高壓電場測量系統(tǒng)及其測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力檢測技術領域，具體涉及一種高壓電場測量系統(tǒng)及其測量方法。
【背景技術】
[0002] 高電壓強電場下的測量技術一直是高壓工程的重要領域。電場測量技術在電暈放 電、局部放電、間隙閃絡、電磁環(huán)境等問題的研究有廣泛的應用需求。從實際操作出發(fā)，主要 分為工頻電場、操作波電場、雷電沖擊電場和VFT0電場等場的測量。不難發(fā)現(xiàn)，高壓環(huán)境電 磁場測量具有以下特征：1)電場測量點多位于高電位和強場區(qū)域。要求測量系統(tǒng)的傳感器 探頭部分與后級信號處理部分有很好的隔離；2)瞬變脈沖電磁場幅值高、變化快。要求測 量系統(tǒng)必須具有很好的響應速度，具有很寬的頻率響應范圍。3)盡可能小的體積，以減小傳 感器對被測電磁場的影響。因此，研究開發(fā)一套具有可靠隔離、強抗干擾能力、高頻率響應 帶寬和具有小體積探頭的電磁場測量系統(tǒng)是非常有意義的。

【發(fā)明內容】

[0003] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種高壓電場測量系統(tǒng)，隔離可靠，具有強抗干 擾能力、高頻率響應帶寬。
[0004] 為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：
[0005] 高壓電場測量系統(tǒng)，包括激光源、電場傳感器、傳輸光纖、光電探測器和后級信號 處理系統(tǒng)，所述激光源輸出激光光束，通過傳輸光纖耦合至電場傳感器的輸入端，激光光束 在電場傳感器經過電場調制，然后通過傳輸光纖傳送至光電探測器，所述光電探測器將光 強信號轉換為電壓信號，后級信號處理系統(tǒng)通過電壓信號獲得電場強度。
[0006]進一步，所述電場傳感器包括沿光路依次設置的激光準直器I、起偏器、1/4波片、 晶體、檢偏器和激光準直器II，所述激光準直器I的光輸入端通過光纖與激光源的光輸出 端連接，所述激光準直器II的光輸出端通過光纖與光電探測器的光輸入端連接。
[0007] 進一步，所述晶體為LiNb03晶體。
[0008] 進一步，所述晶體的上表面和下表面鍍有作為檢測電極的金屬層真空鍍金層。
[0009] 進一步，所述光電探測器通過下式將光強信號轉換為電壓信號：
[0010]
[0011] 上式中，a是輸出電壓的直流分量，b為光電傳感單兀感應電壓的比例系數(shù)，En為 半波電壓，E為電場強度。
[0012] 進一步，后級信號處理系統(tǒng)通過下式獲得電場強度：
[0013]
[0014] 上式中，V。為光電探測器輸出的電壓信號值。
[0015] 本發(fā)明還提供一種上述高壓電場測量系統(tǒng)的測量方法，包括如下步驟：
[0016] 1)激光源輸出激光光束，通過傳輸光纖親合至電場傳感器的輸入端；
[0017] 2)激光光束在電場傳感器經過電場調制，然后通過傳輸光纖傳送至光電探測器；
[0018] 3)所述光電探測器將光強信號轉換為電壓信號；
[0019] 4)后級信號處理系統(tǒng)通過電壓信號獲得電場強度。
[0020] 進一步，所述步驟3)中，光電探測器通過下式將光強信號轉換為電壓信號：
[0021]
[0022] 上式中，a是輸出電壓的直流分量，b為光電傳感單元感應電壓的比例系數(shù)，其中 E"稱為半波電壓，是電光調制產生的相位差達到所需的電場，是設計光電傳感單元的一個 重要參數(shù)，參量E為傳感器待測電場強度。
[0023] 進一步，所述步驟4)中，后級信號處理系統(tǒng)通過下式獲得電場強度：
[0024]
[0025] 上式中，V。為光電探測器輸出的電壓信號值。
[0026] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有如下優(yōu)點：
[0027]1.具有響應頻帶寬（10Hz~100MHz)、速度快，適合精確測量工頻電場及瞬變電 場。
