CN106872795A - 一种用于对瞬态空间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空间电场进行测量的系统及方法,包括:双平板电极传感器用于感应瞬态空间电场以产生幅值相同、相位相反的一对位移电流;阻抗变换器,用于将位移电流变换为两路低阻抗的电压信号;平衡‑不平衡变换器,用于将两路低阻抗的电压信号进行信号差分,并输出差分后的低阻抗的电压信号;示波器,用于采集和记录差分后的低阻抗的电压信号。本发明的技术方案,通过阻抗变换器使双平板电极传感器连接的阻抗趋近无穷大,使得低频段输出电信号与测量电场成线性关系,无需进行信号的积分即可实现瞬态空间电场的准确测量,同时引入平衡‑不平衡变换器,实现输入信号的差分,提高共模抑制比,解决瞬态空间电场测量的共模骚扰问题。
Description
技术领域
本发明涉及电场测量领域,并且更具体地,涉及一种用于对瞬态空间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,形成瞬态空间电场,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,形成的空间电场频率更高,典型范围在50MHz以内。由于开关操作过程中,母线会出现准直流(0.1Hz)的残压,因此实际空间电场的低频不仅为工频,而应该达到准直流。与架空母线或套管距离越近,空间电场幅值越大,测量系统的测量幅值通常要求达到100kV/m。因此,对用于变电站开关操作形成的瞬态空间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100kV/m,测量频率范围包括0.1Hz~50MHz。
对于瞬态空间电场测量,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100kV/m的幅值,电学和光学两类方法通常都可以满足,但是实现0.1Hz~50MHz频率范围的电场测量难度很大。
基于电学方法的电场传感器通常采用基于平板电极或电偶极子天线,两者在高频响应均可达GHz。平板电极传感器在很宽的频谱内测量电场时,输出为电场的微分信号,需要连接积分器,得到时域电场响应,但由于涉及电场的微分,低频时传感器输出幅值小,信噪比低,系统低频响应不好;电偶极子天线在低频时响应小,也难以得到理想的低频响应。
光学方法包括基于介质吸收损耗变化和基于介质折射率变化两类,基于介质吸收损耗变化分为电致吸收效应和电致变色效应两种,基于介质折射率变化分为克尔效应和泡克尔斯效应两种。基于电致吸收效应的电场传感器对原场干扰大;基于电致变色效应的电场传感器动态响应差;基于克尔效应的电场传感器灵敏度低;基于泡克尔斯效应的电场传感器最适合进行瞬态电场的测量。但目前常用的基于泡克尔斯效应的电场传感器对温度、湿度太敏感,测量稳定性差。
因此,需要一种技术,以解决频带为0.1Hz~50MHz频率范围的电场测量问题。
发明内容
为了解决上述问题,根据本发明的一方面,提供一种用于对瞬态空间电场进行测量的系统,包括:
双平板电极传感器,用于感应瞬态空间电场以产生幅值相同、相位相反的一对位移电流;
阻抗变换器,用于将所述位移电流变换为两路低阻抗的电压信号;
平衡-不平衡变换器,用于将所述两路低阻抗的电压信号进行信号差分,并输出差分后的低阻抗的电压信号;以及
示波器,用于采集和记录差分后的低阻抗的电压信号。
基于本发明的一实施方式,本发明提供了一种用于对瞬态空间电场进行测量的系统,包括:
双平板电极传感器,用于感应瞬态空间电场以产生幅值相同、相位相反的一对位移电流;
阻抗变换器,用于将所述位移电流变换为两路低阻抗的电压信号;
平衡-不平衡变换器,用于将所述两路低阻抗的电压信号进行信号差分,并输出差分后的低阻抗的电压信号;
衰减器,用于将差分后的低阻抗的电压信号衰减至光发射器的额定输入范围内;
光发射器,用于将衰减后的电压信号转换为光信号,并经光纤输出所述光信号;
光接收器,用于将所述光信号转换为电压信号;
示波器,用于采集和记录所述电压信号。
优选地,所述系统用于测量频带为0.1Hz~50MHz的电场。
优选地,所述阻抗变换器由运算放大器实现,其响应速率高于100MHz,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,所述同轴电缆的特征阻抗为50Ω。
优选地,所述示波器采样率高于100MHz,输入阻抗为50Ω或1MΩ。
根据本发明的另一方面,提供一种用于对瞬态空间电场进行测量的方法,所述方法包括:
利用双平板电极传感器感应瞬态空间电场以产生幅值相同、相位相反的一对位移电流;
将位移电流变换为两路低阻抗的电压信号输出;
将两路低阻抗的电压信号进行信号差分后输出;以及
