CN104950189A - 一种光纤工频高压电场测量探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，包括测量电极、依次连接的信号预处理模块、A/D转换和数据处理模块、发射模块和光纤。本发明所达到的有益效果：1.通过电荷感应电场测量法来测量工频电场，电场测量值采用数字化，由光纤传输，并且电场探头采用球形封闭结构，故抗干扰能力极强;2.工作稳定，体积可以很小，对周围电场影响小，便于携带与安装，独立工作，受外界环境影响小；3.相对于目前电场测量仪器的昂贵价格，本发明制作成本较低，可以大批量在电力系统推广应用，用于电磁环境检测，具有良好的应用前景和广泛的使用范围。

Description

一种光纤工频高压电场测量探头

技术领域

本发明涉及一种光纤工频高压电场测量探头，属于配电网技术领域。

背景技术

电力系统中精确地测量电力设备周围空间电场及变化，对电力设备的设计制造和安全运行有重要的意义，比如高压电力设备的绝缘结构优化，高压设备及电力系统的运行状态监测等；并且，随着电压等级的提高，不仅输变电设备本身的电场分布成为研究的热点，电力系统电磁兼容问题也引起人们重视，对其进行研究也需要电场检测。除电力系统电磁兼容问题外，很多其它领域也存在电磁兼容问题，都需要工频电场的检测作为其实验支持。

现有的检测技术主要有光学原理和电学原理电场测量法。光学原理测量法具有绝缘性能好、响应速度快、安全性高、体积小以及重量轻等优点，但是这类电场传感器往往价格昂贵，在现在应用时，还有许多问题需要克服，比如，由于电光效应本身具有温度相关性，因此基于电光效应的电场测量方法一般存在温度漂移的问题；当电光晶体在感应静态或极低频电场时，经体内将产生电荷漂移和电场分布的改变，导致输入传感信号不稳定的问题；被测电场内空间自由电荷的存在及在传感晶体表面的积聚，也会影响晶体内电场分布。

目前利用电学原理进行工频电场检测的方法主要是电荷感应法，其基本原理是：处于电场中的导体传感器表面会产生感应电荷，针对测量不同频率电场的需要，设计相应的传感器结构和取样电路，将感应电荷转换为与待测电场强度有一定对应关系的电流或电压信号，再对信号进行分析从而获得电场强度。自上世纪70年代初，国内外对电荷感应式电场传感器的研究便已兴起。德国斯图加特大学在1984年，对原有的球型传感器进行改进，设计了以光纤进行数据传输并隔离高压的二维球型电场仪，其探头直径均为4cm，最大可测场强为10kV/cm，最小可测场强为0.5kV/cm，测量带宽达10MHz；美国国家标准局分析了一维球型传感器在均匀电场和非均匀电场中测量的原理和误差，并通过实测证明，平形板结构、盒形的电场仪的测量精度与球型十分接近，能满足工频电场测量的一般要求。目前国内常用于测量电磁场的PMM8053A电磁场测量仪，其EHP-50C探头在50Hz、1kV/m时的相对误差为±0.5dB，具有很高的准确度。国内研究从上世纪80年代逐步开始，西安交通大学在1985年设计的2.5cm直径的球型电场仪，在0.11～10kV/cm的测场强范围内，误差不超过2%，2002年又进一步设计了二维电场测量仪；华北电力大学在1993年、1995年也进行了类似的研究，2004年研制的直径为6.25cm 的球型电场仪，可测场强范围进一步提高到10～100kV/m。还有许多单位如复旦大学、水电部电科院、中国计量科学研究院等也从事了相关研究，积累了丰富的经验和知识。

然而，已有的产品多用于高频模拟信号的测量，抗干扰性能差，价格昂贵，难于推广使用，因此研究成本较低、方便操作、安全可靠的数字化工频电场测量装置，可以帮助电力部门即时监测高压变电站、输电线路周围以及开关柜内部的电场分布情况，提高电力生产的安全系数具有重要意义。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光纤工频高压电场测量探头，具有制造成本低、操作方便、抗干扰能力强和使用灵活等优点。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，包括测量电极、依次连接的信号预处理模块、A/D转换和数据处理模块、发射模块和光纤；所述测量电极包括PCB板和两个铜半球壳；所述PCB板设置在两个铜半球壳之间；所述信号预处理模块包括依次连接的取样电路模块、前置放大电路模块、滤波电路模块和有效值转换电路模块；所述A/D转换和数据处理模块包括依次连接的A/D转换模块和数据处理模块；所述有效值转换电路模块与A/D转换模块相连接，数据处理模块与发射模块相连接；所述信号预处理模块、A/D转换和数据处理模块和发射模块均设置在PCB板上。