[0028] 2.采用光纖進行信號的傳輸，實現(xiàn)傳輸系統(tǒng)的光電隔離。傳感器適合于處于高電 位和強場區(qū)域測量的場合。
[0029] 3.通過優(yōu)化傳感器探頭內部結構，同時使用電光系數(shù)較大且靈敏度較高的鈮酸鋰 晶體作為敏感，使得傳感器可以尺寸非常小，尺寸為10X10X60mm(zXyXx)，對被測電磁 場的影響很小。
[0030] 4.由于傳感器的尺寸小，位置分辨能力強。可以完成狹小空間的空間精確定位測 量，并通過光纖，實現(xiàn)遠距離測量。通過實驗室測量工頻、標準操作沖擊、標準雷電沖擊模擬 實驗。該傳感器完全勝任電力系統(tǒng)中不同電場的測量。
【附圖說明】
[0031] 圖1示出了高壓電場測量系統(tǒng)的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0032] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將對本發(fā)明的具體實施方 式作進一步的詳細描述。
[0033] 參見圖1，本實施例的高壓電場測量系統(tǒng)，包括激光源7、電場傳感器、傳輸光纖、 光電探測器8和后級信號處理系統(tǒng)9,所述激光源7輸出激光光束，通過傳輸光纖耦合至電 場傳感器的輸入端，激光光束在電場傳感器經過電場調制，然后通過傳輸光纖傳送至光電 探測器8,所述光電探測器8將光強信號轉換為電壓信號，后級信號處理系統(tǒng)9通過電壓信 號獲得電場強度。
[0034] 所述電場傳感器包括沿光路依次設置的激光準直器I1、起偏器2、1/4波片3、晶 體4、檢偏器5和激光準直器II6,所述激光準直器I1的光輸入端通過傳輸光纖與激光源7 的光輸出端連接，所述激光準直器II6的光輸出端通過傳輸光纖與光電探測器8的光輸入 端連接。
[0035] 激光源發(fā)出的光通過光纖傳至起偏器之后變?yōu)榫€偏振光，在外施電場的調制下， 當光通過LiNb03晶體后，雙折射光的相位差發(fā)生變化，通過檢偏器之后，經光纖傳至光電探 測器（PD)探知這種相位變化引起的光強變化，并將其轉化為能用示波器直接測量的電壓 信號。
[0036] 所述晶體為Pockels晶體，優(yōu)選為LiNb03晶體。不同電光晶體在相同外加電場下 的電光效應強弱是不同的，選擇適當電光系數(shù)的LiNb03晶體可以在保證較大半波電場情況 下極大的提高傳感器感應電場的靈敏度。
[0037] 所述晶體可以不鍍電極，但也可以在其上表面和下表面鍍有作為檢測電極的金屬 層真空鍍金層。
[0038] 所述光電探測器通過下式將光強信號轉換為電壓信號：
[0039]
[0040] 上式中，a是輸出電壓的直流分量，b為光電傳感單元感應電壓的比例系數(shù)，其中 E"稱為半波電壓，是電光調制產生的相位差達到所需的電場，是設計光電傳感單元的一個 重要參數(shù)，參量E為傳感器待測電場強度。
[0041] 后級信號處理系統(tǒng)通過下式獲得電場強度：
[0042]
[0043] 上式中，V。為光電探測器輸出的電壓信號值。
[0044] 本發(fā)明還提供一種上述高壓電場測量系統(tǒng)的測量方法，包括如下步驟：
[0045] 1)激光源輸出激光光束，通過傳輸光纖耦合至電場傳感器的輸入端；
[0046] 2)激光光束在電場傳感器經過電場調制，然后通過傳輸光纖傳送至光電探測器；
[0047] 3)所述光電探測器通過下式將光強信號轉換為電壓信號：
[0048]
[0049] 上式中，a是輸出電壓的直流分量，b為光電傳感單元感應電壓的比例系數(shù)，其中 E"稱為半波電壓，是電光調制產生的相位差達到所需的電場，是設計光電傳感單元的一個 重要參數(shù)，參量E為傳感器待測電場強度。
[0050] 4)后級信號處理系統(tǒng)通過下式獲得電場強度：
[0051]
[0052] 上式中，V。為光電探測器輸出的電壓信號值。
[0053] 通過任意函數(shù)發(fā)生器加載電場測試，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，實際測量和擬合結果， 兩者相關系數(shù)為〇. 99671，由擬合計算得到半波電場為2515kV/m，傳感器可以線性測量最 大電場為801kV/m(線性誤差小于5% )。
