CN113917242A - 一种导体电晕放电电场非介入测量系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导体电晕放电电场非介入测量系统及其应用。该系统包括：特征光谱探测阵列，用于采集不同时刻下导体在电晕放电过程中一径向方向上产生的多组光信号并处理，得到不同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据；数据采集模块，用于同步接收相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据，并将相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据传输至电场数据计算模块；电场数据计算模块，用于将接收到的每个相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据分别通过Abel逆变换算法和基于发射光谱双谱线比值法的电场反演模型，计算得到导体在不同时刻下一径向方向上的电场强度分布。本发明具备高时间和高空间分辨能力，同时不会对被测电场造成畸变，测量误差小。
Description
技术领域
本发明属于导体电晕放电电场测量技术领域，更具体地，涉及一种导体电晕放电电场非介入测量系统及其应用。
背景技术
高压输电线路的电磁环境问题是输电线路设计、建设和运行中所关注的关键问题。无论是直流还是交流输电线路，当导线表面电场强度超过空气的击穿场强时，导线表面都将出现电晕放电。输电线路产生的电晕放电不但会造成电量损耗，还会产生无线电干扰和可听噪声而对附近人民的生产生活产生影响。因此，为了控制高压输电线路电晕放电产生的危害，需要严格控制线路导体表面电场从而抑制电晕放电的电磁环境效应。长期以来，除了进行理论计算，导线表面电场只能根据实验获得的起晕电压进行间接推算，工程上缺乏高压导体表面电场的实测方法。
测量由高电压电极或者放电空间电荷引起的空间不均匀电场分布的准确测量一直是高电压与绝缘技术领域面临的难点问题。早期，国外研发出基于感应电极式电场测量系统，其前端传感器通常为球形或平板感应电极，辅以有源信号调理电路并采用光纤通讯。从自20世纪80年代，我国学者开始自主研究基于感应电极原理的电场测量传感器，并成功研发出相应的电场测量系统，其前端传感器几何尺寸通常为十数厘米，电场测量范围约为0.1-100kV/m，测量带宽可达数十兆赫兹。感应电极型电场传感器原理简单、性能稳定，目前仍广泛应用于电网工频电磁环境控制和研究，但是其传感器几何尺寸大、且包含金属电极，对被测电场存在畸变，比较适用于地面附近均匀和稍不均匀电场的测量。为了满足直流输电线路地面合成电场的测量需求，学者们基于感应电极电场测量原理，研发出场磨式直流电场测量系统。其通过设置定片电极和旋转电极，将直流电场转化为电极间的感应电流进行测量。虽然场磨式直流电场测量系统在高压直流线路地面合成电场和雷暴临近地面电场测量中得到广泛应用，但其同样具有几何尺寸大、感应电极对被测电场畸变明显的问题，难以适用于极不均匀电场分布的测量。
20世纪80年代，日本学者开始探索基于泡克尔斯电光效应(Pockels effect)的电场测量方法。其基本原理是利用电光晶体的双折射现象，在电场作用下电光晶体两个主折射率之差Δn与外电场场强E成正比：
Δn＝ne-no＝rE (1)
其中，r为线性电光系数。此后，国内外学者围绕电光晶体特性、集成化光学电场传感器的研发与应用开展了大量研究工作。考虑到晶体材料的灵敏度系数、温度特性，2019年，西安交通大学的学者选择BGO晶体作为电场传感器的Pockels晶体，提出了一种基于BGO晶体的电光调制电场测量方法。相较传统的感应电极电场测量方法，基于电光效应的电场测量传感器具有绝缘性能好、响应速度快、对被测电场影响小等优势，但是，无论是基于分离光学器件结构或是集成光波导封装的电光效应电场传感器的几何尺寸通常在cm量级，在一定距离上，其周边空间电场分布必然会受到其形状的影响，属于介入式电场测量手段，难以实现极不均匀电场的空间分布测量。除此之外，被测电场内空间自由电荷的存在及其在传感晶体表面的积聚，也会影响晶体内电场分布。
