本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)電磁環(huán)境監(jiān)測領域，特別涉及高壓直流輸電線路附近離子流場條件下的直流合成場強測量方案。

背景技術：

電場的測量在電力系統(tǒng)中具有廣泛的應用，但對于高壓直流傳輸線下的離子流空間電場測量，常用的交流電場測量手段失效。在特高壓直流輸電線附近，由于空間離子流的存在，電場測量方式與交流輸電線附近情況有所不同。當特高壓直流輸電線線路表面場強超過電暈起暈限值時，引發(fā)周圍空氣電離，相反極性帶電粒子會被吸引進入輸電線路形成電暈電流，相同極性帶電粒子會沿著電場力方向逐漸向線路周圍空間擴散，形成穩(wěn)定的離子流，最終注入大地。在用介入式傳感器測量直流電場合成場強時，空間電荷會在測量裝置表面產生附著與積聚，引起原場畸變，同時改變待測場與測量裝置內建場之間的關系，使得測量存在誤差。直流輸電線路附近的絕緣子閃絡、擊穿與線路金具電暈放電等現(xiàn)象會嚴重影響輸電線路可靠性與周圍電磁環(huán)境。

現(xiàn)階段尚無較為有效的離子流場條件下直流合成電場的測量裝置，大多使用接地分流離子流的方法排除離子流影響，不能使傳感器實現(xiàn)浮地隔離電位測量，或者直接利用某高度下畸變場強與原場強幾乎相等的規(guī)律來實現(xiàn)?？傮w來講，現(xiàn)階段離子流場環(huán)境下的電場測量方案大多需要接地，存在著測量空間上的限制。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種復合式獨立電位傳感器的直流合成場強測量裝置及其方法；本發(fā)明針對離子流場環(huán)境下的直流合成場強測量提出了測量場強分量分析及場強分離方法，使直流合成場強能夠被準確測量，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供了更為合理的數(shù)據(jù)支持。

本發(fā)明提出的一種復合式獨立電位傳感器的直流合成場強測量裝置，主要針對高壓直流輸電線路附近離子流場存在時直流合成場強的測量，其特征在于,該測量裝置由兩個電位互相獨立且絕緣隔離的傳感器和，和由差分信號處理模塊、無線信號傳輸模塊及無線信號收發(fā)模塊及無線供能模塊組成的信號處理電路構成；其中，傳感器與傳感器用絕緣材料隔開，通過絕緣材料進行機械上的連接，以實現(xiàn)完全電位隔離，所述信號處理電路集成在PCB版上，分別與兩個傳感器電連接。

本發(fā)明提出的一種采用上述的裝置的直流合成場強測量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

一種采用如權利要求1中所述的裝置的直流合成場強測量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

(1)對傳感裝置的λ參數(shù)進行標定，標定時，將傳感裝置放在某一空間點已知的場強E_0c中，得到所述傳感裝置的兩個傳感器芯片直接測量量為E_in10和E_in20，計算得到傳感裝置的λ結構參數(shù)公式：對于不同的芯片高度設置d₁和d₂，有E₁₁＝λE₁₂，E₁₁和E₁₂分別為兩個傳感器外殼因離子流充電而產生的積累電荷附加電場；

(2)在實際測量待測電場時，所述測量裝置內部的兩個距頂部外殼高度不同的傳感器芯片測量到電場E_in1和E_in2，作為該位置點的兩個原始數(shù)據(jù)；

(3)由于E₁₁＝λE₁₂，而E_in1＝E₀+E₁₁，E_in2＝E₀+E₁₂，其中E₀代表傳感器未放入空間電場時傳感器所測點的原直流合成場強，則兩個原始數(shù)據(jù)E_in1和E_in2通過差分信號處理得到該點的待測值

本發(fā)明的原理及特點：

在離子流場環(huán)境中，離子流在傳感器外殼上產生充電過程，并引起傳感器周圍產生電荷空區(qū)，分析傳感器的電場畸變量，據(jù)此本發(fā)明提出獨立式雙傳感器測量方案用于離子流場中直流合成場強的測量，該方案不僅能應用于離子流場，也能應用于沒有離子流的合成直流場中，且傳感器的偏置角度不影響測量。在離子流場中，由于離子流會在電場力的作用下發(fā)生運動，在傳感器外殼上積聚，從而導致測量誤差甚至導致測量不可行，因而設計合理的封裝結構并使用合適的信號處理方法才能使離子流場下的電場測量準確性得到保障。該方案的目的在于通過差分的方法消除離子流對于電場測量的影響，使用該方案，無論是否在離子流場中都可以進行測量。

金屬封裝的獨立電位復合式直流合成場強電場傳感器在離子流環(huán)境下的介入測量時，傳感器測量得到的目標值E_in可以分解成3個組成分量E₀、E₁和E₂，其中E₀代表傳感器未放入空間電場時傳感器所測點的原直流合成場強，E₁代表因空間電荷對電場傳感器充電而形成的積累電荷在傳感器內腔產生的電場，E₂代表因傳感器介入測量而導致的原空間電場畸變而產生的電場。其中，E₂貢獻較小，可認為單個金屬封裝獨立電位電場傳感器的測量值E_in僅由E₀、E₁構成。即E_in＝E₀+E₁；

本發(fā)明的有益效果：

1.實現(xiàn)高壓直流輸電線附近直流合成場強的懸空測量。

2.傳感器體積小、功耗低，能實現(xiàn)輸電線路附近場強的長期在線監(jiān)測，可用于防雷及故障預警。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的復合式獨立電位傳感器的直流合成場強測量裝置結構示意圖。

