关键词:
开关柜
电场传感器
MEMS技术
耦合机理
摘要:
高压开关柜是电力系统中重要的电气设备之一,其正常工作是电力系统稳定、可靠运行的关键,而带电显示装置是确保高压开关柜安全作业的重要设备,原理是通过内部电场传感器检测设备的带电状态,传统接触式电场传感器一般与高压导体连接,具有一定安全隐患,非接触式带电显示装置具有安全性高和操作方便等特点,是当下的研究热点,而随着高压开关柜数量的增加和整体小型化趋势,内部传感器也将面临小型化、智能化的需求,因此,针对目前开关柜内部传感器发展需要,本文提出了一种压电压阻耦合的非接触式电场传感器技术,为开关柜设备的带电检测提供了一种创新的解决方法。
本文对开关柜内部工作环境以及现有传感器机理进行分析,提出了压电压阻效应耦合的非接触式传感器技术,通过理论结合以及公式推导介绍了传感器的工作机理,依据耦合机理以及性能需求对传感器进行设计,创新性构建了利用金字塔状玻璃固定的压电压阻耦合的传感器模型结构,利用COMSOL仿真软件进行有限元研究,通过材料设置、网格划分、物理场设置等步骤对传感器模型进行配置,为接下来传感器优化工作提供理论支撑以及模型支持。
对传感器进行了应变研究,专注于优化传感器的结构,通过系统地改变关键参数,得到半导体薄膜表面应变规律,以及不同尺寸下的压电晶体和半导体薄膜应变位移量,成功得到了灵敏度与尺寸参数之间的关系,解决了传感器结构优化问题,优化后传感器应变性能提高了20%-25%。其次,通过对传感器薄膜应变的定性分析以及定量研究,找到了薄膜表面高应变集中区域,解决压阻电阻位置设计问题,以获得传感器内部的最优感应能力以及输出性能。
构建性能测试环境,研究传感器在稳态电场以及瞬态时域下的响应、不同频率下的机械耦合情况和在不同电压下的输出特性,对传感器进行了性能测试,实验结果表明,该传感器具有优异的机械应变能力,在双指数波下的电场追踪能力优秀,响应迅速,确定其在截止频率1Mhz范围内能进行有效应变,且传感器的输出电压与电场强度呈线性关系,验证了传感器在电场中测量的有效性。