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。     

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。     

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。     

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。     

瞬态电场时域测试技术的研究现状与展望

随着电磁环境效应与防护技术研究的不断深入,瞬态电场时域测试技术已成为电磁脉冲攻防领域急需解决的关键性科学问题之一。文章从"硬件"和"软件"两个方面,对不同类型电场传感器的特点以及瞬态电场时域测试系统的动态补偿技术等进行了对比总结,指出瞬态电场时域测试技术在测试系统动态性能提高、测量误差评定、动态性能补偿等方面均有待进一步研究和完善,并对其发展趋势进行了展望。     

具有温度自补偿功能的宽频带光纤电场传感器

光纤电场传感器抗电磁干扰能力强、响应速度快，在电力设备运行状态和绝缘状况的监测领域有着广阔的应用前景。现有的光纤电场传感器由多个不同功能的分立光学器件组合而成，光路耦合对准困难、光功率损耗大、灵敏度低。此外，温度交叉敏感问题进一步限制了传感器的实际工程应用。为克服现有技术难题，提出一种以特种功能光纤取代分立光学器件，进而形成全光纤电场传感器的技术思路。传感器中的起偏器、检偏器、波片等功能器件均在光纤上实现，避免了分立元件之间对准、耦合等带来的传感器结构不稳定、性能低等问题。此外，通过双晶体正交级联光路结构的设计，赋予传感器温度自补偿功能，实现对温度交叉敏感的有效抑制。实验结果表明，传感器可同时对50 Hz低频电场和纳秒级脉冲电场进行有效捕获，环境温度变化给测量结果带来的误差仅为0.1%/℃。全光纤电场传感器结构简单、稳定性好、测量频带宽，在电力设备快速暂态过电压的测量方面有着重要的潜在应用价值。     

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。     

35kV电子式电流互感器的研究

基于小铁心电流传感器LPCT和空心线圈原理的35 kV电子式电流互感器具有测量精度高、动态范围宽等优点,与传统的电磁式电流互感器相比有着明显的优势。文中分析了35 kV电子式电流互感器的测量用LPCT传感器和保护用PCB空心线圈电流传感器的工作原理及影响电子式电流互感器测量准确度的主要因素;采用有限元法对电子式电流互感器的电场进行仿真计算,优化了互感器的电场结构。在理论分析基础上,研制了一台35 kV电子式电流互感器,给出了准确度测试。测试结果表明,设计的35 kV电子式电流互感器符合GB/T 20840.8—2007要求,满足电力系统测量准确度0.2级和保护准确度5P要求。     

长间隙中雷电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和传感器的标定实验，设计了在长空气间隙中当施加雷电冲击电压时用该传感器进行了电场测量的实验，定量测量了有流注出现时间间隙中电场的时空变化，通过对间隙中暂态电场的测量，定性得出了流注的变化特性。测量结果与文献中的有关理论相符。     

基于激光光电池供电的脉冲电场传感器设计

为了解决脉冲电场传感器电光调制部分的供电问题,设计研制了一种基于激光光电池供电的脉冲电场传感器,该传感 器由激光光电池供电电路、电光调制电路和感应天线构成。 设计制作了由供能激光器、锂电池、激光光电池、锂电池充电电路、 锂电池保护电路、锂电池升压放电电路构成的激光光电池供电电路。 测试结果表明,供电电路输出电压精度为 1. 04 %,纹波系 数为 0. 3 %,并且 48 h 持续工作输出电压波动为±0. 035 V。 设计制作了由单极子天线、场效应管型集成运放构成的传感器电光 调制电路。 实验结果表明,研制的脉冲电场传感器测量带宽在 39. 8 Hz~ 1 050 MHz,动态范围 0. 256 kV/ m ~ 13. 79 kV/ m。     

小角偏测量误差型弧面多电极电场矢量传感器

当前多数电场传感器面向标量信号采集,难以用于测量区域的场源结构分析,其在态势感知与状态评估方面存在明显应用局限。另一方面,电场矢量探头对感应方向的要求极为严苛,细微的装设角度偏差将会对精度产生显著影响。论文基于多维电场耦合感应机制及其矢量合成方法,提出一种新型弧面多电极电场矢量传感器。首先,提出新型极板参数确定式及其拓扑电路结构。随后,通过仿真得到电场分布,电荷量随角度变化的偏移机制,以及传感器的电容参数分布规律。最后,搭建传感器系统,并完成稳态、暂态及角度偏差测试,检验电场信号的幅值测量精度及稳定性。结果表明,所提传感器电场幅值测量误差约为1.914%±0.03%,同时传感器具有较好的抵抗角度偏差的电场测量能力。     

自动增益控制的大动态范围纳秒级瞬态电场传感器

电磁瞬态脉冲的测量仍有许多技术难点。 为了解决瞬态电场测量动态范围较窄的问题,研制了一种能自适应调整测量 范围的光纤电场传感器。 首先在 CST 软件平台上对单极子 PCB 天线进行建模,对其电磁特性和尺寸效应进行了仿真研究。 然 后重点设计了发射机的自动增益控制电路,且自动增益控制电路的阈值范围可调。 用二次插值法对发射机的非线性进行数字 化补偿,并优化设计了接收机的跨阻放大器,使其本底噪声在微伏级别。 用标准场法对该传感器进行了标定和测试,并对不确 定度进行定量计算。 测试结果表明,传感器的输入动态范围达到 54 dB,平均响应时间低于 3 ns,线性相关度为 0. 98,灵敏度为 0. 025 V/ (kV·m -1 ),扩展不确定度为 2. 67。 该传感器可以满足雷电脉冲的电磁环境测量和电力系统局放定位的需要。     