前述的一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，还包括电源模块、复位开关和充电接口；所述电源模块分别向号预处理模块、A/D转换和数据处理模块和发射模块供电。

前述的一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，所述前置放大电路模块和滤波电路模块组成巴特沃思二阶有源带通滤波电路。

前述的一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，所述前置放大电路模块包括第一运算放大器、第一运放电阻、滤波电容、第一接地电阻和接地电容；所述滤波电容的一端作为滤波输入端，另一端接入第一运算放大器的同相输入端；所述接地电容的一端与滤波电容作为滤波输入端的一端相连接，另一端接地；所述第一运放电阻的一端与接地电容、滤波电容的公共接点连接，另一端接入第一运算放大器的输入端；所述第一接地电阻的一端与第一运算放大器的同相输入端相连接，另一端接地；所述第一运算放大器的反相输入端与自身输出端相连接。

前述的一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，所述滤波电路包括第二运算放大器、第二运放电阻、隔离电阻和第二接地电阻；所述第二运算放大器的反相输入端通过隔离电阻与第一运算放大器的输出端相连接；所述第二运放电阻串联在第二运算放大器的反相输入端与输出端之间；所述第二运算放大器的同相输入端通过第二接地电阻接地；所述第二运算放大器的输出端通过输出电阻与数据处理模块的输入端相连接。

前述的一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，所述有效值转换电路模块包括真有效值转换芯片和外围电路。

前述的一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，所述发射模块将数据处理模块传输过来的电脉冲数字信号转换成光脉冲数字信号，并由所述光纤引出。

前述的一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，所述光纤采用多模光纤。

本发明所达到的有益效果：1.通过电荷感应电场测量法来测量工频电场，电场测量值采用数字化，由光纤传输，并且电场探头采用球形封闭结构，故抗干扰能力极强;2.工作稳定，体积可以很小，对周围电场影响小，便于携带与安装，独立工作，受外界环境影响小；3.相对于目前电场测量仪器的昂贵价格，本发明制作成本较低，可以大批量在电力系统推广应用，用于电磁环境检测，具有良好的应用前景和广泛的使用范围。

附图说明

图1是本发明的各单元连接示意图；

图2是前置放大电路的电路连接图；

图3是滤波电路的电路连接图；

图4是有效值转换电路的电路连接图；

图5是发射单元的连接示意图；

图6是本发明工作流程图。

图中附图标记的含义：

1-测量电极，2-信号预处理模块，3- A/D转换和数据处理模块，4-发射模块，5-电源模块，6-光纤，7-复位开关，8-充电接口，U1-第一运算放大器，R15-第一运放电阻，C40-滤波电容，R16-第一接地电阻，C15-接地电容，U2-第二运算放大器，R22-第二运放电阻，R5-隔离电阻，R20-第二接地电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明涉及的一种光纤6工频高压电场测量探头，包括测量电极1、电源模块5、复位开关7、充电接口8、依次连接的信号预处理模块2、A/D转换和数据处理模块3、发射模块4和光纤6。

如图1所示，信号预处理模块2包括依次连接的取样电路模块、前置放大电路模块、滤波电路模块和有效值转换电路模块。A/D转换和数据处理模块3包括依次连接的A/D转换模块和数据处理模块。有效值转换电路模块与A/D转换模块相连接，数据处理模块与发射模块4相连接。电源模块5分别向号预处理模块、A/D转换和数据处理模块3和发射模块4供电。

本实施例中，系统采用的处理器为C8051F020，片内集成12为采样率200sps的A/D转换单元，可以对前端信号预处理的模拟信号转换为数字信号。AD采样的基准电压由处理器内部编程产生，大小为2.4V，能够对幅值为0-2.4V之间的信号可靠采样。AD转换单元有8个采集通道，系统开通1个通道用于电场数据采集。按照一般的电场测量要求，处理器采用定时器定时采样，采样频率为1kHz，对高于工频周期时间内的数据进行均值处理，获得准确电场数值。

测量电极1包括PCB板和两个铜半球壳，PCB板设置在两个铜半球壳之间。信号预处理模块2、A/D转换和数据处理模块3和发射模块4均设置在PCB板上。取样电路信号输入端连接至测量电极1，本实施例中，由于单片机芯片集成了A/D转换单元，所以经预处理电路后的电场强度信号直接送入单片机。

