复合式独立电位传感器的直流合成场强测量装置及其方法与流程

本发明属于电力系统电磁环境监测领域，特别涉及高压直流输电线路附近离子流场条件下的直流合成场强测量方案。

背景技术：

电场的测量在电力系统中具有广泛的应用，但对于高压直流传输线下的离子流空间电场测量，常用的交流电场测量手段失效。在特高压直流输电线附近，由于空间离子流的存在，电场测量方式与交流输电线附近情况有所不同。当特高压直流输电线线路表面场强超过电晕起晕限值时，引发周围空气电离，相反极性带电粒子会被吸引进入输电线路形成电晕电流，相同极性带电粒子会沿着电场力方向逐渐向线路周围空间扩散，形成稳定的离子流，最终注入大地。在用介入式传感器测量直流电场合成场强时，空间电荷会在测量装置表面产生附着与积聚，引起原场畸变，同时改变待测场与测量装置内建场之间的关系，使得测量存在误差。直流输电线路附近的绝缘子闪络、击穿与线路金具电晕放电等现象会严重影响输电线路可靠性与周围电磁环境。

现阶段尚无较为有效的离子流场条件下直流合成电场的测量装置，大多使用接地分流离子流的方法排除离子流影响，不能使传感器实现浮地隔离电位测量，或者直接利用某高度下畸变场强与原场强几乎相等的规律来实现。总体来讲，现阶段离子流场环境下的电场测量方案大多需要接地，存在着测量空间上的限制。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种复合式独立电位传感器的直流合成场强测量装置及其方法；本发明针对离子流场环境下的直流合成场强测量提出了测量场强分量分析及场强分离方法，使直流合成场强能够被准确测量，为后续的数据分析提供了更为合理的数据支持。

本发明提出的一种复合式独立电位传感器的直流合成场强测量装置，主要针对高压直流输电线路附近离子流场存在时直流合成场强的测量，其特征在于,该测量装置由两个电位互相独立且绝缘隔离的传感器和，和由差分信号处理模块、无线信号传输模块及无线信号收发模块及无线供能模块组成的信号处理电路构成；其中，传感器与传感器用绝缘材料隔开，通过绝缘材料进行机械上的连接，以实现完全电位隔离，所述信号处理电路集成在PCB版上，分别与两个传感器电连接。

本发明提出的一种采用上述的装置的直流合成场强测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

一种采用如权利要求1中所述的装置的直流合成场强测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)对传感装置的λ参数进行标定，标定时，将传感装置放在某一空间点已知的场强E_0c中，得到所述传感装置的两个传感器芯片直接测量量为E_in10和E_in20，计算得到传感装置的λ结构参数公式：对于不同的芯片高度设置d₁和d₂，有E₁₁＝λE₁₂，E₁₁和E₁₂分别为两个传感器外壳因离子流充电而产生的积累电荷附加电场；

(2)在实际测量待测电场时，所述测量装置内部的两个距顶部外壳高度不同的传感器芯片测量到电场E_in1和E_in2，作为该位置点的两个原始数据；

(3)由于E₁₁＝λE₁₂，而E_in1＝E₀+E₁₁，E_in2＝E₀+E₁₂，其中E₀代表传感器未放入空间电场时传感器所测点的原直流合成场强，则两个原始数据E_in1和E_in2通过差分信号处理得到该点的待测值

本发明的原理及特点：

在离子流场环境中，离子流在传感器外壳上产生充电过程，并引起传感器周围产生电荷空区，分析传感器的电场畸变量，据此本发明提出独立式双传感器测量方案用于离子流场中直流合成场强的测量，该方案不仅能应用于离子流场，也能应用于没有离子流的合成直流场中，且传感器的偏置角度不影响测量。在离子流场中，由于离子流会在电场力的作用下发生运动，在传感器外壳上积聚，从而导致测量误差甚至导致测量不可行，因而设计合理的封装结构并使用合适的信号处理方法才能使离子流场下的电场测量准确性得到保障。该方案的目的在于通过差分的方法消除离子流对于电场测量的影响，使用该方案，无论是否在离子流场中都可以进行测量。

金属封装的独立电位复合式直流合成场强电场传感器在离子流环境下的介入测量时，传感器测量得到的目标值E_in可以分解成3个组成分量E₀、E₁和E₂，其中E₀代表传感器未放入空间电场时传感器所测点的原直流合成场强，E₁代表因空间电荷对电场传感器充电而形成的积累电荷在传感器内腔产生的电场，E₂代表因传感器介入测量而导致的原空间电场畸变而产生的电场。其中，E₂贡献较小，可认为单个金属封装独立电位电场传感器的测量值E_in仅由E₀、E₁构成。即E_in＝E₀+E₁；