圖2為采用本發(fā)明裝置的測量方法流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出的復合式獨立電位傳感器的直流合成場強測量裝置及其方法結合附圖詳細說明具體實施方式。

本發(fā)明的復合式獨立電位傳感器的直流合成場強測量裝置及其方法，針對離子流場環(huán)境下的直流合成場強測量提出了場強分量分析及場強分離方法，制造出相應的裝置，使直流合成場強能夠被準確測量：

本發(fā)明提出的復合式獨立電位傳感器的直流合成場強測量裝置，主要針對高壓直流輸電線路附近離子流場存在時直流合成場強的測量。其組成如圖1所示,該測量裝置由兩個電位互相獨立且絕緣隔離的傳感器1和2，和由差分信號處理模塊3、無線信號傳輸模塊及無線信號收發(fā)模塊及無線供能模塊4組成的信號處理電路構成；其中，各器件的連接關系為：傳感器1與傳感器2完全電位隔離，用絕緣材料隔開，通過絕緣材料進行機械上的連接。信號處理電路集成在PCB版上，分別與兩個傳感器電連接。

本發(fā)明的上述方案中各部件的功能及具體實現(xiàn)方式說明如下：兩個電位互相獨立且絕緣隔離的傳感器均由金屬封裝盒體及安裝在盒體內的傳感芯片組成，兩個傳感器1與2除傳感器內部傳感芯片a、b與封裝頂板距離d不同的之外其他結構參數(shù)相同，金屬封裝盒體為高約1cm、半徑6mm的圓柱形盒體，兩個盒體的上下極板c、e和d、f均為金屬，極板四周i、j及兩盒體之間h用SiO₂絕緣材料封裝包裹。硅基傳感器芯片a和傳感器芯片b利用非絕緣材料分別固定在離盒體高度d1＝2mm、d2＝8mm上，采用Bonding的金屬線或濺射金屬形成的通道通過上極板與后端信號處理電路相連；傳感器封裝外殼所使用的絕緣材料為陶瓷材料；差分信號處理模塊3利用共模差分電路、放大電路和電流電壓轉換電路，將傳感器測量得到的原始測量信號轉換為可觀測的測量輸出信號。所述信號收發(fā)模塊和無線供能模塊4使用射頻供能方式，利用信號-能量復合傳輸模式，設計成微帶天線，實現(xiàn)傳感器的供能及信號傳輸

本裝置的工作原理為：金屬封裝的獨立電位復合式直流合成場強電場傳感器在離子流環(huán)境下的介入測量時，傳感器測量得到的目標值E_in可以分解成3個組成分量E₀、E₁和E₂，其中E₀代表傳感器未放入空間電場時傳感器所測點的原直流合成場強，E₁代表因空間電荷對電場傳感器充電而形成的積累電荷在傳感器內腔產生的電場，E₂代表因傳感器介入測量而導致的原空間電場畸變而產生的電場。其中，E₂貢獻較小，本方法可認為單個金屬封裝獨立電位電場傳感器的測量值E_in僅由E₀、E₁構成。即E_in＝E₀+E₁；

兩個電位互相獨立且絕緣隔離的傳感器1與2測量值均為E_in＝E₀+E₁，其中E₀代表傳感器未放入空間電場時傳感器所測點的原直流合成場強，E₁代表因空間電荷對電場傳感器充電而形成的積累電荷在傳感器內腔產生的電場。

兩個傳感器外殼因離子流充電而產生的積累電荷附加電場分別為E₁₁和E₁₂，當封裝的外殼參數(shù)確定時，E₁₁和E₁₂隨測量芯片距封裝頂部外殼的垂直距離d改變，垂直距離d越大，因頂部金屬極板充電產生的電場在測量芯片的測量分量E₁值越小，即如果d₂>d₁。則數(shù)值上E₁₂<E₁₁。對于不同的芯片高度設置d₁和d₂，有E₁₁＝λE₁₂。λ與為所述測量裝置結構參數(shù)有關。

本發(fā)明采用上述裝置的直流合成場強測量方法流程如圖2所示，具體包括以下步驟：

(1)對傳感裝置的λ參數(shù)進行標定，標定時，將傳感裝置放在某一空間點已知的場強E_0c中，得到所述傳感裝置的兩個傳感器芯片直接測量量為E_in10和E_in20，計算得到傳感裝置的λ結構參數(shù)公式：對于不同的芯片高度設置d₁和d₂，有E₁₁＝λE₁₂，E₁₁和E₁₂分別為兩個傳感器外殼因離子流充電而產生的積累電荷附加電場；

(2)在實際測量待測電場時，所述測量裝置內部的兩個距頂部外殼高度不同的傳感器芯片測量到電場E_in1和E_in2，作為該位置點的兩個原始數(shù)據(jù)；

(3)由于E₁₁＝λE₁₂，而E_in1＝E₀+E₁₁，E_in2＝E₀+E₁₂，其中E₀代表傳感器未放入空間電場時傳感器所測點的原直流合成場強，則兩個原始數(shù)據(jù)E_in1和E_in2通過差分信號處理得到該點的待測值(此處E₀是計算出來的，跟未放入空間電場時傳感器所測點的原直流合成場強E₀等值)代表傳感器未放入空間電場時傳感器所測點的原直流合成場強。