前置放大电路模块和滤波电路模块组成巴特沃思二阶有源带通滤波电路。

如图2所示，前置放大电路模块包括第一运算放大器U1、第一运放电阻R15、滤波电容C40、第一接地电阻R16和接地电容C15。

连接关系如下：滤波电容C40的一端作为滤波输入端，另一端接入第一运算放大器U1的同相输入端。接地电容C15的一端与滤波电容C40作为滤波输入端的一端相连接，另一端接地。第一运放电阻R15的一端与接地电容C15、滤波电容C40的公共接点连接，另一端接入第一运算放大器U1的输入端。第一接地电阻R16的一端与第一运算放大器U1的同相输入端相连接，另一端接地。第一运算放大器U1的反相输入端与自身输出端相连接。

如图3所示，滤波电路包括第二运算放大器U2、第二运放电阻R22、隔离电阻R5和第二接地电阻R20。

连接关系如下：第二运算放大器U2的反相输入端通过隔离电阻R5与第一运算放大器U1的输出端相连接。第二运放电阻R22串联在第二运算放大器U2的反相输入端与输出端之间。第二运算放大器U2的同相输入端通过第二接地电阻R20接地。第二运算放大器U2的输出端通过输出电阻与数据处理模块的输入端相连接。

本实施例中，第一运算放大器U1和第二运算放大器U2均采用OP07C。

如图4所示，有效值转换电路模块包括真有效值转换芯片和外围电路。其中，真有效值转换芯片采用了AD637，可以将2v以内的交流信号转换为直流信号。

如图5所示，发射模块4包括与数据处理单元相连接的光驱动电路和光连接器，用于实时传输电场数据，其中发射模块4内采用发光二极管LED，将数据处理模块传输过来的电脉冲数字信号转换成光脉冲数字信号，并由光纤6引出。光纤6采用多模光纤6。

如图6所示，本发明的工作流程如下：开关上电后，系统进行初始化，并对各个工作单元模块自检。然后单片机内的A/D转换模块开始对信号预处理模块2的电压信号进行AD转换；结束一个转换周期后，由单片机对采集的数字信号进行分析处理，获得电场强度的测量值并通过光纤6发送至接收端。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，包括测量电极、依次连接的信号预处理模块、A/D转换和数据处理模块、发射模块和光纤；所述测量电极包括PCB板和两个铜半球壳；所述PCB板设置在两个铜半球壳之间；所述信号预处理模块包括依次连接的取样电路模块、前置放大电路模块、滤波电路模块和有效值转换电路模块；所述A/D转换和数据处理模块包括依次连接的A/D转换模块和数据处理模块；所述有效值转换电路模块与A/D转换模块相连接，数据处理模块与发射模块相连接；所述信号预处理模块、A/D转换和数据处理模块和发射模块均设置在PCB板上。

2.根据权利要求1所述的一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，还包括电源模块、复位开关和充电接口；所述电源模块分别向号预处理模块、A/D转换和数据处理模块和发射模块供电。

3.根据权利要求1所述的一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，所述前置放大电路模块和滤波电路模块组成巴特沃思二阶有源带通滤波电路。

4.根据权利要求3所述的一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，所述前置放大电路模块包括第一运算放大器、第一运放电阻、滤波电容、第一接地电阻和接地电容；所述滤波电容的一端作为滤波输入端，另一端接入第一运算放大器的同相输入端；所述接地电容的一端与滤波电容作为滤波输入端的一端相连接，另一端接地；所述第一运放电阻的一端与接地电容、滤波电容的公共接点连接，另一端接入第一运算放大器的输入端；所述第一接地电阻的一端与第一运算放大器的同相输入端相连接，另一端接地；所述第一运算放大器的反相输入端与自身输出端相连接。

5.根据权利要求4所述的一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，所述滤波电路包括第二运算放大器、第二运放电阻、隔离电阻和第二接地电阻；所述第二运算放大器的反相输入端通过隔离电阻与第一运算放大器的输出端相连接；所述第二运放电阻串联在第二运算放大器的反相输入端与输出端之间；所述第二运算放大器的同相输入端通过第二接地电阻接地；所述第二运算放大器的输出端通过输出电阻与数据处理模块的输入端相连接。

6.根据权利要求1所述的一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，所述有效值转换电路模块包括真有效值转换芯片和外围电路。

7.根据权利要求1所述的一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，所述发射模块将数据处理模块传输过来的电脉冲数字信号转换成光脉冲数字信号，并由所述光纤引出。

8.根据权利要求7所述的一种光纤工频高压电场测量探头，其特征是，所述光纤采用多模光纤。