【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高压电力装备强电场测量领域，尤其是一种涉及电力设备狭窄空间强电场的测量装置及测试方法。
技术介绍
1、在高压电力设备制造领域，导体附近及设备内部的电场分布对电力设备的绝缘设计及性能至关重要，直接决定设备的安全性及可靠性。例如高压绝缘子、均压环、电力变压器、开关柜、gis设备等在设计时都要重点进行电场分布分析。电场分布的获取方法主要分为仿真计算法和测量法，其中仿真计算法主要采用通过构建设备的二维或三维模型，再通过有限元法来求解电场计算方程组，从而获得设备导体周围的电场分布。仿真计算法一般用于设计校验环节，其对实际现场多源叠加下的复杂电场环境的求解存在不足，还需采用实际测量法来完成。当前电场测量所用的传感器主要分为场致电磁式电场传感器、微电子机械式电场传感器及光学系统传感器等。相较于传统电场传感器，光学电场传感器具有全绝缘介质组成不含金属对待测电场影响小、尺寸小、微型化、集成度高、高带宽、高灵敏性、抗电磁干扰等显著优点得到了广泛的研究。目前研究较多的光学式电场传感器主要分为集成光波导式和基于pockels效应的分离元件式，其中集成光波导式传感器其测量带宽及精度高且集成化程度更高，但其加工工艺复杂、成本高、静态工作点难以控制；分离元件式电场传感器其灵敏度高、易于加工，但其光学元件多，相互独立又需严格配合光路的光学准直要求高，容易受震动等因素的影响。
2、当前研究中，还有一种新型的基于光纤的消逝场效应与电光晶体电光效应相耦合的新型传感器，其原理如下：
3、消逝场，又称倏逝场，是一种在光波发生全反射时
4、
5、其中，λ0为入射光在真空中传播时的波长；θ为入射角。
6、只有当光纤和平板波导的模指数匹配时才会发生耦合：
7、
8、其中，t为平板波导的厚度；m是模数；ns为平板波导的体折射率；nf为光纤对应模式下的有效折射率。
9、外电场作用下，电光晶体的折射率随外施电场变化：
10、
11、其中，e为外加电场强度，reff是电光晶体的电光系数。
12、电光晶体折射率的变化导致透射光谱发生偏移这个偏移量很小，可以通过检测输出的功率变化来体现:
13、
14、其中，p0是没有外加电场时传感器传输的功率；是通过改变激光波长变化时得到的功率光谱曲线的斜率；是电光晶体折射率的变化导致透射光谱发生的偏移量；e为外加电场强度。
15、传感器两个关键影响因素：和其中，取决于传感器的制造工艺，取决于电光晶体材料性质。
16、通过实验测定和即可通过对激光器输入及输出信号进行测定来实现外施电场强度e的测量。
17、基于消逝场原理设计的光纤电场传感器其结构简单，只包含光纤和平板波导两部分，集成度更高且尺寸可以进一步缩小，其测量带宽及理论最大电场测量范围都显著优于分离元件式光纤传感器及集成光波导式光纤传感器。
18、在现场实际电场测试中，尤其是针对电力设备狭窄空间如绝缘子伞裙间隙、开关柜内部、电缆间隙等场景下的电场测量由于现有电场传感器的尺寸限制，现在尚无可行的测量方法。
19、本专利技术提出了一种基于消逝场型光纤电场传感器的电力设备狭窄空间强电场测量装置及方法。本专利技术解决了当前电力设备狭窄空间强电场无法测试的问题，提出了一种可行的测量装置及测试方法，可实现狭窄空间强电场的高位置分辨率测量，具有广泛的影响场景。
技术实现思路
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技术实现思路
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1、本专利技术提出了一种基于消逝场型光纤电场传感器的电力设备狭窄空间强电场测试装置及方法。其中包含一种电力设备狭窄空间电场测试装置和一种电力设备狭窄空间强电场测试方法。
2、进一步，本专利技术提供一种电力设备狭窄空间电场测试装置，如图1所示，主要包含以下部分：
3、其中，1：真空罐制冷系统；2：真空罐；3：连接真空罐内部与外部的高压接线柱；4：高压导线；5：高压发生装置，501：高压发生装置的高压输出端子；6：光纤传感器电场测量系统，601：激光器a，602：光电探测器a，603：跨阻抗放大器a，604：示波器a，611：激光器b，612：光电探测器b，613：跨阻抗放大器b，614：示波器b；7：真空罐真空系统；8：真空罐加热系统；9：真空罐观察窗；10：消逝场光纤传感器a；11：消逝场光纤传感器b；12：待测的高压绝缘子；13：真空罐内部的高压连接线；14：真空罐内部的接地线，15：消逝场光纤传感器校准用平板电极。
