CN105021901A - 高压电场测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力检测技术领域，提供了一种高压电场测量系统及其检测方法，隔离可靠，具有强抗干扰能力、高频率响应带宽。所述系统包括激光源、电场传感器、传输光纤、光电探测器和后级信号处理系统，所述激光源输出激光光束，通过传输光纤耦合至电场传感器的输入端，激光光束在电场传感器经过电场调制，然后通过传输光纤传送至光电探测器，所述光电探测器将光强信号转换为电压信号，后级信号处理系统通过电压信号获得电场强度。

Description

高压电场测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于电力检测技术领域，具体涉及一种高压电场测量系统及其测量方法。

背景技术

高电压强电场下的测量技术一直是高压工程的重要领域。电场测量技术在电晕放电、局部放电、间隙闪络、电磁环境等问题的研究有广泛的应用需求。从实际操作出发，主要分为工频电场、操作波电场、雷电冲击电场和VFTO电场等场的测量。不难发现，高压环境电磁场测量具有以下特征：1)电场测量点多位于高电位和强场区域。要求测量系统的传感器探头部分与后级信号处理部分有很好的隔离；2)瞬变脉冲电磁场幅值高、变化快。要求测量系统必须具有很好的响应速度，具有很宽的频率响应范围。3)尽可能小的体积，以减小传感器对被测电磁场的影响。因此，研究开发一套具有可靠隔离、强抗干扰能力、高频率响应带宽和具有小体积探头的电磁场测量系统是非常有意义的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高压电场测量系统，隔离可靠，具有强抗干扰能力、高频率响应带宽。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

高压电场测量系统，包括激光源、电场传感器、传输光纤、光电探测器和后级信号处理系统，所述激光源输出激光光束，通过传输光纤耦合至电场传感器的输入端，激光光束在电场传感器经过电场调制，然后通过传输光纤传送至光电探测器，所述光电探测器将光强信号转换为电压信号，后级信号处理系统通过电压信号获得电场强度。

进一步，所述电场传感器包括沿光路依次设置的激光准直器Ⅰ、起偏器、1/4波片、晶体、检偏器和激光准直器Ⅱ，所述激光准直器Ⅰ的光输入端通过光纤与激光源的光输出端连接，所述激光准直器Ⅱ的光输出端通过光纤与光电探测器的光输入端连接。

进一步，所述晶体为LiNbO₃晶体。

进一步，所述晶体的上表面和下表面镀有作为检测电极的金属层真空镀金层。

进一步，所述光电探测器通过下式将光强信号转换为电压信号：

$V_{out}=a+bsin\left(\frac{\mathrm{\π}}{E_{\mathrm{\π}}}E\right);$

上式中，a是输出电压的直流分量，b为光电传感单元感应电压的比例系数，E_π为半波电压，E为电场强度。

进一步，后级信号处理系统通过下式获得电场强度：

$E=801\×\left(arcsin\frac{V_o-732.15}{653.72}\right)-352.37(kV/m);$

上式中，V₀为光电探测器输出的电压信号值。

本发明还提供一种上述高压电场测量系统的测量方法，包括如下步骤：

1)激光源输出激光光束，通过传输光纤耦合至电场传感器的输入端；

2)激光光束在电场传感器经过电场调制，然后通过传输光纤传送至光电探测器；

3)所述光电探测器将光强信号转换为电压信号；

4)后级信号处理系统通过电压信号获得电场强度。

进一步，所述步骤3)中，光电探测器通过下式将光强信号转换为电压信号：

$V_{out}=a+bsin\left(\frac{\mathrm{\π}}{E_{\mathrm{\π}}}E\right);$

上式中，a是输出电压的直流分量，b为光电传感单元感应电压的比例系数，其中E_π称为半波电压，是电光调制产生的相位差达到所需的电场，是设计光电传感单元的一个重要参数，参量E为传感器待测电场强度。

进一步，所述步骤4)中，后级信号处理系统通过下式获得电场强度：

$E=801\×\left(arcsin\frac{V_o-732.15}{653.72}\right)-352.37(kV/m);$

上式中，V₀为光电探测器输出的电压信号值。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

1.具有响应频带宽(10Hz～100MHz)、速度快，适合精确测量工频电场及瞬变电场。

2.采用光纤进行信号的传输，实现传输系统的光电隔离。传感器适合于处于高电位和强场区域测量的场合。

3.通过优化传感器探头内部结构，同时使用电光系数较大且灵敏度较高的铌酸锂晶体作为敏感，使得传感器可以尺寸非常小，尺寸为10×10×60mm(z×y×x)，对被测电磁场的影响很小。

4.由于传感器的尺寸小，位置分辨能力强。可以完成狭小空间的空间精确定位测量，并通过光纤，实现远距离测量。通过实验室测量工频、标准操作冲击、标准雷电冲击模拟实验。该传感器完全胜任电力系统中不同电场的测量。

附图说明

图1示出了高压电场测量系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

参见图1，本实施例的高压电场测量系统，包括激光源7、电场传感器、传输光纤、光电探测器8和后级信号处理系统9，所述激光源7输出激光光束，通过传输光纤耦合至电场传感器的输入端，激光光束在电场传感器经过电场调制，然后通过传输光纤传送至光电探测器8，所述光电探测器8将光强信号转换为电压信号，后级信号处理系统9通过电压信号获得电场强度。

所述电场传感器包括沿光路依次设置的激光准直器Ⅰ1、起偏器2、1/4波片3、晶体4、检偏器5和激光准直器Ⅱ6，所述激光准直器Ⅰ1的光输入端通过传输光纤与激光源7的光输出端连接，所述激光准直器Ⅱ6的光输出端通过传输光纤与光电探测器8的光输入端连接。

