表明这一结构中晶体内的电场分布极不均匀,受震动与热胀冷缩等因素的影响,光路或晶体的相互位置易产生偏移而引入积分电压误差。文中以110 kV电压等级为例,对多片晶体叠层结构进行了改进,简化了传感系统的结构,并将MgTiO₃陶瓷按照一定的要求安装在锗酸铋(BGO)晶体的外部以改善晶体的内电场分布,可以把积分电压误差从0.275%降低至0.01%以下。改进后的结构可用于各种电压等级。最后,通过实验验证了新方法的有效性。     

无电极型工频电场传感器的设计

分析了电力系统中工频电场测量的技术手段和应用现状，指出现有手段的存在的问题；利用集成光学技术研制了一种基于铌酸锂晶片铁电畴反转的无电极电场传感器，该传感器内部没有金属部分，具有集成度高、对被测电场影响较小等优点；分析了传感器的设计要点，针对电力设备工频电场测试的实际需求完成传感器的参数设计，并研究相关的工艺流程；针对传感器半波电场太大的特点设计了合适的方案测试传感器的特性；根据国标GB/T12720-1991建立工频电场测试系统，并利用该系统完成传感器的工频电场标定测量实验。实验结果表明，该传感器在较大测量范围内具有较好的线性度，适合于电力系统工频电场的测量。     

1m棒–板间隙雷电冲击放电电场测量

放电区域电场的定量测量是研究长空气间隙放电机理的重要手段,也是近年国内外研究的热点。简要介绍了自主研制的光电集成电场测量系统,并将其应用于棒–板间隙在正极性雷电冲击电压作用下流注放电区域电场的测量。首先测量未发生放电时棒–板间隙轴线上的几何电场,并与计算结果进行对比;其次,测量流注产生后放电区域内、外的电场强度,并结合高速摄像机拍摄到的流注放电图片对测量结果进行分析。测量结果为流注通道与空间电荷的物理模型建立提供了依据。     

正极性雷电冲击电压下空间电荷电场测量研究

很多绝缘问题本质上都与电场相关,电场测量是高电压领域的重要研究手段。空间电荷导致电场畸变是流注理论的基础,因此定量测量空间电荷的泊松电场对于研究空气间隙的放电机制有重要意义。利用光电集成电场传感器测量了1m棒–板间隙未发生放电条件下各点的轴向电场,并与数值仿真结果进行对比,验证了电场传感器进行定量测量的可靠性;对3种电极条件下1m棒–板间隙空间电荷区域外部轴线上各点的电场时域波形进行测量,将空间电荷形成的泊松电场与外加电压形成的拉普拉斯电场分开,定量测量了不同电压幅值下、不同空间位置的泊松电场幅值与变化规律。研究结果为建立并验证空间电荷模型奠定了基础。