CN106645987A - 一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统，所述系统包括：平板电极传感器，用于感应地面处瞬态电场产生位移电流，位移电流流经平板电极电容和并联的阻抗变换器输入阻抗，形成高阻抗的电压信号；所述阻抗变换器，将高阻抗的电压信号变换为低阻抗的电压信号输出，低阻抗的电压信号输出至示波器；所述示波器，用于进行所述电压信号的采集和记录。本发明提出的技术方案，通过阻抗变换器，可以使平板电极电容的并联阻抗趋近无穷大，大幅增加电容放电时间常数，扩展了测量系统的低频带宽，使得低频段输出电压信号与所测量电场成线性关系，实现了宽频带地面电场的准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及电场测量领域，更具体地，涉及一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统及方法。
背景技术
变电站分为敞开式变电站(air insulated substation,AIS)和气体绝缘变电站(gas insulated substation,GIS)两类。AIS变电站的隔离开关或者断路器操作时，将在变电站母线和线路上产生操作过电压，在地面上形成瞬态电场，频率范围主要在1MHz以内；GIS变电站的隔离开关或者断路器操作时产生特快速瞬态过电压，形成的地面电场频率更高，典型范围在200MHz以内。由于开关操作过程中，母线会出现准直流的残压，因此实际电场的低频不仅为工频，而应该达到准直流。低频AIS和GIS隔离开关或断路器操作形成的地面电场幅值主要在20kV/m以内。因此，对用于变电站开关操作形成的瞬态地面电场测量系统的技术要求集中在电场幅值范围和频率范围两方面，需要测量最大幅值达到20kV/m，测量频率范围包括0.5Hz-200MHz。
对于瞬态电场测量，包括基于电学方法和基于光学方法的两类测量方法。对于电场的20kV/m的幅值，电学和光学两类方法通常都可以满足，但现有技术不能实现0.5Hz-200MHz带宽的电场测量。
因此，需要一种技术，以解决0.5Hz-200MHz带宽的电场测量。
发明内容
本发明提供了一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统及方法，以解决现有技术测量电场的带宽问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统，所述系统包括：
平板电极传感器，用于感应地面处瞬态电场产生位移电流，位移电流流经平板电极电容和并联的阻抗变换器输入阻抗，形成高阻抗的电压信号；
所述阻抗变换器，将高阻抗的电压信号变换为低阻抗的电压信号输出，低阻抗的电压信号输出至示波器；
所述示波器，用于进行所述电压信号的采集和记录。
基于本发明的一实施方式，本发明提供了一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统，所述系统包括：
平板电极传感器，用于感应地面处瞬态电场产生位移电流，位移电流流经平板电极电容和并联的阻抗变换器输入阻抗，形成高阻抗的电压信号；
所述阻抗变换器，将高阻抗的电压信号变换为低阻抗的电压信号输出，低阻抗的电压信号输出至示波器；
所述光发射器，用于将接收的电压信号转换为光信号，并经光纤输出所述光信号至光接收器；
所述光接收器用于将光信号转换为电压信号，并输出至示波器；
示波器，用于进行所述电压信号的采集和记录。
优选地，所述系统用于测量电场的频率范围为0.5Hz至200MHz。
优选地，所述阻抗变换器响应速率高于400MHz，其输入阻抗高于1GΩ，输出阻抗为50Ω；所述阻抗变换器满足输出电压与输入电压成线性关系。
优选地，所述电压信号通过同轴电缆传输，所述同轴电缆特征阻抗为50Ω。
优选地，所述示波器采样率高于400MHz，输入阻抗为50Ω或1MΩ。
基于本发明的一实施方式，本发明提供一种用于对瞬态地面电场进行测量的方法，所述方法包括：
利用平板电极传感器感应地面处瞬态电场产生位移电流，位移电流流经平板电极电容和并联的阻抗变换器输入阻抗，形成高阻抗的电压信号；
将高阻抗的电压信号变换为低阻抗的电压信号输出；
进行所述低阻抗的电压信号的采集和记录。
基于本发明的一实施方式，本发明提供了一种用于对瞬态地面电场进行测量的方法，所述方法包括：
利用平板电极传感器感应地面处瞬态电场产生位移电流，位移电流流经平板电极电容和并联的阻抗变换器输入阻抗，形成高阻抗的电压信号；
将高阻抗的电压信号变换为低阻抗的电压信号输出；
将接收的低阻抗的电压信号转换为光信号并输出；
将光信号转换为电压信号；
进行所述电压信号的采集和记录。
优选地，所述方法用于测量电场的频率范围为0.5Hz至200MHz。
