一种基于标定的直流合成矢量电场测量装置及方法

本发明涉及静电场测量，具体是一种基于标定的直流合成矢量电场测量装置及方法。

背景技术：

1、相比于高压交流(hvac)，高压直流(hvdc)在长距离大容量输电具有电能损耗和环境影响小等显著优势。当高压直流运输线路的大规模部署时，输电走廊周围会产生合成电场、离子电流等一系列电磁效应。为了定量分析高压直流输电线路对周围的影响，需采用适配的电场传感器。

2、电场测量广泛应用的主流传感器有光学电场传感器，微机电(mems)电场传感器和场磨传感器；其中，场磨传感器采用接地转子，通过交替地将传感器电极暴露和覆盖在外电场中，从而对直流电场进行周期性调制。

3、然而，现有的三维直流合成电场传感器绝大数无法进行三轴的差分，使得标定复杂多样，进而导致实际测量时不能满足重构直流合成电场矢量的要求，使得现有的针对单一维度的电场传感器难以准确测量描述实际hvdc电场在空间的分布情况，成为对hvdc产生的电磁效应的研究阻碍。基于此，本发明设计了一种基于标定的直流合成矢量电场测量装置及方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于标定的直流合成矢量电场测量装置及方法，以解决上述提出的直流电场传感器在测量直流合成电场不能合成被测电场矢量的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于标定的直流合成矢量电场测量装置，包括空间三维静电场测量传感器、支撑单元和屏蔽感应电极单元，所述支撑单元的表面贴合连接有感应电极单元，所述感应电极单元，用于在直流电场下感应电荷，所述感应电极单元包括若干个感应电极，若干个感应电极均匀连接有数量减半的差分单元对，各所述差分单元对的下游均电性连接有信号处理单元,所述信号处理单元用于信号的差分处理、调理、运算并输出电场检测信号，所述信号处理单元下游输出调理所得电信号；所述支撑单元的间隙上游设置有屏蔽感应电极单元，用于接地屏蔽感应电极，其中，所述屏蔽感应电极单元至少包括一个接地电极对，所述接地电极对的一端通过转动轴与电机输出端机械连接，所述接地电极对的下游接地。

4、作为本发明进一步的方案：若干个所述感应电极分别为感应电极a、感应电极b、感应电极c、感应电极d、感应电极e与感应电极f，所述差分单元对包括差分单元对a、差分单元对b和差分单元对c，所述感应电极a、感应电极b的分别与差分单元对a连接，感应电极c、感应电极d分别与差分单元对b连接，感应电极e、感应电极f分别与差分单元对c连接，所述感应电极c、感应电极d、感应电极e与感应电极f均匀分布于两根轴的正交方向，所述感应电极a和感应电极b为z轴方向的差分信号，输出z轴方向上的电场检测信号，感应电极c和感应电极d为x轴方向的差分信号，感应电极e和感应电极f输出y轴方向的差分信号。

5、作为本发明进一步的方案：所述接地电极对包括接地电极对a与接地电极对b，所述感应电极与接地电极均为导体材料、半导体材料或表面镀有导电层的复合材料制成。

6、作为本发明进一步的方案：所述支撑单元为内部贯穿开设有圆柱空腔的球体结构，所述转动轴通过贯穿适配圆柱空腔与所述支撑单元连接。

7、作为本发明进一步的方案：所述电场检测信号为三维电场信号。

8、作为本发明进一步的方案：所述感应电极为曲面板状，且感应电极的曲率与所述支撑单元的曲率相等并贴合于所述支撑单元的表面，所述接地电极对a与接地电极对b关于支撑单元的横向二等分面对称，所述接地电极对a与接地电极对b处处与支撑单元留有一定距离。

9、作为本发明进一步的方案：所述转动轴与支撑单元的连接处为轴承配合。

10、由上述基于标定的直流合成矢量电场测量装置形成的测量方法：

11、将所述空间三维静电场测量传感器放置于空间静电场环境中,对该传感器进行标定，求解耦合灵敏度矩阵；屏蔽感应电极单元周期屏蔽感应电极，使感应电极表面电荷产生变化；信号处理单元将因周期变化的感应电荷引起的感应电流进行捕捉、处理、运算后输出，得到三维电场信号；所述感应电荷的变化是通过下式计算得到的：

12、

13、上式(1-1)中，q(t)为所述总感应电荷量，q为微分面积感应的电荷量，ε0为所述真空介电常数，e为所述笛卡尔坐标轴下，空间电场垂直于感应极板的分量，a(t)为感应电极未被接地极板屏蔽在平面的投影面积，所述运算处理包括根据耦合灵敏度矩阵，建立输出信号与三维电场的关系，所述灵敏度矩阵λ由下式计算得到的：

14、u＝λe'                                                (1-2)