因此，现有的介入式电场测量方法如感应电极式电场测量系统或基于Pockels效应的电光传感器，均无法适用于高压导体表面电场强度的测量。目前高压交直流输电线路导线表面电场测量方法的研究主要存在以下几方面挑战：
1、现有的介入式电场测量技术，如感应电极式电场测量系统或基于Pockels效应的电光传感器，受介入式电场探头几何尺寸的制约其空间分辨能力不能满足测量的要求。
2、高压交直流输电线路导线表面存在复杂的电离反应，形成的空间电荷会在介入式电场探头表面积聚，从而增加电场测量误差。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种导体电晕放电电场非介入测量系统及其应用，具备高时间和高空间分辨能力，同时不会对导体放电本身造成影响，测量误差小。
为实现上述目的，本发明提供了一种导体电晕放电电场非介入测量系统，包括特征光谱探测阵列、数据采集模块和电场数据计算模块，其中，
所述特征光谱探测阵列，用于采集不同时刻下导体在电晕放电过程中一径向方向上产生的多组光信号，并将所述多组光信号进行处理，得到不同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据；
所述数据采集模块，用于同步接收相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据，并将所述相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据传输至所述电场数据计算模块；
所述电场数据计算模块，用于将接收到的每个相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据分别通过Abel逆变换算法和基于发射光谱双谱线比值法的电场反演模型，计算推导得到所述导体在不同时刻下一径向方向上的电场强度分布。
在其中一个实施例中，所述特征光谱探测阵列，还用于采集导体正常状态下在所述径向方向上的多组背景光信号，并将所述多组背景光信号处理为对应的多组背景光强电信号数据，通过所述数据采集模块传输至所述电场数据计算模块；
所述电场数据计算模块，用于将接收到的每个相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据分别减去对应位置处的背景光强电信号数据后，通过Abel逆变换算法和基于发射光谱双谱线比值法的电场反演模型，计算推导得到所述导体在不同时刻下一径向方向上的电场强度分布。
在其中一个实施例中，每组特征光强峰值电信号数据均包括波长为391.4nm和394.3nm的两种特征光强峰值电信号值；所述发射光谱双谱线比值法的计算式为：
式中，R391/394为每组特征光强峰值电信号数据中波长为391.4nm和394.3nm的特征光强峰值电信号值的比值，
为约化电场强度值。
在其中一个实施例中，所述特征光谱探测阵列包括多组特征光谱探测单元，每组特征光谱探测单元均包括准直透镜、光纤、窄带滤光片和光电倍增管，所述准直透镜依次通过所述光纤、所述窄带滤光片与所述光电倍增管相连。
在其中一个实施例中，所述窄带滤光片采用中心波长分别为391.4nm和394.3nm的窄带滤光片，所述窄带滤光片的半带宽为0.5nm。
在其中一个实施例中，所述准直透镜采用圆形凸透镜。
在其中一个实施例中，所述光纤采用石英光纤。
第二方面，本发明提供了一种如上述所述的导体电晕放电电场非介入测量系统在对导线-同轴放电结构中导体电晕放电过程中的电场强度分布进行测量的应用。
第三方面，本发明提供了一种如上述所述的导体电晕放电电场非介入测量系统在对棒-板放电结构中导体电晕放电过程中的电场强度分布进行测量的应用。
总体而言，提供本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下技术效果：
(1)通过对高压导体直流电晕放电产生的发光信号进行采集，利用发射光谱双谱线比值法的基本原理，可实现对于电场参量的测量，具备显著的非介入特点，不会对放电对象本身产生影响；
(2)通过本发明中设计构建的特征光谱探测阵列模块，使得该测量系统具备高时间(ns精度)和高空间(mm精度)分辨能力；
