光电技术在稳态高电压及冲击高电压测试中的应用.docx

交直流光电测量技术及研究进展1引言高电压环境下的强电磁场测量一直是高压测量的重点研究领域。这方面的测量需既有工频场的测量，也有瞬态场的测量。工场测量主要有输电线路导线附近或地面电场，绝缘子、均压环等高压设备的表面电场分测量等；瞬态场的测量则主要集中在脉冲功率技术、雷电或间隙放电、变电站开关操作过程等的场测量。雷云对大地的放电一旦发生就有可能带来严重的危害。它是电源和信号系统、电子系统中的一个十分重要的暂态干扰源。因此对雷击发生过程空间电磁场分布的研究一直是国际上的一个热点[1，2]。变电站中由于隔离开关和断路器操作而引起的瞬态电磁场通常可以达到200MHz 以上[3]，持续时间可以从5us 到30us，最大电场幅值可以到20kV/m ，最大磁场幅值可以到10-20A/m[4-7]。由以上分析可以发现，高电压环境下的电磁场测量具有以下几个特征与要求：（1）测量点往往处于高电位和强场区域。因此，测量系统的传感器探头部分与后级信号处理部分需要有很好的隔离。（2）需要具有测量瞬变的脉冲电磁场能力。要求测量系统必须具有很好的响应速度，具有很宽的频率响应范围。（3）为了尽量减小传感器对被测电磁场的影响以及空间精确定位测量，需要尽可能小的探头的体积。因此，研究开发一套具有可靠隔离、强抗干扰能力、高频率响应带宽和具有小体积探头的电磁场测量系统成为高电压研究中十分有意义的工作。2 电磁场测量技术的发展电磁场测量的研究随着人们对电磁场的认识而发展。国外科学家对电磁场测量技术的研究始于18 世纪。在19 世纪和20 世纪，物理学上的许多新发现和新材料的研制成功，出现了利用热电效应、电磁效应，光电效应的传感器，到了20 世纪后半期，利用光电效应的传感器由于其抗干扰性能好，对被测电磁场的影响小以及具有响应速度快等特点而得到广泛应用。2.1光电技术的相关知识光电技术确切称为信息光电子技术。它是信息技术两大技术之一。她是是指光波波段，即红外线、可见光、紫外线和软X射线（频率范围3×1011Hz~3×1016Hz或波长范围1mm~10nm）波段的电子学技术。通过光来获取信息（力，温度，声，电流和生物等方面的信息）。20世纪60年代激光问世以来，最初应用于激光测距等少数应用，到70年代，由于有了室温下连续工作的半导体激光器和传输损耗很低的光纤，光电子技术才迅速发展起来。现在全世界敷设的通信光纤总长超过1000万公里，主要用于建设宽带综合业务数字通信网。以光盘为代表的信息存储和激光打印机、复印机和发光二极管大屏幕现实为代表的信息显示技术称为市场最大的电子产品。人们对光电神经网络计算机技术抱有很大希望，希望获得功耗低、响应带宽很大，噪音低的光电子技术。2.2电磁场传感器的发展基于电效应的电磁场传感器经历三代技术[8，9]的发展过程，即：利用热耦检波的热电型传感器，利用二极管检波原理的第二代电磁场传感器和基于集成光路技术的第三代光电型传感器。下面将这三代产品的性能列表如下：表1 三代电磁场传感器性能比较区分第一代第二代第三代原理热效应检波二极管电光效应时间1920~现在1960~现在1990~现在响应时间0.1~10 s0.1~10 ms0.1~10 ps灵敏度1~100 V/m1~10 V/m10μV/m~100测试内容能量能能能电场否能能磁场否能可能频率否否能相位否否能调制否否能极化否能能时间相应否否能第一代传感器利用热电偶效应，在电磁场作用下两个热偶电极产生温差，温差形成的电压通过导线传输到检测器。这种传感器的主要缺点是时间响应速度慢，所以不适合测量变化快的电磁场。第二代传感器基于二极管检波，电磁场信号通过偶极子天线作用到二极管，调制后的信号通过导线传输到检测器。与第一代传感器相比，这种传感器具有较快的响应速度以及较小的体积，是目前电磁场测量用得最广泛的传感器。这种传感器的频带可以达到1GHz。由于受到二极管的热噪声限制，其灵敏度不是很高，通常在1V/m 左右。第三代传感器的检波部分利用了电光效应，直接将电信号转换为光信号传输，最后由光电二极管(高响应带宽)将光信号转换成电信号。2.3电磁场测量技术的对比分析这里，我们将以上第一代和第二代传感器统称为传统电磁场测量传感器。它们对信号的检测基于时域平均，所以主要对信号的能量进行测量，而不适于测量信号的瞬时值，如瞬态电磁场波形、相位、频率等。而且它们大多是基于电路设计的，探头和输出装置多通过电气线路连接，测量信号通过连接线传输到输出装置，这种结构的电磁场测量装置有以下几个显著的缺点：1．由于在被测区域引入包括探头、连接线、接收天线等金属设备，空间电磁场在这些设备产生的电磁感应现象将造成空间电磁场的重新分布；2．连接线、探头和输出设备组成的信号传输通路将可能成为发射源，从而对被测区域的电磁场产生干扰，测量结果将可能严