本发明的有益效果：

1.实现高压直流输电线附近直流合成场强的悬空测量。

2.传感器体积小、功耗低，能实现输电线路附近场强的长期在线监测，可用于防雷及故障预警。

附图说明

图1为本发明的复合式独立电位传感器的直流合成场强测量装置结构示意图。

图2为采用本发明装置的测量方法流程图。

具体实施方式

本发明提出的复合式独立电位传感器的直流合成场强测量装置及其方法结合附图详细说明具体实施方式。

本发明的复合式独立电位传感器的直流合成场强测量装置及其方法，针对离子流场环境下的直流合成场强测量提出了场强分量分析及场强分离方法，制造出相应的装置，使直流合成场强能够被准确测量：

本发明提出的复合式独立电位传感器的直流合成场强测量装置，主要针对高压直流输电线路附近离子流场存在时直流合成场强的测量。其组成如图1所示,该测量装置由两个电位互相独立且绝缘隔离的传感器1和2，和由差分信号处理模块3、无线信号传输模块及无线信号收发模块及无线供能模块4组成的信号处理电路构成；其中，各器件的连接关系为：传感器1与传感器2完全电位隔离，用绝缘材料隔开，通过绝缘材料进行机械上的连接。信号处理电路集成在PCB版上，分别与两个传感器电连接。

本发明的上述方案中各部件的功能及具体实现方式说明如下：两个电位互相独立且绝缘隔离的传感器均由金属封装盒体及安装在盒体内的传感芯片组成，两个传感器1与2除传感器内部传感芯片a、b与封装顶板距离d不同的之外其他结构参数相同，金属封装盒体为高约1cm、半径6mm的圆柱形盒体，两个盒体的上下极板c、e和d、f均为金属，极板四周i、j及两盒体之间h用SiO₂绝缘材料封装包裹。硅基传感器芯片a和传感器芯片b利用非绝缘材料分别固定在离盒体高度d1＝2mm、d2＝8mm上，采用Bonding的金属线或溅射金属形成的通道通过上极板与后端信号处理电路相连；传感器封装外壳所使用的绝缘材料为陶瓷材料；差分信号处理模块3利用共模差分电路、放大电路和电流电压转换电路，将传感器测量得到的原始测量信号转换为可观测的测量输出信号。所述信号收发模块和无线供能模块4使用射频供能方式，利用信号-能量复合传输模式，设计成微带天线，实现传感器的供能及信号传输

本装置的工作原理为：金属封装的独立电位复合式直流合成场强电场传感器在离子流环境下的介入测量时，传感器测量得到的目标值E_in可以分解成3个组成分量E₀、E₁和E₂，其中E₀代表传感器未放入空间电场时传感器所测点的原直流合成场强，E₁代表因空间电荷对电场传感器充电而形成的积累电荷在传感器内腔产生的电场，E₂代表因传感器介入测量而导致的原空间电场畸变而产生的电场。其中，E₂贡献较小，本方法可认为单个金属封装独立电位电场传感器的测量值E_in仅由E₀、E₁构成。即E_in＝E₀+E₁；

两个电位互相独立且绝缘隔离的传感器1与2测量值均为E_in＝E₀+E₁，其中E₀代表传感器未放入空间电场时传感器所测点的原直流合成场强，E₁代表因空间电荷对电场传感器充电而形成的积累电荷在传感器内腔产生的电场。

两个传感器外壳因离子流充电而产生的积累电荷附加电场分别为E₁₁和E₁₂，当封装的外壳参数确定时，E₁₁和E₁₂随测量芯片距封装顶部外壳的垂直距离d改变，垂直距离d越大，因顶部金属极板充电产生的电场在测量芯片的测量分量E₁值越小，即如果d₂>d₁。则数值上E₁₂<E₁₁。对于不同的芯片高度设置d₁和d₂，有E₁₁＝λE₁₂。λ与为所述测量装置结构参数有关。

本发明采用上述装置的直流合成场强测量方法流程如图2所示，具体包括以下步骤：

(1)对传感装置的λ参数进行标定，标定时，将传感装置放在某一空间点已知的场强E_0c中，得到所述传感装置的两个传感器芯片直接测量量为E_in10和E_in20，计算得到传感装置的λ结构参数公式：对于不同的芯片高度设置d₁和d₂，有E₁₁＝λE₁₂，E₁₁和E₁₂分别为两个传感器外壳因离子流充电而产生的积累电荷附加电场；

(2)在实际测量待测电场时，所述测量装置内部的两个距顶部外壳高度不同的传感器芯片测量到电场E_in1和E_in2，作为该位置点的两个原始数据；

(3)由于E₁₁＝λE₁₂，而E_in1＝E₀+E₁₁，E_in2＝E₀+E₁₂，其中E₀代表传感器未放入空间电场时传感器所测点的原直流合成场强，则两个原始数据E_in1和E_in2通过差分信号处理得到该点的待测值(此处E₀是计算出来的，跟未放入空间电场时传感器所测点的原直流合成场强E₀等值)代表传感器未放入空间电场时传感器所测点的原直流合成场强。