(3)通过引入窄带滤光片(FWHM＝0.5nm)，同时实验过程中将放电光信号减去背景光信号，能够解决“日盲性”的问题，大幅减小背景光噪声的影响，使得该测量系统对各种复杂环境具有普适性；
(4)通过调整特征光谱探测阵列的排布方式，能够满足各种放电结构(包括但不限于导线-同轴结构、棒-板结构等)中高压导体电晕放电电场参量的测量，同时在电场测量空间分辨方面还能够从一维测量拓展实现二维测量，具有很强的工程应用性。
附图说明
图1是一实施例中导体电晕放电电场非介入测量系统的模块示意图；
图2是一实施例中导体电晕放电电场非介入测量系统的结构示意图；
图3是一实施例中输电线路电晕放电特征光谱探测阵列的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请先参阅图1，图1是本发明一实施例提供的导体电晕放电电场非介入测量系统的模块示意图，如图1所示，该系统包括特征光谱探测阵列10、数据采集模块20和电场数据计算模块30。
其中，特征光谱探测阵列10，包括多组特征光谱探测阵列单元，用于采集不同时刻下导体在电晕放电过程中一径向方向上产生的多组光信号，并将多组光信号进行处理，具体为分时、分光和光电转换等处理，得到不同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据。具体地，先通过分时处理得到不同时刻下的多组光强峰值信号，再通过分光处理得到不同时刻下的多组特征光强峰值信号，最后通过光电转换得到不同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据。
数据采集模块20，用于同步接收相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据，并将相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据传输至电场数据计算模块30。
电场数据计算模块30，用于将接收到的每个相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据分别通过Abel逆变换算法和基于发射光谱双谱线比值法的电场反演模型，计算推导得到导体在不同时刻下一径向方向上的电场强度分布。
需要说明的是，本实施例提供的电场反演模型，其基本原理为发射光谱双谱线比值法，即利用氮气第二正带系(second positive system，SPS)中和氮气分子离子第一负带系(first negative system，FNS)中的一波长谱线，通过这两个波长谱线强度的比值来计算约化电场强度值。也就是说，本实施例提供的每组特征光强峰值信号在进行分光处理后需获得两种特定波长的光强峰值信号，这两种特定波长分别为氮气第二正带系(secondpositive system，SPS)中和氮气分子离子第一负带系(first negative system，FNS)中的一波长谱线。
考虑到这两种波长若相差太大，使得特征光谱探测阵列中的各特征光谱探测单元无法做到一次性同时获得，增加了采集难度。为简化采集难度，本实施例提供的每组特征光强峰值信号在进行分光处理后需获得两种相近波长的光强峰值信号。综上两种因素可知，一、两种特征波长分别为氮气第二正带系(second positive system，SPS)中和氮气分子离子第一负带系(first negative system，FNS)中的一波长谱线；二、两种特征波长为相近的波长，由此确定这两种波长可选取为391.4nm和394.3nm。
相应地，本实施例提供的发射光谱双谱线比值法的计算公式为
其中，R391/394为每组特征光强峰值电信号数据中波长为391.4nm和394.3nm的特征光强峰值电信号值的比值；
为约化电场强度值。
本实施例提供的导体电晕放电电场非介入测量系统，采用特征光谱探测阵列，通过特征光谱探测阵列对不同时刻下导体电晕放电过程中一径向方向上的多组光信号进行采集，然后利用发射光谱双谱线比值法的基本原理，计算得到导体电场强度的时间和空间分布情况，具备高时间和高空间分辨能力。同时，相比于传统采用电场探头，本实施例采用的特制光谱探测阵列不会对被测电场造成畸变，测量误差小，准确度更高。