[0054] 最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本 發(fā)明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 高壓電場測量系統(tǒng)，其特征在于：包括激光源、電場傳感器、傳輸光纖、光電探測器 和后級信號處理系統(tǒng)，所述激光源輸出激光光束，通過傳輸光纖耦合至電場傳感器的輸入 端，激光光束在電場傳感器經過電場調制，然后通過傳輸光纖傳送至光電探測器，所述光電 探測器將光強信號轉換為電壓信號，后級信號處理系統(tǒng)通過電壓信號獲得電場強度。2. 如權利要求1所述的高壓電場測量系統(tǒng)，其特征在于：所述電場傳感器包括沿光路 依次設置的激光準直器I、起偏器、1/4波片、晶體、檢偏器和激光準直器II，所述激光準直 器I的光輸入端通過光纖與激光源的光輸出端連接，所述激光準直器II的光輸出端通過光 纖與光電探測器的光輸入端連接。3. 如權利要求2所述的高壓電場測量系統(tǒng)，其特征在于：所述晶體為LiNbO3晶體。4. 如權利要求2所述的高壓電場測量系統(tǒng)，其特征在于：所述晶體的上表面和下表面 鍍有作為檢測電極的金屬層真空鍍金層。5. 如權利要求1-4中任一項所述的高壓電場測量系統(tǒng)，其特征在于：所述光電探測器 通過下式將光強信號轉換為電壓信號：上式中，a是輸出電壓的直流分量，b為光電傳感單兀感應電壓的比例系數(shù)，其中En稱 為半波電壓，是電光調制產生的相位差達到所需的電場，是設計光電傳感單元的一個重要 參數(shù)，參量E為傳感器待測電場強度。6. 如權利要求5所述的高壓電場測量系統(tǒng)，其特征在于：后級信號處理系統(tǒng)通過下式 獲得電場強度：上式中，V。為光電探測器輸出的電壓信號值。7. 如權利要求1-6所述的高壓電場測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于：包括如下步 驟： 1) 激光源輸出激光光束，通過傳輸光纖親合至電場傳感器的輸入端； 2) 激光光束在電場傳感器經過電場調制，然后通過傳輸光纖傳送至光電探測器； 3) 所述光電探測器將光強信號轉換為電壓信號； 4) 后級信號處理系統(tǒng)通過電壓信號獲得電場強度。8. 如權利要求7所述的高壓電場測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于：所述步驟3)中， 光電探測器通過下式將光強信號轉換為電壓信號：上式中，a是輸出電壓的直流分量，b為光電傳感單元感應電壓的比例系數(shù)，E"為半波 電壓，參量E為電場強度。9. 如權利要求7所述的高壓電場測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于：所述步驟4)中， 后級信號處理系統(tǒng)通過下式獲得電場強度：上式中，V。為光電探測器輸出的電壓信號值。
【專利摘要】本發(fā)明屬于電力檢測技術領域，提供了一種高壓電場測量系統(tǒng)及其檢測方法，隔離可靠，具有強抗干擾能力、高頻率響應帶寬。所述系統(tǒng)包括激光源、電場傳感器、傳輸光纖、光電探測器和后級信號處理系統(tǒng)，所述激光源輸出激光光束，通過傳輸光纖耦合至電場傳感器的輸入端，激光光束在電場傳感器經過電場調制，然后通過傳輸光纖傳送至光電探測器，所述光電探測器將光強信號轉換為電壓信號，后級信號處理系統(tǒng)通過電壓信號獲得電場強度。
【IPC分類】G01R29/08
【公開號】CN105021901
【申請?zhí)枴緾N201510482085
【發(fā)明人】楊慶, 孫尚鵬, 司馬文霞, 袁濤, 楊鳴, 韓睿, 劉通, 何彥霄
【申請人】重慶大學
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年8月7日