优选地，所述阻抗变换器响应速率高于400MHz，其输入阻抗高于1GΩ，输出阻抗为50Ω；所述阻抗变换器满足输出电压与输入电压成线性关系。
优选地，所述电压信号通过同轴电缆传输，所述同轴电缆特征阻抗为50Ω。
优选地，所述示波器采样率高于400MHz，输入阻抗为50Ω或1MΩ。
本发明提出的技术方案，通过阻抗变换器，可以使平板电极电容的并联阻抗趋近无穷大，大幅增加电容放电时间常数，扩展了测量系统的低频带宽，使得低频段输出电信号与所测量电场成线性关系，实现了宽频带地面电场的准确测量。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明实施方式的一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统电路原理示意图；
图2为根据本发明实施方式的阻抗变换器原理示意图；
图3为根据本发明一实施方式一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统结构图；
图4为根据本发明又一实施方式一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统结构图；
图5为根据本发明又一实施方式一种用于对瞬态地面电场进行测量的方法流程图；
图6为根据本发明又一实施方式一种用于对瞬态地面电场进行测量的方法流程图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明一实施方式一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统电路原理示意图。如图1所示，根据本发明实施方式，基于平板电极电场测量的原理，得到电路方程：
式(1)中，i为平板电极感应的位移电流；U为测量系统的输出电压；R为阻抗变换器的输入阻抗；C为平板电极传感器的电容；A为平板电极传感器的等效面积；D＝εE，其中D为电位移或者电感应强度，其中E为待测电场强度，其中ε为平板电极间介质的介电常数，t为对应时刻。
由于阻抗变换器的输入阻抗R达到1GΩ以上，可以忽略方程左侧的第二项，从而有：
由式(2)可知，输出电压信号与待测电场成简单的线性关系。当电压信号输出至示波器，如果示波器输入阻抗设为1MΩ，则示波器端的测量信号即为如果示波器输入阻抗设为50Ω，则示波器端的测量信号幅值减半。本发明的实施方式，由于阻抗变换器实现了非常大的输入阻抗，并将高阻抗的电压信号转为低阻抗的电压信号输出，使得输出电压信号与所测电场为线性关系，不需要进行信号的积分，能够实现频段范围为0.5Hz至200MHz频率地面电场的准确测量。优选地，本发明的实施方式，可以进行变电站开关操作形成的频率为0.5Hz至200MHz瞬态地面电场的测量。
图2为根据本发明实施方式的阻抗变换器原理示意图。优选地，本发明实施方式阻抗变换器是基于运算放大器实现的，运算放大器是高速放大器，响应速率需不低于400MHz，输入阻抗不低于1GΩ，输出阻抗为50Ω。如图2所示，基于运算放大器的跟随器电路，输出电压幅值等于输入电压幅值。阻抗变换器不限于跟随器电路，也可以是放大电路，只要满足输入阻抗不低于1GΩ，输出阻抗为50Ω，且输出电压与输入电压成线性关系即可。优选地，本发明实施方式利用阻抗变换器配合平板电极电场传感器的使用，利用基于高速运算放大器实现不低于1GΩ的输入阻抗和50Ω的输出阻抗，从而实现阻抗变换，扩展了平板电极电场传感器的低频响应带宽。
图3为根据本发明一实施方式一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统结构图。本发明提出的一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统300，包括平板电极传感器301，阻抗变换器302，示波器303。平板电极传感器301与阻抗变换器302相连接，阻抗变换器302与示波器303相连接。通过阻抗变换器302将实现了非常大的输入阻抗，并将高阻抗的电压信号转为低阻抗的电压信号输出，且输出电压与输入电压成线性关系，扩展了平板电极传感器301的低频响应带宽。
如图3所示，其中平板电极传感器301，用于在变化的电场中感应位移电流，位移电流流经平板电极电容和并联的阻抗变换器302的输入阻抗，形成高阻抗的电压信号。
优选地，阻抗变换器302，将高阻抗的电压信号变换为低阻抗的电压信号输出，低阻抗的电压信号输出至示波器303。阻抗变换器302的响应速率高于400MHz，输入阻抗高于1GΩ，输出阻抗为50Ω；阻抗变换器302满足输出电压与输入电压成线性关系。
优选地，阻抗变换器302通过同轴电缆传输电压信号，同轴电缆特征阻抗为50Ω。
