CN105301371B - 一种基于法拉第笼法的空间电荷密度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于法拉第笼法的空间电荷密度测量装置，包括法拉第笼笼体、电位探针、信号传输屏蔽线、信号传输屏蔽管、电位测量模块和底座；电位探针位于法拉第笼笼体的中心，信号传输屏蔽线位于信号传输屏蔽管内部，信号传输屏蔽管支撑于法拉第笼笼体底部与电位探针之间，电位测量模块置于法拉第笼笼体下方且与底座相连。本发明采用感应型电位探针测量空间电位，测量精度高；通过法拉第笼笼体屏蔽外界电场的影响，获取笼体中的空间电位，进而得到空间电荷密度，本发明具有良好的稳定性，能较好的用于复杂多变的环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量装置，具体涉及一种基于法拉第笼法的空间电荷密度测量装置。
背景技术
我国地域辽阔，经济发展和资源分布极不均衡。随着我国水电开发，西南地区将有大量的电力需要远距离输送到华中、华东和华南，而采用直流输电能够有效地节约线路走廊，有助于改善网络结构、减少输电瓶颈和实现大范围的资源优化配置，因此，建设直流输电工程是我国电力工业发展的必由之路。直流输电工程由换流站、输电线路和接地极组成，这三部分的电磁环境是直流输电工程设计、建设及运行中必须考虑的重大技术问题。
空间电荷密度是考核电磁环境的重要组成部分之一。原理是直流输电线路运行时，导线电晕产生的电荷会在空间扩散，因而空间中充满带电离子。再者，直流输电的地面合成电场由两部分电荷产生。直流输电线路导线上的电荷产生的电场称为标称电场，空间电荷及离子产生的电场称为离子流场，标称电场与离子流场叠加形成合成电场。在多数研究中，电场和离子水平被看成是相对不变的，但是由于天气的影响，风速、风向的变化，导致直流线路附近的电场强度、离子流密度和空间电荷分布不断变化，空中电荷的积累会产生对地的电位差，从而影响地面合成场强的大小。在导线电晕发展程度较为严重的情况下，空间电荷的影响显得尤为突出，地面合成电场的场强最大值可达标称场强的2到3倍。为了有效控制地面合成电场的大小，对空间电荷的测量不可或缺，但我国还不存在成熟的、可适用于直流输电环境的空间电荷密度测量仪器。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于法拉第笼法的空间电荷密度测量装置，采用感应型电位探针测量空间电位，通过法拉第笼笼体屏蔽外界电场的影响，获取笼体中的空间电位，进而得到空间电荷密度，本发明具有良好的稳定性，能较好的用于复杂多变的环境。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种基于法拉第笼法的空间电荷密度测量装置，所述测量装置包括法拉第笼笼体、电位探针、信号传输屏蔽线、信号传输屏蔽管、电位测量模块和底座；
所述电位探针位于法拉第笼笼体的中心，所述信号传输屏蔽线位于信号传输屏蔽管内部，所述信号传输屏蔽管支撑于法拉第笼笼体底部与电位探针之间，电位测量模块置于法拉第笼笼体下方且与底座相连。
所述法拉第笼笼体为网格状结构，其形状为圆柱体或球体，用于屏蔽外界电场。
所述电位探针包括感应球壳、金属球和分压电阻；
所述金属球位于感应球壳的中心，所述分压电阻位于信号传输屏蔽线上，信号传输屏蔽线一端连接金属球，另一端连接电位测量模块。
所述信号传输屏蔽管可在竖直方向上进行伸缩运动，调整电位探针的位置，使电位探针位于法拉第笼笼体中心，以获得法拉第笼笼体中电位最大值。
所述电位测量模块包括屏蔽盒、信号调理电路、滤波电路、信号隔离电路、A/D转换电路、控制电路、显示电路和通信电路；
所述信号调理电路、滤波电路、信号隔离电路、A/D转换电路、控制电路和通信电路均位于屏蔽盒内部；
电位探针测量的空间电位经由信号传输屏蔽线输入信号调理电路，依次通过信号调理电路、滤波电路、信号隔离电路进行调理、滤波、隔离处理后，由A/D转换电路转换为数字信号，控制电路对数字信号进行处理后得到空间电荷密度，并将空间电荷密度发送至显示电路进行显示，同时通过通信电路将空间电荷密度传送至远程上位机。
电位探针测量的空间电位用U0表示，空间电荷密度用ρ表示，则有：
ρ＝kU0 (1)
其中，k为法拉第笼笼体的形状比例系数。
所述所述法拉第笼笼体底部设有连接孔，信号传输屏蔽线穿过连接孔连接电位测量模块。
所述底座设有安装孔，所述测量装置通过安装孔固定在垂直支撑杆上，所述垂直支撑杆可在竖直方向上进行伸缩运动。
所述垂直支撑杆与水平面上的导轨垂直设置，通过垂直支撑杆在导轨上的水平移动带动法拉第笼笼体的水平移动。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明基于法拉第笼方法，采用感应型电位探针测量笼体中心的空间电位，稳定性高、可靠性强；