激光源发出的光通过光纤传至起偏器之后变为线偏振光，在外施电场的调制下，当光通过LiNbO₃晶体后，双折射光的相位差发生变化，通过检偏器之后，经光纤传至光电探测器(PD)探知这种相位变化引起的光强变化，并将其转化为能用示波器直接测量的电压信号。

所述晶体为Pockels晶体，优选为LiNbO₃晶体。不同电光晶体在相同外加电场下的电光效应强弱是不同的，选择适当电光系数的LiNbO₃晶体可以在保证较大半波电场情况下极大的提高传感器感应电场的灵敏度。

所述晶体可以不镀电极，但也可以在其上表面和下表面镀有作为检测电极的金属层真空镀金层。

所述光电探测器通过下式将光强信号转换为电压信号：

$V_{out}=a+bsin\left(\frac{\mathrm{\π}}{E_{\mathrm{\π}}}E\right);$

上式中，a是输出电压的直流分量，b为光电传感单元感应电压的比例系数，其中E_π称为半波电压，是电光调制产生的相位差达到所需的电场，是设计光电传感单元的一个重要参数，参量E为传感器待测电场强度。

后级信号处理系统通过下式获得电场强度：

$E=801\×\left(arcsin\frac{V_o-732.15}{653.72}\right)-352.37(kV/m);$

上式中，V₀为光电探测器输出的电压信号值。

本发明还提供一种上述高压电场测量系统的测量方法，包括如下步骤：

1)激光源输出激光光束，通过传输光纤耦合至电场传感器的输入端；

2)激光光束在电场传感器经过电场调制，然后通过传输光纤传送至光电探测器；

3)所述光电探测器通过下式将光强信号转换为电压信号：

$V_{out}=a+b\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{E_{\mathrm{\π}}}E\right);$

上式中，a是输出电压的直流分量，b为光电传感单元感应电压的比例系数，其中E_π称为半波电压，是电光调制产生的相位差达到所需的电场，是设计光电传感单元的一个重要参数，参量E为传感器待测电场强度。

4)后级信号处理系统通过下式获得电场强度：

$E=801\×\left(\arcsin \frac{V_o-732.15}{653.72}\right)-352.37(kV/m);$

上式中，V₀为光电探测器输出的电压信号值。

通过任意函数发生器加载电场测试，本发明的系统和方法，实际测量和拟合结果，两者相关系数为0.99671，由拟合计算得到半波电场为2515kV/m，传感器可以线性测量最大电场为801kV/m(线性误差小于5％)。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.高压电场测量系统，其特征在于：包括激光源、电场传感器、传输光纤、光电探测器和后级信号处理系统，所述激光源输出激光光束，通过传输光纤耦合至电场传感器的输入端，激光光束在电场传感器经过电场调制，然后通过传输光纤传送至光电探测器，所述光电探测器将光强信号转换为电压信号，后级信号处理系统通过电压信号获得电场强度。

2.如权利要求1所述的高压电场测量系统，其特征在于：所述电场传感器包括沿光路依次设置的激光准直器Ⅰ、起偏器、1/4波片、晶体、检偏器和激光准直器Ⅱ，所述激光准直器Ⅰ的光输入端通过光纤与激光源的光输出端连接，所述激光准直器Ⅱ的光输出端通过光纤与光电探测器的光输入端连接。

3.如权利要求2所述的高压电场测量系统，其特征在于：所述晶体为LiNbO₃晶体。

4.如权利要求2所述的高压电场测量系统，其特征在于：所述晶体的上表面和下表面镀有作为检测电极的金属层真空镀金层。

5.如权利要求1-4中任一项所述的高压电场测量系统，其特征在于：所述光电探测器通过下式将光强信号转换为电压信号：

$V_{out}=a+bsin\left(\frac{\mathrm{\π}}{E_{\mathrm{\π}}}E\right);$

上式中，a是输出电压的直流分量，b为光电传感单元感应电压的比例系数，其中E_π称为半波电压，是电光调制产生的相位差达到所需的电场，是设计光电传感单元的一个重要参数，参量E为传感器待测电场强度。

6.如权利要求5所述的高压电场测量系统，其特征在于：后级信号处理系统通过下式获得电场强度：

$E=801\×\left(\arcsin \frac{V_o-732.15}{653.72}\right)-352.37(kV/m);$

上式中，V₀为光电探测器输出的电压信号值。

7.如权利要求1-6所述的高压电场测量系统的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)激光源输出激光光束，通过传输光纤耦合至电场传感器的输入端；

2)激光光束在电场传感器经过电场调制，然后通过传输光纤传送至光电探测器；

3)所述光电探测器将光强信号转换为电压信号；

4)后级信号处理系统通过电压信号获得电场强度。

8.如权利要求7所述的高压电场测量系统的测量方法，其特征在于：所述步骤3)中，光电探测器通过下式将光强信号转换为电压信号：

$V_{out}=a+bsin\left(\frac{\mathrm{\π}}{E_{\mathrm{\π}}}E\right);$

上式中，a是输出电压的直流分量，b为光电传感单元感应电压的比例系数，E_π为半波电压，参量E为电场强度。

9.如权利要求7所述的高压电场测量系统的测量方法，其特征在于：所述步骤4)中，后级信号处理系统通过下式获得电场强度：

$E=801\×\left(arcsin\frac{V_o-732.15}{653.72}\right)-352.37(kV/m);$

上式中，V₀为光电探测器输出的电压信号值。