4、进一步，本专利技术提供一种电力设备狭窄空间电场测试方法，如图3所示，主要包含以下部分：
5、步骤一：根据实际测量需求设定电场强度测试实验条件；
6、步骤二：将待测设备放置于真空罐内并固定，连接高压测试线及接地线；
7、步骤三：将消逝场光纤传感器a及消逝场光纤传感器b放置在校准平板电极内；
8、步骤四：待真空罐内环境达到所设定的测定条件时，进行消逝场光纤传感器a及消逝场光纤传感器b校准；
9、步骤五：将消逝场光纤传感器a及消逝场光纤传感器b从校准平板电极取出，放置在待测设备将要进行电场测试的位置并固定；
10、步骤六：加载测试电压，分别测量并记录对应消逝场光纤传感器所测得的电场强度；
11、步骤七：重复测试n次，分别求取消逝场光纤传感器a和消逝场光纤传感器b所测得电场强度的平均值，设定为消逝场光纤传感器a及消逝场光纤传感器b所在位置处的测定的电场强度。
12、进一步，本专利技术还提供了一种步骤四中消逝场传感器a及消逝场传感器b通用的校准方法。具体包括以下步骤：
13、传感器校准原理如下：
14、激光器信号传输过程：激光器→传感器→光电探测器(光信号转化为电流信号)→跨阻放大器(电流信号转化为电压信号)→示波器(电压信号)
15、
16、其中，v是示波器测得的电压；p0是在没有外加电场的情况下通过scos传输的光功率；r是光电探测器的响应度；g是跨阻放大器的增益。
17、令：
18、
19、v0＝p0×r×g
20、上式可转化为：
21、v＝v0+(c×e)
22、其中，c是将测量电压和外施电场联系起来的校准因子。
23、
24、传感器校准方法：
25、步骤一：将消逝场光纤传感器固定于校准电极之间；
26、步骤二：将激光器调谐到最佳波长；
27、步骤三：校准平板电极上不加电压，示波器采集并记录无外施电场下传感器的输出信号幅值，重复测量n次，取平均值，记作v0；
28、步骤四：调节高压发生装置输出特定频率的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于消逝场型光纤电场传感器的电力设备狭窄空间强电场测试装置，其特征在于：包括真空罐制冷系统、真空罐、连接真空罐内部与外部的高压接线柱、高压发生装置、光纤传感器电场测量系统、真空罐真空系统、真空罐加热系统、真空罐观察窗、消逝场光纤传感器A、消逝场光纤传感器B、消逝场光纤传感器校准用平板电极。
2.根据权利要求1所述的高压发生装置，其特征在于，可产生高压交、直流、脉冲电压信号，通过高压线连接高压发生装置的高压输出端子与真空罐外部高压接线柱的顶端并用螺丝固定压紧。
3.根据权利要求1所述的光纤传感器电场测量系统，其特征在于，包含两套独立的激光器信号传输测试采集系统，A组包含激光器A，消逝场光纤传感器A，光电探测器A，放大器A，示波器A；B组包含激光器B，消逝场光纤传感器B，光电探测器B，放大器B，示波器B；两组各设备的连接方式相同：激光器通过光纤连接消逝场光纤传感器，传感器另一端经光纤连接光电探测器，光电探测器通过电缆输出连接跨阻抗放大器，之后经过电缆接入示波器。
4.一种电力设备狭窄空间电场测试方法，其特征在于，包含以下步骤：
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【技术特征摘要】
1.一种基于消逝场型光纤电场传感器的电力设备狭窄空间强电场测试装置，其特征在于：包括真空罐制冷系统、真空罐、连接真空罐内部与外部的高压接线柱、高压发生装置、光纤传感器电场测量系统、真空罐真空系统、真空罐加热系统、真空罐观察窗、消逝场光纤传感器a、消逝场光纤传感器b、消逝场光纤传感器校准用平板电极。
2.根据权利要求1所述的高压发生装置，其特征在于，可产生高压交、直流、脉冲电压信号，通过高压线连接高压发生装置的高压输出端子与真空罐外部高压接线柱的顶端并用螺丝固定压紧。
3.根据权利要求1所述的光纤传感器...
【专利技术属性】
技术研发人员：尚鹏辉，马雪娟，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：
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