优选地，示波器303，用于进行电压信号的采集和记录。示波器303采样率不低于400MHz，输入阻抗为50Ω或者1MΩ。通过示波器303采集的电压信号，利用图1中实施方式中的公式(2)，推导出电场强度。
优选地，本发明实施方式系统300用于测量电场的频率范围为0.5Hz至200MHz。
优选地，本发明的实施方式，可以进行变电站开关操作形成的频率为0.5Hz至200MHz瞬态地面电场的测量。
本发明提出的实施方式，通过阻抗变换器，实现了非常大的输入阻抗，并将高阻抗的电压信号转为低阻抗的电压信号输出，实现了低频段输出电信号与所测量电场的线性关系，实现了宽频带地面电场的准确测量。
图4为根据本发明又一实施方式一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统结构图。本发明提出的一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统400，包括平板电极传感器401，阻抗变换器402，光发射器403，光接收器404，示波器405、同轴电缆、光纤。本发明的实施方式，平板电极传感器401与阻抗变换器402相连，阻抗变换器402通过同轴电缆与光发射器403相连，光发射器403通过光纤与光接收器404相连，光接收器404与示波器405相连。本发明的实施方式，通过阻抗变换器402将平板电极传感器401输入的高阻抗电压信号变换为输出的低阻抗电压信号，且输出电压与输入电压成线性关系，扩展了平板电极电场传感器的低频响应带宽。阻抗变换器402通过同轴电缆与光发射器相连，光发射器403通过光纤与光接收器404相连，通过光纤传输光信号，由于光纤传输不会受到变电站复杂电磁环境的干扰，实现了变电站现场远距离测量与数据传输。光接收器404通过同轴电缆将电压信号输出至示波器405，实现电场强度的测量。
优选地，平板电极传感器401，用于在变化的电场中感应位移电流，位移电流流经平板电极电容和并联的阻抗变换器402的输入阻抗，形成高阻抗的电压信号。
优选地，阻抗变换器402，将高阻抗的电压信号变换为低阻抗的电压信号输出。阻抗变换器402的响应速率高于400MHz，输入阻抗高于1GΩ，输出阻抗为50Ω；阻抗变换器402满足输出电压与输入电压成线性关系。
优选地，阻抗变换器402通过同轴电缆传输电压信号，同轴电缆特征阻抗为50Ω。
优选地，光发射器403，用于将接收的电压信号转换为光信号，并通过光纤输出光信号至光接收器404。阻抗变换器402通过同轴电缆相连与光发射器相连，光发射器通过光纤与光接收器404相连。
优选地，光接收器404用于将光信号转换为电压信号，并输出至示波器405；优选地，光接收器通过同轴电缆连接示波器405，同轴电缆特征阻抗为50Ω。
优选地，示波器405，用于进行电压信号的采集和记录。示波器405采样率不低于100MHz，输入阻抗为50Ω或者1MΩ。通过示波器405采集的电压信号，利用图1中实施方式中的公式(2)，推导出电场强度。
优选地，本发明实施方式系统400用于测量电场的频率范围为0.5Hz至200MHz。
优选地，本发明的实施方式，可以进行变电站开关操作形成的频率为0.5Hz至200MHz瞬态地面电场的测量。
本发明提出的实施方式，通过阻抗变换器，实现了非常大的输入阻抗，并将高阻抗的电压信号转为低阻抗的电压信号输出，实现了低频段输出电信号与所测量电场的线性关系，实现了宽频带地面电场的准确测量。本发明实施方式通过光纤传输光信号，由于光纤传输不会受到变电站复杂电磁环境的干扰，实现了变电站现场远距离测量与数据传输。
图5为根据本发明又一实施方式一种用于对瞬态地面电场进行测量的方法流程图。方法500通过阻抗变换器将平板电极传感器输入的高阻抗电压信号变换为低阻抗电压信号输出，且输出电压与输入电压成线性关系，扩展了平板电极电场传感器的低频响应带宽。
优选地，在步骤501，利用平板电极传感器在变化的电场中感应位移电流，位移电流流经平板电极电容和并联的阻抗变换器输入阻抗，形成高阻抗的电压信号。
优选地，在步骤502，将接收的高阻抗的电压信号变换为低阻抗的电压信号输出。
优选地，在步骤503，进行电压信号的采集和记录。
优选地，本发明实施方式用于测量电场的频率范围为0.5Hz至200MHz。
优选地，本发明的实施方式，可以进行变电站开关操作形成的频率为0.5Hz至200MHz瞬态地面电场的测量。
优选地，本发明的实施方式，阻抗变换器响应速率高于400MHz，其输入阻抗高于1GΩ，输出阻抗为50Ω；阻抗变换器满足输出电压与输入电压成线性关系。
优选地，本发明的实施方式，通过同轴电缆传输低阻抗电压信号，同轴电缆特征阻抗为50Ω。
本发明实施方式一种用于对瞬态地面电场进行测量的方法500与本发明另一实施方式一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统300相对应，在此不再进行赘述。