15、上式(1-2)中，u为三维静电场传感器对感应电极的差分输出向量；λ为电场传感器的耦合灵敏度矩阵，该矩阵时电场传感器的固有属性；e'为被测电场向量。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、1、本发明中，当待测直流输电线通电时，测量待测直流运输线上的直流合成电场，解决了直流电场传感器在测量直流合成电场不能合成被测电场矢量问题，进而达到了提高测量直流电场传感器灵敏度和测量准确性的目的。

18、2、本发明中，通过设置支流合成电场测量装置，可实现重构直流合成电场矢量的测量，通过设置三对差分感应极板在支撑单元表面对称，易于标定，减少极板间耦合，有利于提高测量精度。

19、3.本发明中，可以有效地检测电场三维的大小及方向；经过标定之后建立的电压输出与电场三个维度的关系，准确输出直流合成电场的矢量信息。

技术特征：

1.一种基于标定的直流合成矢量电场测量装置，包括空间三维静电场测量传感器、支撑单元(110)和屏蔽感应电极单元(112)，其特征在于：所述支撑单元(110)的表面贴合连接有感应电极单元(1)，所述感应电极单元(1)，用于在直流电场下感应电荷，所述感应电极单元(1)包括若干个感应电极，若干个感应电极均匀连接有数量减半的差分单元对，各所述差分单元对的下游均电性连接有信号处理单元(111),所述信号处理单元(111)用于信号的差分处理、调理、运算并输出电场检测信号，所述信号处理单元(111)下游输出调理所得电信号；所述支撑单元(110)的间隙(113)上游设置有屏蔽感应电极单元(112)，用于接地屏蔽感应电极，其中，所述屏蔽感应电极单元(112)至少包括一个接地电极对，所述接地电极对的一端通过转动轴(109)与电机(114)输出端机械连接，所述接地电极对的下游接地。

2.根据权利要求1所述的一种基于标定的直流合成矢量电场测量装置，其特征在于：若干个所述感应电极分别为感应电极a(101)、感应电极b(102)、感应电极c(103)、感应电极d(104)、感应电极e(105)与感应电极f(106)，所述差分单元对包括差分单元对a、差分单元对b和差分单元对c，所述感应电极a(101)、感应电极b(102)的分别与差分单元对a连接，感应电极c(103)、感应电极d(104)分别与差分单元对b连接，感应电极e(105)、感应电极f(106)分别与差分单元对c连接，所述感应电极c(103)、感应电极d(104)、感应电极e(105)与感应电极f(106)均匀分布于两根轴的正交方向，所述感应电极a(101)和感应电极b(102)为z轴方向的差分信号，输出z轴方向上的电场检测信号，感应电极c(103)和感应电极d(104)为x轴方向的差分信号，感应电极e(105)和感应电极f(106)输出y轴方向的差分信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于标定的直流合成矢量电场测量装置，其特征在于：所述接地电极对包括接地电极对a(107)与接地电极对b(108)。

4.根据权利要求1所述的一种基于标定的直流合成矢量电场测量装置，其特征在于：所述支撑单元(110)为内部贯穿开设有圆柱空腔的球体结构，所述转动轴(109)通过贯穿适配圆柱空腔与所述支撑单元(110)连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于标定的直流合成矢量电场测量装置，其特征在于；所述电场检测信号为三维电场信号。

6.根据权利要求2所述的一种基于标定的直流合成矢量电场测量装置，其特征在于：所述感应电极为曲面板状，且感应电极的曲率与所述支撑单元(110)的曲率相等并贴合于所述支撑单元(110)的表面，所述接地电极对a(107)与接地电极对b(108)关于支撑单元(110)的横向二等分面对称，所述接地电极对a(107)与接地电极对b(108)处处与支撑单元(110)留有一定距离。

7.根据权利要求1所述的一种基于标定的直流合成矢量电场测量装置，其特征在于：所述转动轴(109)与支撑单元(110)的连接处为轴承配合。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种基于标定的直流合成矢量电场测量装置形成的方法，其特征在于：包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种基于标定的直流合成矢量电场测量方法，其特征在于：所述感应电荷的变化是通过下式计算得到的：

10.根据权利要求9所述的一种基于标定的直流合成矢量电场测量方法，其特征在于：所述运算处理包括根据耦合灵敏度矩阵，建立输出信号与三维电场的关系，所述灵敏度矩阵λ由下式计算得到的：

技术总结
本发明公开了静电场测量技术领域的一种基于标定的直流合成矢量电场测量装置，包括空间三维静电场测量传感器、支撑单元和屏蔽感应电极单元，所述支撑单元的表面贴合连接有感应电极单元，所述感应电极单元包括若干个感应电极，若干个感应电极均匀连接有数量减半的差分单元对，各所述差分单元对的下游均电性连接有信号处理单元,所述信号处理单元下游输出调理所得电信号；所述支撑单元的间隙上游设置有屏蔽感应电极单元。本发明通过设置支流合成电场测量装置，可实现重构直流合成电场矢量的测量，通过设置三对差分感应极板在支撑单元表面对称，易于标定，减少极板间耦合，有利于提高测量精度。

技术研发人员：吴和涛,张文斌,黄汝金,杨乐
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15