在一个实施例中，考虑到环境中的背景光对测量结果的影响，本实施例提供的特征光谱探测阵列10，还可用于采集导体正常状态下在径向方向上的多组背景光信号，并将多组背景光信号处理为对应的多组背景光强电信号数据，通过数据采集模块20传输至电场数据计算模块30。
电场数据计算模块30，用于将接收到的每个相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据分别减去对应位置处的背景光强电信号数据后，通过Abel逆变换算法和基于发射光谱双谱线比值法的电场反演模型，计算推导得到导体在不同时刻下一径向方向上的电场强度分布。
本实施例提供的导体电晕放电电场非介入测量系统，将采集到的每个相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据分别减去对应位置处的背景光强电信号数据，能够解决“日盲性”的问题，有效减小背景光噪声的影响，使得该测量系统对各种复杂环境具有普适性。
在一个具体的实施例中，如图2所示，图2为本发明一实施例提供的导体电晕放电电场非介入测量系统的结构示意图，包括特征光谱探测阵列10、数据采集模块20和电场数据计算模块30这三大部分。
其中，本实施例提供的特征光谱探测阵列10，包括多组特征光谱探测单元，每组特征光谱探测单元均包括准直透镜11、光纤12、窄带滤光片13以及光电倍增管14。其中，准直透镜11配合光纤12构建光纤准直镜，负责接收导体电晕放电过程中产生的光信号，并利用光纤12自身的绝缘效果，将光信号由远地端传输至近地端。
具体地，准直透镜11可采用圆形凸透镜，产生圆形平行光束。准直透镜11的直径尺寸根据测量要求可控制在mm量级，波长范围200～2500nm。准直透镜11的焦距视光纤12端部与准直透镜11的距离以及光纤12接收角参数而定。利用光纤准直镜可实现平行光束在光纤12端口处的汇聚。
光纤12可选用石英光纤，一端与准直透镜11连接构建光纤准直镜，另一端连接窄带滤光片13。
窄带滤光片13，或称超窄带宽滤光片，用于接收来自光纤12传输的光信号，并根据自身中心波长参数的不同，采集特定波段的光强信号。本实施例提供的窄带滤光片12可选用中心波长分别为391.4nm和394.3nm的窄带滤光片，其半带宽(FWHM)可定制为0.5nm，将光信号中的391.4nm和394.3nm这两种特征光信号分离出来。
光电倍增管14，将接收到的通过窄带滤光片13的两种特征光强信号中的峰值转换成对应的特征光强峰值电信号数据，经过数据采集模块20，最终传输至电场数据计算模块30。
通过特征光谱探测阵列中的一组准直透镜11、光纤12、窄带滤光片13以及光电倍增管14，可获取对于导体一径向方向某一固定点位置处391.4nm和394.3nm的两种特征光强峰值信号；同时利用光电倍增管14自身具备的ns级的时间响应(分辨)能力，能够分别获得这两种特征光强峰值信号随时间的变化情况。而利用多组准直透镜11、光纤12、窄带滤光片13以及光电倍增管14设计构建而成的特征光谱探测阵列，便可获得不同空间位置，特征光强峰值信号的时间演化规律。
本实施例提供的数据采集模块20，可采用多通道采集装置，具体可以为16通道采集装置，用于同步接收相同时刻下特征光谱探测阵列10传输过来的多组特征光强峰值电信号数据，满足同步数据采集需要。数据采集模块20具备同步低延时、高采样率、多通道高带宽数据传输的特点，并进一步将数据统一传输至电场数据计算模块30。
本实施例提供的电场数据计算模块30，将接收到的每个相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据分别通过Abel逆变换算法和基于发射光谱双谱线比值法的电场反演模型，计算推导得到导体在不同时刻下一径向方向上的电场强度分布，即电场强度的时空分布。
应该理解的是，本发明提供的导体电晕放电电场非介入测量系统，能满足各种放电结构中高压导体电晕放电电场参量的测量，比如导线-同轴结构、棒-板结构等，对于不同的放电结构只需通过调整特征光谱探测阵列中各特征光谱探测单元在导体表面附近的排布方式即可。下面以导线-同轴放电结构为例进行详细说明。
