本發(fā)明涉及電場測量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

變電站分為敞開式變電站(air insulated substation,AIS)和氣體絕緣變電站(gas insulated substation,GIS)兩類。AIS變電站的隔離開關(guān)或者斷路器操作時，將在變電站母線和線路上產(chǎn)生操作過電壓，在地面上形成瞬態(tài)電場，頻率范圍主要在1MHz以內(nèi)；GIS變電站的隔離開關(guān)或者斷路器操作時產(chǎn)生特快速瞬態(tài)過電壓，形成的地面電場頻率更高，典型范圍在200MHz以內(nèi)。由于開關(guān)操作過程中，母線會出現(xiàn)準(zhǔn)直流的殘壓，因此實際電場的低頻不僅為工頻，而應(yīng)該達到準(zhǔn)直流。低頻AIS和GIS隔離開關(guān)或斷路器操作形成的地面電場幅值主要在20kV/m以內(nèi)。因此，對用于變電站開關(guān)操作形成的瞬態(tài)地面電場測量系統(tǒng)的技術(shù)要求集中在電場幅值范圍和頻率范圍兩方面，需要測量最大幅值達到20kV/m，測量頻率范圍包括0.5Hz-200MHz。

對于瞬態(tài)電場測量，包括基于電學(xué)方法和基于光學(xué)方法的兩類測量方法。對于電場的20kV/m的幅值，電學(xué)和光學(xué)兩類方法通常都可以滿足，但現(xiàn)有技術(shù)不能實現(xiàn)0.5Hz-200MHz帶寬的電場測量。

因此，需要一種技術(shù)，以解決0.5Hz-200MHz帶寬的電場測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)測量電場的帶寬問題。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

平板電極傳感器，用于感應(yīng)地面處瞬態(tài)電場產(chǎn)生位移電流，位移電流流經(jīng)平板電極電容和并聯(lián)的阻抗變換器輸入阻抗，形成高阻抗的電壓信號；

所述阻抗變換器，將高阻抗的電壓信號變換為低阻抗的電壓信號輸出，低阻抗的電壓信號輸出至示波器；

所述示波器，用于進行所述電壓信號的采集和記錄。

基于本發(fā)明的一實施方式，本發(fā)明提供了一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

平板電極傳感器，用于感應(yīng)地面處瞬態(tài)電場產(chǎn)生位移電流，位移電流流經(jīng)平板電極電容和并聯(lián)的阻抗變換器輸入阻抗，形成高阻抗的電壓信號；

所述阻抗變換器，將高阻抗的電壓信號變換為低阻抗的電壓信號輸出，低阻抗的電壓信號輸出至示波器；

所述光發(fā)射器，用于將接收的電壓信號轉(zhuǎn)換為光信號，并經(jīng)光纖輸出所述光信號至光接收器；

所述光接收器用于將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并輸出至示波器；

示波器，用于進行所述電壓信號的采集和記錄。

優(yōu)選地，所述系統(tǒng)用于測量電場的頻率范圍為0.5Hz至200MHz。

優(yōu)選地，所述阻抗變換器響應(yīng)速率高于400MHz，其輸入阻抗高于1GΩ，輸出阻抗為50Ω；所述阻抗變換器滿足輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系。

優(yōu)選地，所述電壓信號通過同軸電纜傳輸，所述同軸電纜特征阻抗為50Ω。

優(yōu)選地，所述示波器采樣率高于400MHz，輸入阻抗為50Ω或1MΩ。

基于本發(fā)明的一實施方式，本發(fā)明提供一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的方法，所述方法包括：

利用平板電極傳感器感應(yīng)地面處瞬態(tài)電場產(chǎn)生位移電流，位移電流流經(jīng)平板電極電容和并聯(lián)的阻抗變換器輸入阻抗，形成高阻抗的電壓信號；

將高阻抗的電壓信號變換為低阻抗的電壓信號輸出；

進行所述低阻抗的電壓信號的采集和記錄。

基于本發(fā)明的一實施方式，本發(fā)明提供了一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的方法，所述方法包括：