对所述差分后的两路低阻抗的电压信号进行采集和记录。
基于本发明的一实施方式,本发明提供了一种用于对瞬态空间电场进行测量的方法,所述方法包括:
利用双平板电极传感器感应瞬态空间电场以产生幅值相同、相位相反的一对位移电流;
将位移电流变换为两路低阻抗的电压信号输出;
将两路低阻抗的电压信号进行信号差分后输出;
将差分后的两路低阻抗的电压信号衰减至光发射器的额定输入范围后输出;
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,所述系统用于测量频带为0.1Hz~50MHz的电场。
优选地,所述阻抗变换器由运算放大器实现,其响应速率高于100MHz,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,所述同轴电缆的特征阻抗为50Ω。
优选地,所述示波器采样率高于100MHz,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,可以使双平板电极传感器的连接的阻抗趋近无穷大,大幅增加双平板电极传感器放电时间常数,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,不需要进行信号的积分,实现了瞬态空间电场的准确测量,同时引入平衡-不平衡变换器,实现输入信号的差分,提高了共模抑制比,从而解决了瞬态空间电场测量最常见的共模骚扰问题。
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为根据本发明一优选实施例一种用于对瞬态空间电场进行测量的系统结构图;
图2为根据本发明又一优选实施例一种用于对瞬态空间电场进行测量的系统结构图;
图3为根据本发明优选实施例的一种用于对瞬态空间电场进行测量的系统电路原理示意图;
图4为根据本发明优选实施例的阻抗变换器原理示意图;
图5为根据本发明一优选实施例一种用于对瞬态空间电场进行测量的方法流程图;
图6为根据本发明又一优选实施例一种用于对瞬态空间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为根据本发明一优选实施例一种用于对瞬态空间电场进行测量的系统结构图。如图1所示,本发明提出的瞬态空间电场测量系统100可以包括双平板电极传感器101、阻抗变换器102、平衡-不平衡变换器103以及示波器104。其中,双平板电极传感器101与阻抗变换器102相连,阻抗变换器102与平衡-不平衡变换器103相连,平衡-不平衡变换器103与示波器104相连。本发明的优选实施例通过阻抗变换器102,可以使双平板电极传感器101连接的阻抗趋近无穷大,大幅增加双平板电极传感器101的放电时间常数,扩展了测量系统100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,同时使用平衡-不平衡变换器103实现输入信号的差分,提高了共模抑制比。
如图1所示,双平板电极传感器101用于感应瞬态空间电场以产生幅值相同、相位相反的一对位移电流。
优选地,阻抗变换器102用于将位移电流变换为两路低阻抗的电压信号。优选地,位移电流首选流经阻抗变换器102的输入电阻形成两路高阻抗的电压信号,两路高阻抗的电压信号流经输出阻抗后变换为两路低阻抗的电压信号输出,两路低阻抗的电压信号输出至平衡-不平衡变换器103。且所述阻抗变换器102由运算放大器实现,其响应速率高于100MHz,输入阻抗高于1GΩ,输出阻抗为50Ω。
优选地,平衡-不平衡变换器103用于将两路低阻抗的电压信号进行信号差分,并输出差分后的低阻抗的电压信号。
优选地,用于采集和记录差分后的低阻抗的电压信号。且示波器104的采样率高于100MHz,输入阻抗为50Ω或1MΩ。
优选地,所述电压信号通过同轴电缆传输,所述同轴电缆的特征阻抗为50Ω。
优选地,所述系统用于测量频带为0.1Hz~50MHz的电场。
图2为根据本发明又一优选实施例一种用于对瞬态空间电场进行测量的系统结构图。本发明提出的又一优选实施例测量系统200主要包括双平板电极传感器201、阻抗变换器202、平衡-不平衡变换器203、衰减器204、光发射器205、光接收器206以及示波器207。其中,双平板电极传感器201与阻抗变换器202相连,阻抗变换器202与平衡-不平衡变换器203相连,平衡-不平衡变换器203与衰减器204相连,衰减器204与光发射器205相连,光发射器205通过光纤与光接收器206连接,光接收器206与示波器207相连。
其中,双平板电极传感器201用于感应瞬态空间电场以产生幅值相同、相位相反的一对位移电流,位移电流流经双平板电极传感器201和与双平板电极传感器201并联的阻抗变换器输入阻抗,形成两路高阻抗的电压信号.
