CN105301373A - 一种基于探针阵列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探针阵列的空间电荷密度测量装置，所述测量装置包括传感单元、处理单元和底座；所述处理单元置于传感单元下方且与底座相连。所述传感单元采用探针阵列，所述探针阵列包括阵列框架和电位探针；本发明提供一种基于探针阵列的空间电荷密度测量装置，基于探针阵列，获取空间电位，采用高斯定理计算出该空间的电荷密度，电位探针采用感应型或振动型，提高测量精度和装置的稳定性，能较好的用于复杂多变的环境。

Description

一种基于探针阵列的空间电荷密度测量装置
技术领域
本发明涉及一种测量装置，具体涉及一种基于探针阵列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。随着我国电力开发，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。
空间电荷密度是考量电磁环境的重要组成部分之一，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，直流输电线路的地面合成电场有两部分电荷产生。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2-3倍。为了控制地面合成电场的大小，对空间电荷的测量不可或缺，但我国还不存在可适用于直流线路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探针阵列的空间电荷密度测量装置，基于探针阵列，获取空间电位，采用高斯定理计算出该空间的电荷密度，电位探针采用感应型或振动型，提高测量精度和装置的稳定性，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探针阵列的空间电荷密度测量装置，所述测量装置包括传感单元、处理单元和底座；所述处理单元置于传感单元下方且与底座相连。
所述传感单元采用探针阵列，所述探针阵列包括阵列框架和电位探针；
所述探针阵列为四个长方体组合结构，每个长方体顶点处设有电位探针，且每两个长方体结合的结点处共用电位探针，共18个电位探针；
阵列框架为空心圆柱管，所述空心圆柱管内部布置信号传输屏蔽线，电位探针测量的空间电位通过信号传输屏蔽线传输给处理单元。
所述电位探针采用感应型电位探针或振动型电位探针。
所述感应型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，且位于空心圆柱管内部；信号传输屏蔽线一端连接金属球，另一端连接处理单元。
所述振动型电位探针包括采集管、振动感应片和预处理单元；
振动感应片和预处理单元均位于采集管内，所述振动感应片感应采集管处的空间电位，所述空间电位通过预处理单元进行放大处理后，传输给处理单元。
所述处理单元包括屏蔽盒、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；
所述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。
所述处理单元包括信号调理电路、滤波电路、信号隔离电路、A/D转换电路、控制电路、振动控制电路、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、振动控制电路和通信电路均位于屏蔽盒内部；
所述振动控制电路用于调节振动型电位探针的振动频率，使振动感应片的振动频率稳定；
所述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，并将空间电荷密度通过显示电路进行显示，同时通过通信电路将空间电荷密度传送至远程上位机。
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传感单元的水平移动。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明基于探针阵列测量空间电位，其采用电位探针进行测量，稳定性高、可靠性强；
2)本发明处理单元中的信号隔离电路减小信号受到外界环境的影响，使信号传输更为稳定；
3)本发明获取空间电荷密度采用高斯定理，并用数值积分方法求解离散情况下的面积分，具有较高的计算精度；
4)电位探针可根据测量需求进行拆卸或更换，阵列框架通过与垂直支撑杆、导轨连接可实现其在空间中的移动，使测量更为灵活、方便；
5)空间电荷密度可实时显示和传输，便于数据收集和处理；
6)本发明装配简便，能准确、可靠、稳定地测量空间电荷密度，为高电压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是本发明实施例中感应型电位探针的结构示意图；
图2是本发明实施例中振动型电位探针的结构示意图；
图3是本发明实施例中探针阵列的结构示意图；
图中，1-感应球壳，2-金属球，3-空心圆柱管，4-分压电阻，5-空间电荷感应区，6-采集管，7-振动感应片，8-预处理单元，9-电位探针，10-阵列框架。
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探针阵列的空间电荷密度测量装置，所述测量装置包括传感单元、处理单元和底座；所述处理单元置于传感单元下方且与底座相连。
所述传感单元采用探针阵列，所述探针阵列包括阵列框架10和电位探针9；
所述探针阵列为四个长方体组合结构，每个长方体顶点处设有电位探针9，且每两个长方体结合的结点处共用电位探针，共18个电位探针；
阵列框架10为空心圆柱管，所述空心圆柱管内部布置信号传输屏蔽线，电位探针测量的空间电位通过信号传输屏蔽线传输给处理单元。
所述电位探针9采用感应型电位探针或振动型电位探针。
所述感应型电位探针包括感应球壳1、金属球2和分压电阻4；
所述金属球位于感应球壳1的中心，所述分压电阻4位于信号传输屏蔽线上，且位于空心圆柱管内部；信号传输屏蔽线一端连接金属球2，另一端连接处理单元。
所述振动型电位探针包括采集管6、振动感应片7和预处理单元8；
振动感应7片和预处理单元8均位于采集管6内，所述振动感应片7感应采集管6处的空间电位，所述空间电位通过预处理单元8进行放大处理后，传输给处理单元。
所述处理单元包括屏蔽盒、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；
所述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。
所述处理单元包括信号调理电路、滤波电路、信号隔离电路、A/D转换电路、控制电路、振动控制电路、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、振动控制电路和通信电路均位于屏蔽盒内部；
所述振动控制电路用于调节振动型电位探针的振动频率，使振动感应片的振动频率稳定；
所述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，并将空间电荷密度通过显示电路进行显示，同时通过通信电路将空间电荷密度传送至远程上位机。
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传感单元的水平移动。
本发明提供一种基于探针阵列的空间电荷密度测量装置，用于高电压环境下空间电荷密度的测量。原理在于测量空间中多点的电位，再通过高斯定理计算空间电荷密度。电场强度可进行三维笛卡尔坐标系分解，每一轴的电场强度可用该方向的电位值计算出，再采用数值法求解电场点阵的面积分，合成三个方向的值即可求出空间电荷密度，如下式：
式中，ρ为空间电荷密度，V为空间体积，ε0为介电常数，Ei为i轴方向上的电场强度，Si为i轴方向的面积。
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 (9)