2)本发明采用分压电阻实现分压处理方式，防止电位探针的电位过大影响处理电路稳定运行；
3)本发明通过笼体中心的空间电位与空间电荷密度的关系，从而求取该空间的电荷密度，计算方法精度高；
4)电位探针可根据测量需求更换分压电阻，通过改变信号传输屏蔽管长度调整电位探针的位置；
5)笼体可在空中移动，使测量更为灵活、方便；
6)测量装置可实现结果实时显示和数据稳定传输，便于数据收集和处理；
7)本发明装配简便，能准确、可靠、稳定地测量空间电荷密度，为直流输电环境下空间电荷密度分析提供了有力的支持。
附图说明
图1是本发明实施例中圆柱体法拉第笼的结构示意图；
图2是本发明实施例中球体法拉第笼的结构示意图；
图3是本发明实施例中电位探针的结构示意图；
图中，1-法拉第笼笼体，2-电位探针，3-信号传输屏蔽管，4-屏蔽盒，5-底座，6-感应球壳，7-金属球，8-分压电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种基于法拉第笼法的空间电荷密度测量装置，所述测量装置包括法拉第笼笼体1、电位探针2、信号传输屏蔽线、信号传输屏蔽管3、电位测量模块和底座5；
所述电位探针2位于法拉第笼笼体1的中心，所述信号传输屏蔽线位于信号传输屏蔽管3内部，所述信号传输屏蔽管3支撑于法拉第笼笼体1底部与电位探针2之间，电位测量模块置于法拉第笼笼体1下方且与底座5相连。
所述法拉第笼笼体1为网格状结构，其形状为圆柱体或球体，用于屏蔽外界电场。
所述电位探针2包括感应球壳6、金属球7和分压电阻8；
所述金属球7位于感应球壳6的中心，所述分压电阻8位于信号传输屏蔽线上，信号传输屏蔽线一端连接金属球7，另一端连接电位测量模块。
所述信号传输屏蔽管3可在竖直方向上进行伸缩运动，调整电位探针2的位置，使电位探针2位于法拉第笼笼体1中心，以获得法拉第笼笼体1中电位最大值。
所述电位测量模块包括屏蔽盒4、信号调理电路、滤波电路、信号隔离电路、A/D转换电路、控制电路、显示电路和通信电路；
所述信号调理电路、滤波电路、信号隔离电路、A/D转换电路、控制电路和通信电路均位于屏蔽盒4内部；
电位探针2测量的空间电位经由信号传输屏蔽线输入信号调理电路，依次通过信号调理电路、滤波电路、信号隔离电路进行调理、滤波、隔离处理后，由A/D转换电路转换为数字信号，控制电路对数字信号进行处理后得到空间电荷密度，并将空间电荷密度发送至显示电路进行显示，同时通过通信电路将空间电荷密度传送至远程上位机。
电位探针2测量的空间电位用U0表示，空间电荷密度用ρ表示，则有：
ρ＝kU0 (1)
其中，k为法拉第笼笼体的形状比例系数。
所述所述法拉第笼笼体1底部设有连接孔，信号传输屏蔽线穿过连接孔连接电位测量模块。
所述底座5设有安装孔，所述测量装置通过安装孔固定在垂直支撑杆上，所述垂直支撑杆可在竖直方向上进行伸缩运动。
所述垂直支撑杆与水平面上的导轨垂直设置，通过垂直支撑杆在导轨上的水平移动带动法拉第笼笼体1的水平移动。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于法拉第笼法的空间电荷密度测量装置，其特征在于：所述测量装置包括法拉第笼笼体、电位探针、信号传输屏蔽线、信号传输屏蔽管、电位测量模块和底座；
所述电位探针位于法拉第笼笼体的中心，所述信号传输屏蔽线位于信号传输屏蔽管内部，所述信号传输屏蔽管支撑于法拉第笼笼体底部与电位探针之间，电位测量模块置于法拉第笼笼体下方且与底座相连；
所述法拉第笼笼体为网格状结构，其形状为圆柱体或球体，用于屏蔽外界电场；
所述电位探针包括感应球壳、金属球和分压电阻；
所述金属球位于感应球壳的中心，所述分压电阻位于信号传输屏蔽线上，信号传输屏蔽线一端连接金属球，另一端连接电位测量模块；
所述信号传输屏蔽管可在竖直方向上进行伸缩运动，调整电位探针的位置，使电位探针位于法拉第笼笼体中心，以获得法拉第笼笼体中电位最大值；
所述电位测量模块包括屏蔽盒、信号调理电路、滤波电路、信号隔离电路、A/D转换电路、控制电路、显示电路和通信电路；
所述信号调理电路、滤波电路、信号隔离电路、A/D转换电路、控制电路和通信电路均位于屏蔽盒内部；
电位探针测量的空间电位经由信号传输屏蔽线输入信号调理电路，依次通过信号调理电路、滤波电路、信号隔离电路进行调理、滤波、隔离处理后，由A/D转换电路转换为数字信号，控制电路对数字信号进行处理后得到空间电荷密度，并将空间电荷密度发送至显示电路进行显示，同时通过通信电路将空间电荷密度传送至远程上位机；
电位探针测量的空间电位用U0表示，空间电荷密度用ρ表示，则有：
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所述法拉第笼笼体底部设有连接孔，信号传输屏蔽线穿过连接孔连接电位测量模块；
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