优选地,阻抗变换器202用于将位移电流变换为两路低阻抗的电压信号。优选地,位移电流首选流经阻抗变换器202的输入电阻形成两路高阻抗的电压信号,两路高阻抗的电压信号流经输出阻抗后变换为两路低阻抗的电压信号输出,两路低阻抗的电压信号输出至平衡-不平衡变换器203。且阻抗变换器202由运算放大器实现,其响应速率高于100MHz,输入阻抗高于1GΩ,输出阻抗为50Ω。
优选地,平衡-不平衡变换器203用于将两路低阻抗的电压信号进行信号差分,并输出差分后的低阻抗的电压信号。
优选地,衰减器204用于将差分后的低阻抗的电压信号衰减至光发射器的额定输入范围内,并将衰减后的低阻抗电压信号发送至光发射器205。
优选地,光发射器205用于将衰减后的电压信号转换为光信号,并经光纤输出光信号。
优选地,光接收器206用于将光信号转换为电压信号。
优选地,示波器207用于采集和记录所述电压信号,且示波器的采样率高于100MHz,输入阻抗为50Ω或1MΩ。本发明的优选实施例通过阻抗变换器202,可以使双平板电极传感器201的并联输入阻抗趋近无穷大,大幅增加双平板电极传感器201放电时间常数,扩展了测量系统200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,同时使用平衡-不平衡变换器203实现输入信号的差分,提高了共模抑制比。且使用光纤作为信号的传输介质,使传输过程不受变电站复杂电磁环境的干扰,实现了在变电站现场的远距离测量。
图3为根据本发明优选实施例的一种用于对瞬态空间电场进行测量的系统电路原理示意图。如图3所示,根据本发明优选实施例,基于双平板电极电场测量系统的原理图,得到电路方程:
式(1)中,i为双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为双平板电极传感器的电容值;A为双平板电极的等效面积;D=εE,称为电位移或者电感应强度,其中E为待测电场强度,ε为平板电极间介质的介电常数。
由于阻抗变换器的输入阻抗R达到1GΩ以上,因此可以忽略方程左侧的第二项,从而有:
对于双平板电极,其每个电极输出信号则分别为:
由平衡-不平衡变换器实现信号的差分,输出为:
由式(5)可知,输出电压信号与待测空间电场成简单的线性关系。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。
优选地,如果传输的光纤过长,则还需根据实际情况考虑光纤传输过程的衰减,一般衰减在1dB以内,测量结果进行相应补偿即可。
图4为根据本发明优选实施例的阻抗变换器原理示意图。如图4所示,本发明的优选实施方式的阻抗变换器是基于运算放大器实现的。优选地,所述运算放大器为高速放大器,采集频率高于100MHz,输入阻抗不低于1GΩ,输出阻抗为50Ω。如图4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。
图5为根据本发明一优选实施例一种用于对瞬态空间电场进行测量的方法流程图。如图5所示,测量方法500从步骤501开始,在步骤501中,利用双平板电极传感器感应瞬态空间电场以产生幅值相同、相位相反的一对位移电流。
优选地,在步骤502中,将位移电流变换为两路低阻抗的电压信号输出。
优选地,在步骤503中,将两路低阻抗的电压信号进行信号差分后输出。
优选地,在步骤504中,对差分后的两路低阻抗的电压信号进行采集和记录。
优选地,本发明的优选实施例测量方法500用于测量用于测量频带为0.1Hz~50MHz的电场。
优选地,本发明的优选实施例测量方法500中阻抗变换器由运算放大器实现,其响应速率高于100MHz,输入阻抗高于1GΩ,输出阻抗为50Ω,且阻抗变换器满足输出电压与输入电压成线性关系。
优选地,本发明的优选实施例测量方法500中的电压信号通过同轴电缆传输,且同轴电缆的特征阻抗为50Ω。优选地,本发明的优选实施例测量方法500中的示波器采样率高于100MHz,输入阻抗为50Ω或1MΩ。
本发明的优选实施例测量方法500与本发明的另一优选实施例测量系统100相对应,在此不再进行赘述。
图6为根据本发明又一优选实施例一种用于对瞬态空间电场进行测量的方法流程图。如图6所示,测量方法600从步骤601开始,在步骤501中,利用双平板电极传感器感应瞬态空间电场以产生幅值相同、相位相反的一对位移电流。