利用平板電極傳感器感應(yīng)地面處瞬態(tài)電場產(chǎn)生位移電流，位移電流流經(jīng)平板電極電容和并聯(lián)的阻抗變換器輸入阻抗，形成高阻抗的電壓信號；

將高阻抗的電壓信號變換為低阻抗的電壓信號輸出；

將接收的低阻抗的電壓信號轉(zhuǎn)換為光信號并輸出；

將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；

進行所述電壓信號的采集和記錄。

優(yōu)選地，所述方法用于測量電場的頻率范圍為0.5Hz至200MHz。

優(yōu)選地，所述阻抗變換器響應(yīng)速率高于400MHz，其輸入阻抗高于1GΩ，輸出阻抗為50Ω；所述阻抗變換器滿足輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系。

優(yōu)選地，所述電壓信號通過同軸電纜傳輸，所述同軸電纜特征阻抗為50Ω。

優(yōu)選地，所述示波器采樣率高于400MHz，輸入阻抗為50Ω或1MΩ。

本發(fā)明提出的技術(shù)方案，通過阻抗變換器，可以使平板電極電容的并聯(lián)阻抗趨近無窮大，大幅增加電容放電時間常數(shù)，擴展了測量系統(tǒng)的低頻帶寬，使得低頻段輸出電信號與所測量電場成線性關(guān)系，實現(xiàn)了寬頻帶地面電場的準(zhǔn)確測量。

附圖說明

通過參考下面的附圖，可以更為完整地理解本發(fā)明的示例性實施方式：

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施方式的一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的系統(tǒng)電路原理示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實施方式的阻抗變換器原理示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明一實施方式一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明又一實施方式一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明又一實施方式一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的方法流程圖；

圖6為根據(jù)本發(fā)明又一實施方式一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的方法流程圖。

具體實施方式

現(xiàn)在參考附圖介紹本發(fā)明的示例性實施方式，然而，本發(fā)明可以用許多不同的形式來實施，并且不局限于此處描述的實施例，提供這些實施例是為了詳盡地且完全地公開本發(fā)明，并且向所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員充分傳達本發(fā)明的范圍。對于表示在附圖中的示例性實施方式中的術(shù)語并不是對本發(fā)明的限定。在附圖中，相同的單元/元件使用相同的附圖標(biāo)記。

除非另有說明，此處使用的術(shù)語(包括科技術(shù)語)對所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員具有通常的理解含義。另外，可以理解的是，以通常使用的詞典限定的術(shù)語，應(yīng)當(dāng)被理解為與其相關(guān)領(lǐng)域的語境具有一致的含義，而不應(yīng)該被理解為理想化的或過于正式的意義。

圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施方式一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的系統(tǒng)電路原理示意圖。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實施方式，基于平板電極電場測量的原理，得到電路方程：

式(1)中，i為平板電極感應(yīng)的位移電流；U為測量系統(tǒng)的輸出電壓；R為阻抗變換器的輸入阻抗；C為平板電極傳感器的電容；A為平板電極傳感器的等效面積；D＝εE，其中D為電位移或者電感應(yīng)強度，其中E為待測電場強度，其中ε為平板電極間介質(zhì)的介電常數(shù)，t為對應(yīng)時刻。

由于阻抗變換器的輸入阻抗R達到1GΩ以上，可以忽略方程左側(cè)的第二項，從而有：

由式(2)可知，輸出電壓信號與待測電場成簡單的線性關(guān)系。當(dāng)電壓信號輸出至示波器，如果示波器輸入阻抗設(shè)為1MΩ，則示波器端的測量信號即為如果示波器輸入阻抗設(shè)為50Ω，則示波器端的測量信號幅值減半。本發(fā)明的實施方式，由于阻抗變換器實現(xiàn)了非常大的輸入阻抗，并將高阻抗的電壓信號轉(zhuǎn)為低阻抗的電壓信號輸出，使得輸出電壓信號與所測電場為線性關(guān)系，不需要進行信號的積分，能夠?qū)崿F(xiàn)頻段范圍為0.5Hz至200MHz頻率地面電場的準(zhǔn)確測量。優(yōu)選地，本發(fā)明的實施方式，可以進行變電站開關(guān)操作形成的頻率為0.5Hz至200MHz瞬態(tài)地面電場的測量。