1.一种基于探针阵列的空间电荷密度测量装置，其特征在于：所述测量装置包括传感单元、处理单元和底座；所述处理单元置于传感单元下方且与底座相连。
2.根据权利要求1所述的基于探针阵列的空间电荷密度测量装置，其特征在于：所述传感单元采用探针阵列，所述探针阵列包括阵列框架和电位探针；
所述探针阵列为四个长方体组合结构，每个长方体顶点处设有电位探针，且每两个长方体结合的结点处共用电位探针，共18个电位探针；
阵列框架为空心圆柱管，所述空心圆柱管内部布置信号传输屏蔽线，电位探针测量的空间电位通过信号传输屏蔽线传输给处理单元。
3.根据权利要求2所述的基于探针阵列的空间电荷密度测量装置，其特征在于：所述电位探针采用感应型电位探针或振动型电位探针。
4.根据权利要求3所述的基于探针阵列的空间电荷密度测量装置，其特征在于：所述感应型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，且位于空心圆柱管内部；信号传输屏蔽线一端连接金属球，另一端连接处理单元。
5.根据权利要求3所述的基于探针阵列的空间电荷密度测量装置，其特征在于：所述振动型电位探针包括采集管、振动感应片和预处理单元；
振动感应片和预处理单元均位于采集管内，所述振动感应片感应采集管处的空间电位，所述空间电位通过预处理单元进行放大处理后，传输给处理单元。
6.根据权利要求4所述的基于探针阵列的空间电荷密度测量装置，其特征在于：所述处理单元包括屏蔽盒、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；
所述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。
7.根据权利要求5所述的基于探针阵列的空间电荷密度测量装置，其特征在于：所述处理单元包括信号调理电路、滤波电路、信号隔离电路、A/D转换电路、控制电路、振动控制电路、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、振动控制电路和通信电路均位于屏蔽盒内部；
所述振动控制电路用于调节振动型电位探针的振动频率，使振动感应片的振动频率稳定；
所述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，并将空间电荷密度通过显示电路进行显示，同时通过通信电路将空间电荷密度传送至远程上位机。
8.根据权利要求1所述的基于探针阵列的空间电荷密度测量装置，其特征在于：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。
9.根据权利要求8所述的基于探针阵列的空间电荷密度测量装置，其特征在于：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传感单元的水平移动。
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