图3是本发明一实施例提供的输电线路电晕放电特征光谱探测阵列的结构示意图，如图3所示，该特征光谱探测阵列10具体包括准直透镜11、光纤12、窄带滤光片13以及光电倍增管14。
其中，准直透镜11，利用准直透镜外支撑结构连接光纤12远地端端部，光纤12近地端连接超窄带宽滤光片13，再通过光纤及转接装置连接到光电倍增管14。重复多组上述实验布置，便可实现输电线路电晕放电特征光谱探测阵列排布。特征光谱探测阵列10采集到的数据，通过数据采集模块20，最终传输至电场数据计算模块30，通过电晕放电特征光谱探测阵列10，可获得输电线路表面附近电场的空间分布及时间演化规律。
具体地，利用上述导体电晕放电电场非介入测量系统测量的方法主要通过以下具体步骤，依次实现固定位置电场测量、电场的时间分辨、电场的空间分辨。
步骤1，通过直流高压电源产生正极性直流电压施加于导线电极40，调节电压幅值，在导线表面产生直流电晕放电；利用数字示波器实时监测放电电压。
步骤2，在存在直流电晕放电的情况下，将多组准直透镜11、准直透镜外支撑结构、光纤12、窄带滤光片13和配合光电倍增管14整体统一进行阵列排布，即构建特征光谱探测阵列，组成一个矩形观测区域，排列在导线电极40的径向方向上，如图3所示。导线直流电晕放电会产生特定波段的两种特征光信号，即波长391.4nm和394.3nm的光，利用FWHM＝0.5nm的超窄带宽滤光片，选择不同的中心波长参数，便可以将两种特征光信号从光信号中分离出来。由此，特征光谱探测阵列10可对导线电极表面附近多个空间位置产生的波长为391.4nm和394.3nm特征光强信号进行同步采集，采集到的特征光强信号最终传至光电倍增管14。
步骤3，特征光谱探测阵列中每一个独立的光电倍增管14将接收到的光信号转换为对应的电信号后，利用光电倍增管14具备的纳秒级的时间响应能力，可分别获得391.4nm和394.3nm的光的峰值强度随时间的变化情况；通过数据采集模块20中的独立通道，进一步传输至电场数据计算模块30。
步骤4，在无电晕放电(不加压)的情况下，重复步骤2、步骤3的操作，获得不同空间位置处不同时刻的背景光信号，并转换为对应的背景光强电信号数据，经数据采集模块20传输至电场数据计算模块30。在电场数据计算模块30中，首先将步骤2得到的波长为391.4nm和394.3nm的特征光强峰值电信号数据分别各自减去对应的背景光强电信号数据，消除背景光噪声的干扰。
步骤5，由于特征光谱探测阵列10中，每一个独立的光电倍增管14最终接收到的信号是光线沿光程上光强的积分，因此在电场数据计算模块30中消除背景光噪声的干扰之后，其次，需要通过Abel逆变换算法重建出特征光强的径向分布。
步骤6，利用经过步骤4、步骤5操作后得到的不同空间位置、不同时刻下391.4nm和394.3nm的峰值光强结果，借助上述发射光谱双谱线比值法的计算公式，反演计算得到不同空间位置在不同时刻下的电场强度结果，实现对于高压导线表面附近电场测量的空间分辨和时间分辨。
需要说明的是，本实施例施加的直流电压幅值需大于对应实验条件下的起晕电压。
为保证测量系统的灵敏度，准直透镜11与光纤12远地端端部之间的距离，需要根据准直透镜11焦距9-36mm进行调节。
为提升系统空间分辨率，准直透镜11直径与准直透镜外支撑结构直径选择需要根据实际电晕放电电离区的厚度进行精确控制。若直径过大，则无法满足空间分辨率的要求。
为保证本实施例步骤2中测量到的391.4nm和394.3nm的峰值强度结果准确，并减少背景光噪声对于放电光信号的影响，对于窄带滤光片的FWHM具有严格要求，原则上以小于或等于0.5nm为宜。
本发明所提出的一种导体电晕放电电场非介入测量系统的关键点之一为利用特征光谱探测阵列10实现对于电晕放电特征光强的空间分辨和时间分辨，同时实现电场的非介入式测量。因此，基于发射光谱法，利用光谱仪配合ICCD相机等实验装置代替特征光谱探测阵列10，均能实现本发明的部分功能，因此均认为是本申请的替代方案。
综上，本发明提供的导体电晕放电电场非介入测量系统的有益效果为：