圖2為根據(jù)本發(fā)明實施方式的阻抗變換器原理示意圖。優(yōu)選地，本發(fā)明實施方式阻抗變換器是基于運算放大器實現(xiàn)的，運算放大器是高速放大器，響應(yīng)速率需不低于400MHz，輸入阻抗不低于1GΩ，輸出阻抗為50Ω。如圖2所示，基于運算放大器的跟隨器電路，輸出電壓幅值等于輸入電壓幅值。阻抗變換器不限于跟隨器電路，也可以是放大電路，只要滿足輸入阻抗不低于1GΩ，輸出阻抗為50Ω，且輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系即可。優(yōu)選地，本發(fā)明實施方式利用阻抗變換器配合平板電極電場傳感器的使用，利用基于高速運算放大器實現(xiàn)不低于1GΩ的輸入阻抗和50Ω的輸出阻抗，從而實現(xiàn)阻抗變換，擴展了平板電極電場傳感器的低頻響應(yīng)帶寬。

圖3為根據(jù)本發(fā)明一實施方式一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明提出的一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的系統(tǒng)300，包括平板電極傳感器301，阻抗變換器302，示波器303。平板電極傳感器301與阻抗變換器302相連接，阻抗變換器302與示波器303相連接。通過阻抗變換器302將實現(xiàn)了非常大的輸入阻抗，并將高阻抗的電壓信號轉(zhuǎn)為低阻抗的電壓信號輸出，且輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系，擴展了平板電極傳感器301的低頻響應(yīng)帶寬。

如圖3所示，其中平板電極傳感器301，用于在變化的電場中感應(yīng)位移電流，位移電流流經(jīng)平板電極電容和并聯(lián)的阻抗變換器302的輸入阻抗，形成高阻抗的電壓信號。

優(yōu)選地，阻抗變換器302，將高阻抗的電壓信號變換為低阻抗的電壓信號輸出，低阻抗的電壓信號輸出至示波器303。阻抗變換器302的響應(yīng)速率高于400MHz，輸入阻抗高于1GΩ，輸出阻抗為50Ω；阻抗變換器302滿足輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系。

優(yōu)選地，阻抗變換器302通過同軸電纜傳輸電壓信號，同軸電纜特征阻抗為50Ω。

優(yōu)選地，示波器303，用于進行電壓信號的采集和記錄。示波器303采樣率不低于400MHz，輸入阻抗為50Ω或者1MΩ。通過示波器303采集的電壓信號，利用圖1中實施方式中的公式(2)，推導(dǎo)出電場強度。

優(yōu)選地，本發(fā)明實施方式系統(tǒng)300用于測量電場的頻率范圍為0.5Hz至200MHz。

優(yōu)選地，本發(fā)明的實施方式，可以進行變電站開關(guān)操作形成的頻率為0.5Hz至200MHz瞬態(tài)地面電場的測量。

本發(fā)明提出的實施方式，通過阻抗變換器，實現(xiàn)了非常大的輸入阻抗，并將高阻抗的電壓信號轉(zhuǎn)為低阻抗的電壓信號輸出，實現(xiàn)了低頻段輸出電信號與所測量電場的線性關(guān)系，實現(xiàn)了寬頻帶地面電場的準(zhǔn)確測量。