优选地,在步骤602中,将位移电流变换为两路低阻抗的电压信号输出。
优选地,在步骤603中,将两路低阻抗的电压信号进行信号差分后输出。
优选地,在步骤604中,将差分后的两路低阻抗的电压信号衰减至光发射器的额定输入范围后输出。
优选地,在步骤605中,将接收的低阻抗的电压信号转换为光信号并输出。
优选地,在步骤606中,将光信号转换为电压信号。
优选地,在步骤607中,进行所述电压信号的采集和记录。
优选地,本发明的优选实施例测量方法600用于测量频带为0.1Hz~50MHz的电场。
优选地,本发明的优选实施例测量方法600中阻抗变换器由运算放大器实现,其响应速率高于100MHz,输入阻抗高于1GΩ,输出阻抗为50Ω,且阻抗变换器满足输出电压与输入电压成线性关系。
优选地,本发明的优选实施例测量方法600中的电压信号通过同轴电缆传输,且同轴电缆的特征阻抗为50Ω。
优选地,本发明的优选实施例测量方法600中的示波器采样率高于100MHz,输入阻抗为50Ω或1MΩ。
本发明的优选实施例测量方法600与本发明的另一优选实施例测量系统200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)
1.一种用于对瞬态空间电场进行测量的系统,包括:
双平板电极传感器,用于感应瞬态空间电场以产生幅值相同、相位相反的一对位移电流;
阻抗变换器,用于将所述位移电流变换为两路低阻抗的电压信号;
平衡-不平衡变换器,用于将所述两路低阻抗的电压信号进行信号差分,并输出差分后的低阻抗的电压信号;以及
示波器,用于采集和记录差分后的低阻抗的电压信号。
2.一种用于对瞬态空间电场进行测量的系统,包括:
双平板电极传感器,用于感应瞬态空间电场以产生幅值相同、相位相反的一对位移电流;
阻抗变换器,用于将所述位移电流变换为两路低阻抗的电压信号;
平衡-不平衡变换器,用于将所述两路低阻抗的电压信号进行信号差分,并输出差分后的低阻抗的电压信号;
衰减器,用于将差分后的低阻抗的电压信号衰减至光发射器的额定输入范围内;
光发射器,用于将衰减后的电压信号转换为光信号,并经光纤输出所述光信号;
光接收器,用于将所述光信号转换为电压信号;
示波器,用于采集和记录所述电压信号。
3.根据权利要求1或2所述的系统,所述系统用于测量频带为0.1Hz~50MHz的电场。
4.根据权利要求1或2所述的系统,所述阻抗变换器由运算放大器实现,其响应速率高于100MHz,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,所述电压信号通过同轴电缆传输,所述同轴电缆的特征阻抗为50Ω。
6.根据权利要求2所述的系统,所述示波器采样率高于100MHz,输入阻抗为50Ω或1MΩ。
7.一种用于对瞬态空间电场进行测量的方法,所述方法包括:
利用双平板电极传感器感应瞬态空间电场以产生幅值相同、相位相反的一对位移电流;
将位移电流变换为两路低阻抗的电压信号输出;
将两路低阻抗的电压信号进行信号差分后输出;以及
对所述差分后的两路低阻抗的电压信号进行采集和记录。
8.一种用于对瞬态空间电场进行测量的方法,所述方法包括:
利用双平板电极传感器感应瞬态空间电场以产生幅值相同、相位相反的一对位移电流;
将位移电流变换为两路低阻抗的电压信号输出;
将两路低阻抗的电压信号进行信号差分后输出;
将差分后的两路低阻抗的电压信号衰减至光发射器的额定输入范围后输出;
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,所述系统用于测量频带为0.1Hz~50MHz的电场。
10.根据权利要求7或8所述的方法,所述阻抗变换器由运算放大器实现,其响应速率高于100MHz,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,所述同轴电缆的特征阻抗为50Ω。
12.根据权利要求8所述的方法,所述示波器采样率高于100MHz,输入阻抗为50Ω或1MΩ。
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