(1)通过对高压导体直流电晕放电产生的发光信号进行采集，利用发射光谱双谱线比值法的基本原理，可实现对于电场参量的测量，具备显著的非介入特点，不会对放电对象本身产生影响；
(2)通过本发明中设计构建的特征光谱探测阵列模块，使得该测量系统具备高时间(ns精度)和高空间(mm精度)分辨能力；
(3)通过引入窄带滤光片(FWHM＝0.5nm)，同时实验过程中将放电光信号减去背景光信号，能够解决“日盲性”的问题，大幅减小背景光噪声的影响，使得该测量系统对各种复杂环境具有普适性；
(4)通过调整特征光谱探测阵列的排布方式，能够满足各种放电结构(包括但不限于导线-同轴结构、棒-板结构等)中高压导体电晕放电电场参量的测量，同时在电场测量空间分辨方面还能够从一维测量拓展实现二维测量，具有很强的工程应用性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种导体电晕放电电场非介入测量系统，其特征在于，包括特征光谱探测阵列、数据采集模块和电场数据计算模块，其中，
所述特征光谱探测阵列，用于采集不同时刻下导体在电晕放电过程中一径向方向上产生的多组光信号，并将所述多组光信号进行处理，得到不同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据；
所述数据采集模块，用于同步接收相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据，并将所述相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据传输至所述电场数据计算模块；
所述电场数据计算模块，用于将接收到的每个相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据分别通过Abel逆变换算法和基于发射光谱双谱线比值法的电场反演模型，计算推导得到所述导体在不同时刻下一径向方向上的电场强度分布。
2.根据权利要求1所述的导体电晕放电电场非介入测量系统，其特征在于，
所述特征光谱探测阵列，还用于采集导体正常状态下在所述径向方向上的多组背景光信号，并将所述多组背景光信号处理为对应的多组背景光强电信号数据，通过所述数据采集模块传输至所述电场数据计算模块；
所述电场数据计算模块，用于将接收到的每个相同时刻下的多组特征光强峰值电信号数据分别减去对应位置处的背景光强电信号数据后，通过Abel逆变换算法和基于发射光谱双谱线比值法的电场反演模型，计算推导得到所述导体在不同时刻下一径向方向上的电场强度分布。
3.根据权利要求1或2所述的导体电晕放电电场非介入测量系统，其特征在于，每组特征光强峰值电信号数据均包括波长为391.4nm和394.3nm的两种特征光强峰值电信号值；所述发射光谱双谱线比值法的计算式为：
式中，R391/394为每组特征光强峰值电信号数据中波长为391.4nm和394.3nm的特征光强峰值电信号值的比值，
为约化电场强度值。
4.根据权利要求3所述的导体电晕放电电场非介入测量系统，其特征在于，所述特征光谱探测阵列包括多组特征光谱探测单元，每组特征光谱探测单元均包括准直透镜、光纤、窄带滤光片和光电倍增管，所述准直透镜依次通过所述光纤、所述窄带滤光片与所述光电倍增管相连。
5.根据权利要求4所述的导体电晕放电电场非介入测量系统，其特征在于，所述窄带滤光片采用中心波长分别为391.4nm和394.3nm的窄带滤光片，所述窄带滤光片的半带宽为0.5nm。
6.根据权利要求4所述的导体电晕放电电场非介入测量系统，其特征在于，所述准直透镜采用圆形凸透镜。
7.根据权利要求4所述的导体电晕放电电场非介入测量系统，其特征在于，所述光纤采用石英光纤。
8.一种权利要求1～7任意一项所述的导体电晕放电电场非介入测量系统在对导线-同轴放电结构中导体电晕放电过程中的电场强度分布进行测量的应用。
9.一种权利要求1～7任意一项所述的导体电晕放电电场非介入测量系统在对棒-板放电结构中导体电晕放电过程中的电场强度分布进行测量的应用。
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