圖4為根據(jù)本發(fā)明又一實施方式一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明提出的一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的系統(tǒng)400，包括平板電極傳感器401，阻抗變換器402，光發(fā)射器403，光接收器404，示波器405、同軸電纜、光纖。本發(fā)明的實施方式，平板電極傳感器401與阻抗變換器402相連，阻抗變換器402通過同軸電纜與光發(fā)射器403相連，光發(fā)射器403通過光纖與光接收器404相連，光接收器404與示波器405相連。本發(fā)明的實施方式，通過阻抗變換器402將平板電極傳感器401輸入的高阻抗電壓信號變換為輸出的低阻抗電壓信號，且輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系，擴展了平板電極電場傳感器的低頻響應(yīng)帶寬。阻抗變換器402通過同軸電纜與光發(fā)射器相連，光發(fā)射器403通過光纖與光接收器404相連，通過光纖傳輸光信號，由于光纖傳輸不會受到變電站復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，實現(xiàn)了變電站現(xiàn)場遠距離測量與數(shù)據(jù)傳輸。光接收器404通過同軸電纜將電壓信號輸出至示波器405，實現(xiàn)電場強度的測量。

優(yōu)選地，平板電極傳感器401，用于在變化的電場中感應(yīng)位移電流，位移電流流經(jīng)平板電極電容和并聯(lián)的阻抗變換器402的輸入阻抗，形成高阻抗的電壓信號。

優(yōu)選地，阻抗變換器402，將高阻抗的電壓信號變換為低阻抗的電壓信號輸出。阻抗變換器402的響應(yīng)速率高于400MHz，輸入阻抗高于1GΩ，輸出阻抗為50Ω；阻抗變換器402滿足輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系。

優(yōu)選地，阻抗變換器402通過同軸電纜傳輸電壓信號，同軸電纜特征阻抗為50Ω。

優(yōu)選地，光發(fā)射器403，用于將接收的電壓信號轉(zhuǎn)換為光信號，并通過光纖輸出光信號至光接收器404。阻抗變換器402通過同軸電纜相連與光發(fā)射器相連，光發(fā)射器通過光纖與光接收器404相連。

優(yōu)選地，光接收器404用于將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并輸出至示波器405；優(yōu)選地，光接收器通過同軸電纜連接示波器405，同軸電纜特征阻抗為50Ω。

優(yōu)選地，示波器405，用于進行電壓信號的采集和記錄。示波器405采樣率不低于100MHz，輸入阻抗為50Ω或者1MΩ。通過示波器405采集的電壓信號，利用圖1中實施方式中的公式(2)，推導(dǎo)出電場強度。

優(yōu)選地，本發(fā)明實施方式系統(tǒng)400用于測量電場的頻率范圍為0.5Hz至200MHz。

優(yōu)選地，本發(fā)明的實施方式，可以進行變電站開關(guān)操作形成的頻率為0.5Hz至200MHz瞬態(tài)地面電場的測量。

本發(fā)明提出的實施方式，通過阻抗變換器，實現(xiàn)了非常大的輸入阻抗，并將高阻抗的電壓信號轉(zhuǎn)為低阻抗的電壓信號輸出，實現(xiàn)了低頻段輸出電信號與所測量電場的線性關(guān)系，實現(xiàn)了寬頻帶地面電場的準(zhǔn)確測量。本發(fā)明實施方式通過光纖傳輸光信號，由于光纖傳輸不會受到變電站復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，實現(xiàn)了變電站現(xiàn)場遠距離測量與數(shù)據(jù)傳輸。

圖5為根據(jù)本發(fā)明又一實施方式一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的方法流程圖。方法500通過阻抗變換器將平板電極傳感器輸入的高阻抗電壓信號變換為低阻抗電壓信號輸出，且輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系，擴展了平板電極電場傳感器的低頻響應(yīng)帶寬。

優(yōu)選地，在步驟501，利用平板電極傳感器在變化的電場中感應(yīng)位移電流，位移電流流經(jīng)平板電極電容和并聯(lián)的阻抗變換器輸入阻抗，形成高阻抗的電壓信號。