MEMS非接触式特高压直流验电器报警阈值设定与实测

目前中国已建成多条±800kV的特高压直流线路,检修作业是确保线路运行可靠性的重要技术手段,而直流线路验电是确保人员和设备安全的重要技术措施,但其验电缺乏通用设备和相关标准。文中通过仿真得到直流输电线路双极运行、单正极运行和单负极运行等不同运行方式下测量位置附近的电场分布情况;基于MEMS电场传感器进行了测试和标定;基于仿真计算结果和现场实测选择检修时验电器的测量位置和进行验电器报警阈值的分析与设定;在此基础上研制了非接触式特高压直流验电器并进行了现场测试,验证了验电器的有效性。     

面向新型电力系统的微型电场传感技术EI北大核心CSCD

高度数字化是新型电力系统的重要特征,需要构建广域、分布式电网深度全景信息实时采集的传感网络作为其支撑。电场信息是电力系统中的基础物理量。电场测量可以应用于电压反演、设备监测、雷电预警、电磁环境监测等应用场景。传统电场测量方法,如场磨式电场测量仪等,往往体积大、成本高,无法适用于电场测量节点的灵活与广域布置。微型电场传感器是一类基于微加工工艺制备的小尺寸、高性能电场测量设备,对于电场测量的数字化、小型化、灵活化需求具有关键意义。该文介绍不同原理微型电场传感器的发展现状,同时列举微型电场传感器的典型应用场景,并对电场传感器发展所面临的挑战进行总结与展望,指出新型电力系统中电场测量面临的挑战与未来发展趋势。     

基于微纳光纤的三光束干涉型电场传感器

光纤电场传感器具有体积小、电气绝缘性能良好等特点,在电气设备状态监测中具有广泛而重要的应用。针对传统基于双光束干涉的电场传感器所存在的灵敏度低、温度稳定性差等技术瓶颈问题,提出一种基于三光束干涉(TBI)的电场传感器。为此介绍了传感器的工作机理,讨论了TBI器件的结构参数对传感器性能的影响规律,给出了具有良好温度稳定性及灵敏度的传感器最优结构设计方法。实验测试结果表明,TBI电场传感器的平均灵敏度约为1.32 V/(kV·cm–1),温度稳定性为2.6 pm/℃,传感器对工频及脉冲电场的响应结果表明:传感器具有较宽的响应频带范围。该研究工作对提升全光纤电场传感器的技术水平、推广其在工程中的实际应用具有重要意义。     

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。     

脉冲电场微型传感探头的研制

为研究车辆、飞机、舰船仓部等小空间电场环境的电磁兼容与防护问题,需要在尽可能不影响被测电场分布的情况下,实现对脉冲电场的测试。为此,通过特殊的结构和电路设计,利用传感器的外壳实现天线和屏蔽功能,通过高阻耦合、直接电光转换和天线-电容方式实现衰减与降噪等技术,研制成功了一种带有尾纤的、截面积1cm2,长度6cm,能够直接将几Hz至数GHz的脉冲电场信号转换为强度调制的激光波输出的微型有源宽带脉冲电场传感器。测试结果表明,它具有良好的宽带性能和很高的灵敏度,不失真输出动态范围超过60dB,成功解决了小空间环境条件下对宽带脉冲电场的测试问题。     

基于差分进化算法的三维电场传感器解耦标定方法

空间电场信息的准确感知在电力系统传感和量测技术中具有重要价值,但目前并没有可靠的空间直流电场测量装置,对空间三维电场传感器的标定方法需要进一步研究.该文在三维可调外界电场下构建了同时含有维间耦合和角度偏差的校准模型,提出了在该模型下基于差分进化算法求解灵敏度系数矩阵的方法.通过对比研究发现该方法较为精确、稳定和快速,在多组仿真实验中误差率均小于3％(不考虑测量误差).此外,对传感器空间角度对算法准确度的影响进行了分析.基于差分进化算法的三维电场传感器解耦标定方法,既可以简化标定装置设计的复杂度和难度,也可为其他类型的三维传感器标定提供参考.     

基于电场逆问题的高压输电线电压传感器技术与试验研究

提出了一种高压电网中电压测量的新方法,通过电场逆问题计算,采用电荷感应原理研制了一种电子式高压输变电设备的新型电压传感器。对工频电场逆问题进行了推导,给出了电压计算流程并设计了传感器初步模型,并在无线长直输电线下进行了电场畸变影响误差分析。最后,在搭建的高压试验平台下对所研发的传感器进行了电场畸变影响的误差分析试验和交流电压测量对比试验。结果表明,在长直导线下的电压传感器受电场畸变影响较小,测得的电压有效值具有较高的精度,传感器测量电压波形失真度小,相位和幅度误差较小。     

硅基微型静电谐振式直流电场传感器建模与仿真分析

微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)电场传感器因其体积小、功耗低、成本低、易于量产等优势在电力系统具有广泛应用前景。以静电式电极共面水平谐振MEMS直流电场传感器为研究对象,针对其驱动单元、运动过程和感应单元,分别建立基于静电力驱动的传感器动力学模型和基于静电感应的敏感结构电学模型,实现了微型电场传感器的多物理场模型集成。所建立的模型可定量表征传感器的输出特性以及相关结构尺寸对传感器性能的影响。通过仿真计算发现,适当减少齿宽与齿间距、增加感应齿长,可以提高该类型传感器的输出电流,进而提高其测量灵敏度。该文的研究成果可为微型电场传感器的设计和性能优化提供参考。