图6为根据本发明又一实施方式一种用于对瞬态地面电场进行测量的方法流程图。本发明的实施方式，通过阻抗变换器将平板电极传感器输入的高阻抗电压信号变换为输出的低阻抗电压信号，且输出电压与输入电压成线性关系，扩展了平板电极电场传感器的低频响应带宽。阻抗变换器通过同轴电缆与光发射器相连，光发射器通过光纤与光接收器相连，通过光纤传输光信号，由于光纤传输不会受到变电站复杂电磁环境的干扰，实现了变电站现场远距离测量与数据传输。光接收器通过同轴电缆将电信号输出至示波器，实现电场强度的测量。
如图6所示，方法600从步骤601开始，优选地，在步骤601，利用平板电极传感器在变化的电场中感应位移电流，位移电流流经平板电极电容和并联的阻抗变换器输入阻抗，形成高阻抗的电压信号。
优选地，在步骤602，将接收的高阻抗的电压信号变换为低阻抗的电压信号输出。
优选地，在步骤603，将接收的电压信号转换为光信号并输出。
优选地，在步骤604，将光信号转换为电压信号。
优选地，在步骤605，进行电压信号的采集和记录。
优选地，本发明实施方式用于测量电场的频率范围为0.5Hz至200MHz。
优选地，本发明的实施方式，可以进行变电站开关操作形成的频率为0.5Hz至200MHz瞬态地面电场的测量。
优选地，本发明的实施方式，阻抗变换器响应速率高于400MHz，其输入阻抗高于1GΩ，输出阻抗为50Ω；阻抗变换器满足输出电压与输入电压成线性关系。
优选地，本发明的实施方式，通过同轴电缆传输低阻抗电压信号，同轴电缆特征阻抗为50Ω。
本发明实施方式一种用于对瞬态地面电场进行测量的方法600与本发明另一实施方式一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统400相对应，在此不再进行赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (12)
1.一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统，所述系统包括：
平板电极传感器，用于感应地面处瞬态电场产生位移电流，位移电流流经平板电极电容和并联的阻抗变换器输入阻抗，形成高阻抗的电压信号；
所述阻抗变换器，将高阻抗的电压信号变换为低阻抗的电压信号输出，低阻抗的电压信号输出至示波器；
所述示波器，用于进行所述电信号的采集和记录。
2.一种用于对瞬态地面电场进行测量的系统，所述系统包括：
平板电极传感器，用于感应地面处瞬态电场产生位移电流，位移电流流经平板电极电容和并联的阻抗变换器输入阻抗，形成高阻抗的电压信号；
所述阻抗变换器，将高阻抗的电压信号变换为低阻抗的电压信号输出，低阻抗的电压信号输出至示波器；
所述光发射器，用于将接收的电压信号转换为光信号，并经光纤输出所述光信号至光接收器；
所述光接收器用于将光信号转换为电压信号，并输出至示波器；
示波器，用于进行所述电压信号的采集和记录。
3.根据权利要求1或2所述的系统，所述系统用于测量电场的带宽为0.5Hz至200MHz。
4.根据权利要求1或2所述的系统，所述阻抗变换器由高速运算放大器实现，其响应速率高于400MHz，输入阻抗高于1GΩ，输出阻抗为50Ω；所述阻抗变换器满足输出电压与输入电压成线性关系。
5.根据权利要求1或2所述的系统，所述通过同轴电缆传输电压信号，所述同轴电缆特征阻抗为50Ω。
6.根据权利要求2所述的系统，所述示波器采样率高于400MHz，输入阻抗为50Ω或1MΩ。
7.一种用于对瞬态地面电场进行测量的方法，所述方法包括：
利用平板电极传感器感应地面处瞬态电场产生位移电流，位移电流流经平板电极电容和并联的阻抗变换器输入阻抗，形成高阻抗的电压信号；
将高阻抗的电压信号变换为低阻抗的电压信号输出；
进行所述低阻抗的电压信号的采集和记录。
8.一种用于对瞬态地面电场进行测量的方法，所述方法包括：
利用平板电极传感器感应地面处瞬态电场产生位移电流，位移电流流经平板电极电容和并联的阻抗变换器输入阻抗，形成高阻抗的电压信号；
将高阻抗的电压信号变换为低阻抗的电压信号输出；
将接收的低阻抗的电压信号转换为光信号并输出；
将光信号转换为电压信号；
进行所述电压信号的采集和记录。
9.根据权利要求7或8所述的方法，所述方法用于测量电场的带宽为0.5Hz至200MHz。
10.根据权利要求7或8所述的方法，所述阻抗变换器的响应速率高于400MHz，输入阻抗高于1GΩ，输出阻抗为50Ω；所述阻抗变换器满足输出电压与输入电压成线性关系。
11.根据权利要求7或8所述的方法，所述电压信号通过同轴电缆传输，所述同轴电缆特征阻抗为50Ω。
12.根据权利要求8所述的方法，所述示波器采样率高于400MHz，输入阻抗为50Ω或1MΩ。
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