優(yōu)選地，在步驟502，將接收的高阻抗的電壓信號變換為低阻抗的電壓信號輸出。

優(yōu)選地，在步驟503，進行電壓信號的采集和記錄。

優(yōu)選地，本發(fā)明實施方式用于測量電場的頻率范圍為0.5Hz至200MHz。

優(yōu)選地，本發(fā)明的實施方式，可以進行變電站開關(guān)操作形成的頻率為0.5Hz至200MHz瞬態(tài)地面電場的測量。

優(yōu)選地，本發(fā)明的實施方式，阻抗變換器響應(yīng)速率高于400MHz，其輸入阻抗高于1GΩ，輸出阻抗為50Ω；阻抗變換器滿足輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系。

優(yōu)選地，本發(fā)明的實施方式，通過同軸電纜傳輸?shù)妥杩闺妷盒盘?，同軸電纜特征阻抗為50Ω。

本發(fā)明實施方式一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的方法500與本發(fā)明另一實施方式一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的系統(tǒng)300相對應(yīng)，在此不再進行贅述。

圖6為根據(jù)本發(fā)明又一實施方式一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的方法流程圖。本發(fā)明的實施方式，通過阻抗變換器將平板電極傳感器輸入的高阻抗電壓信號變換為輸出的低阻抗電壓信號，且輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系，擴展了平板電極電場傳感器的低頻響應(yīng)帶寬。阻抗變換器通過同軸電纜與光發(fā)射器相連，光發(fā)射器通過光纖與光接收器相連，通過光纖傳輸光信號，由于光纖傳輸不會受到變電站復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，實現(xiàn)了變電站現(xiàn)場遠距離測量與數(shù)據(jù)傳輸。光接收器通過同軸電纜將電信號輸出至示波器，實現(xiàn)電場強度的測量。

如圖6所示，方法600從步驟601開始，優(yōu)選地，在步驟601，利用平板電極傳感器在變化的電場中感應(yīng)位移電流，位移電流流經(jīng)平板電極電容和并聯(lián)的阻抗變換器輸入阻抗，形成高阻抗的電壓信號。

優(yōu)選地，在步驟602，將接收的高阻抗的電壓信號變換為低阻抗的電壓信號輸出。

優(yōu)選地，在步驟603，將接收的電壓信號轉(zhuǎn)換為光信號并輸出。

優(yōu)選地，在步驟604，將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

優(yōu)選地，在步驟605，進行電壓信號的采集和記錄。

優(yōu)選地，本發(fā)明實施方式用于測量電場的頻率范圍為0.5Hz至200MHz。

優(yōu)選地，本發(fā)明的實施方式，可以進行變電站開關(guān)操作形成的頻率為0.5Hz至200MHz瞬態(tài)地面電場的測量。

優(yōu)選地，本發(fā)明的實施方式，阻抗變換器響應(yīng)速率高于400MHz，其輸入阻抗高于1GΩ，輸出阻抗為50Ω；阻抗變換器滿足輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系。

優(yōu)選地，本發(fā)明的實施方式，通過同軸電纜傳輸?shù)妥杩闺妷盒盘?，同軸電纜特征阻抗為50Ω。

本發(fā)明實施方式一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的方法600與本發(fā)明另一實施方式一種用于對瞬態(tài)地面電場進行測量的系統(tǒng)400相對應(yīng)，在此不再進行贅述。

已經(jīng)通過參考少量實施方式描述了本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，正如附帶的專利權(quán)利要求所限定的，除了本發(fā)明以上公開的其他的實施例等同地落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

通常地，在權(quán)利要求中使用的所有術(shù)語都根據(jù)他們在技術(shù)領(lǐng)域的通常含義被解釋，除非在其中被另外明確地定義。所有的參考“一個/所述/該[裝置、組件等]”都被開放地解釋為所述裝置、組件等中的至少一個實例，除非另外明確地說明。這里公開的任何方法的步驟都沒必要以公開的準(zhǔn)確的順序運行，除非明確地說明。