實驗名稱：基于銅板和壓電-壓阻耦合敏感元的電場傳感器取向夾角影響測量實驗

　　研究方向：探究壓電-壓阻耦合式電場傳感器與電場強度取向夾角對矢量測量精度的影響機制及電力系統(tǒng)故障監(jiān)測應(yīng)用優(yōu)化。通過有限元仿真和銅板模擬實驗量化0°~75°夾角范圍內(nèi)測量誤差的作用規(guī)律；進一步結(jié)合無人機平臺優(yōu)化故障定位方法，在電壓異常和線路垂落故障模型中驗證應(yīng)用可行性：當取向夾角≤45°時實測誤差≤1mV，故障定位精度提升至綠點處比例因子0.8125；揭示取向夾角與測量線性度、系統(tǒng)誤差的定量關(guān)聯(lián)，為高壓線路安全維護提供非接觸式監(jiān)測設(shè)計依據(jù)。

　　實驗目的：首先通過有限元仿真和銅板模擬實驗探究了電場傳感器與電場強度取向夾角在0°~75°范圍內(nèi)對測量精度的影響機制；進一步基于取向夾角≤45°時實測誤差≤1mV的結(jié)果，設(shè)計無人機攜帶該傳感器的故障監(jiān)測方案，并通過電壓異常和線路垂落故障模型的仿真研究其定位有效性。

　　測試設(shè)備：COMSOL多物理場仿真軟件、信號發(fā)生器、高壓放大器ATA-7050、示波器、數(shù)據(jù)采集卡、屏蔽實驗箱、定制銅板裝置。

　　實驗過程：首先通過有限元仿真模擬電場傳感器在0°~75°取向夾角下的輸出特性，發(fā)現(xiàn)當取向夾角≤45°時測量誤差≤1mV，且輸出隨角度變化符合余弦規(guī)律；基于此設(shè)計銅板模擬實驗平臺，選用PZT-5H壓電振子和P型硅應(yīng)變片構(gòu)建敏感元，在71.5kV/m電場中實測0°~75°傾角下的輸出信號，驗證了45°內(nèi)實測與仿真誤差<1mV的可靠性。隨后在故障監(jiān)測仿真中，建立400kV輸電線模型，針對電壓異常（一相200~600kV）和線路垂落（15m→5m）兩類故障，選擇綠點（y=20m,z=25m）作為無人機測量位，通過比例因子反演場強，確認電壓異常時比例因子變化范圍0.8125~0.8474，垂落時取向夾角變化具單調(diào)性。最后設(shè)計無人機巡航方案：固定傳感器極化面水平，沿x軸掃描50m線路，對比實測場強分布與仿真預期，實現(xiàn)故障類型判別與定位。

　　圖1壓電-壓阻耦合式電場傳感器敏感元結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖2壓電振子感受到的電場強度分析模型示意圖

　　圖3電場傳感器敏感元封裝實物圖

　　圖4多材料堆疊影響分析模型示意圖

　　圖5測試系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)圖

　　圖6測試系統(tǒng)實物圖

　　實驗結(jié)果：通過有限元仿真和銅板模擬實驗證實，當電場傳感器與電場方向的取向夾角在0°~45°范圍內(nèi)時，實測輸出信號與仿真結(jié)果差異≤1mV，驗證了輸出信號隨角度增大呈

　　的余弦衰減規(guī)律，該現(xiàn)象源于壓電振子在垂直極化面電場分量主導下的長度伸縮形變；而當取向夾角＞45°時，平行電場分量引發(fā)的非理想形變導致誤差顯著增大，明確界定45°為矢量測量的可靠性邊界。進一步在高壓輸電線故障監(jiān)測應(yīng)用中：利用綠點（y=20m,z=25m）處的比例因子變化成功反演電壓異?！斠幌嚯妷簭?00kV降至200kV時(仿真結(jié)果)，比例因子從0.8282升至0.8474，結(jié)合傳感器50V/m的分辨率實現(xiàn)電壓值反演誤差＜5%；同時通過線路垂落仿真（15m→5m）發(fā)現(xiàn)綠點處取向夾角呈單調(diào)遞增趨勢，無人機搭載傳感器巡航掃描該變化可定位垂落點，精度達±1m。最終提出安全操作準則：優(yōu)先選擇測量點全程滿足取向夾角≤45°，并預標定比例因子，無人機定高25m、水平偏移20m巡航時實測場強誤差≤50V/m，同步實現(xiàn)電壓異常判別與垂落故障定位，徹底規(guī)避高壓環(huán)境人工調(diào)整傳感器的風險。

　　圖7銅板模擬環(huán)境下不同電場方向?qū)?yīng)的實測結(jié)果、仿真結(jié)果及測量結(jié)果比例因子

　　圖8電壓異常時的仿真結(jié)果——輸電線右側(cè)一相電壓幅值異常時周圍電場分布

　　圖9電壓異常時的仿真結(jié)果——綠點處取向夾角變化

　　圖10線路垂落時的仿真結(jié)果——各種垂落情況下線路周圍電場分布

　　圖11線路垂落時的仿真結(jié)果——沿線路延伸方向上取向夾角變化

　　產(chǎn)品推薦：ATA-7050高壓放大器

　　圖：ATA-7050高壓放大器指標參數(shù)

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