华北电力大学李庆民教授团队提出一种空间电荷电光探测系统测量灵敏度评估方案

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导语

新型电力系统高频装备绝缘受复杂电应力易积聚空间电荷，畸变电场威胁安全。现有非光学测量时空分辨率低，新兴电光探测灵敏度不足且缺乏系统优化。亟需从探测原理层面突破灵敏度与带宽瓶颈，满足瞬态测量需求。

华北电力大学新能源电力系统全国重点实验室李庆民教授团队提出一种空间电荷电光探测系统测量灵敏度评估方案搭建了反射法/透射法传变模型和电光探测灵敏度分析平台，遴选出测量系统的最优配置，据此提出了结合光学采样的优化方案，为高时空分辨探测提供一定参考。

研究背景

随着新型电力系统高比例电力电子化和高比例新能源特征日益显著，高频电力电子装备绝缘需承受PWM开关脉冲等复杂电应力，运行条件严苛。复杂应力下绝缘内部空间电荷积聚速度快、分布范围小，会严重畸变局部电场，威胁设备安全。

然而，现有非光学测量方法时空分辨率低，难以满足瞬态测量需求；新兴电光探测方法虽具潜力，但灵敏度不足，无法有效捕捉微弱电荷扰动电场，且系统拓扑与传感参数缺乏系统优化，亟需从探测原理层面突破灵敏度与带宽瓶颈。

论文所解决的问题及意义

针对解决现有电光探测系统灵敏度不足、无法有效捕捉微弱电荷扰动电场，以及测量拓扑与传感参数缺乏系统优化的问题，本文建立了反射法拓扑的光-机械-电全过程信号传变模型，提出了以高灵敏度为导向的优化设计方法，引入了光学采样原理破解带宽限制，并实验验证了优化后系统可实现ps级脉宽电场追踪测量，为研制具备nm级空间分辨率的空间电荷测量仪器提供有力支撑。

论文方法及创新点

1、反射法和透射法灵敏度对比拓扑模型

构建“光-机械-电”全过程信号传变模型，并推导了两种拓扑下平衡探测器输出光强差的解析表达式。理论分析表明，在探测光有效光程相当时，透射式拓扑受传感器几何尺寸限制，仅约5%～10%的探测光能够进入传感器并参与电光调制；反射式拓扑则有超过95%的探测光可透入传感器形成有效探测信号。因此，反射式拓扑能够获得更强的输出响应和更高的测量灵敏度。

图1 透射法电光测量平台

图2 反射法电光测量平台

2、电光探测灵敏度分析平台

对比四种电光晶体在高频脉冲电场下的响应，电光系数最大的LiNbO₃（30.4 pm/V）展现出最优输出特性，且在窄脉冲下波形无畸变。同时，通过角度扫描实验发现，入射角度越逼近布鲁斯特角，有效探测光透过率越高，灵敏度越好。

图3 电光探测灵敏度分析平台原理示意图

图4 不同入射角度下的探测系统灵敏度

图5 正弦电压施加下不同电光系数的探测系统灵敏度

3、基于光学采样原理的高灵敏度电光探测系统

在电光采样测量原理下，探测端采用飞秒脉冲激光器作为探测光源，将高频测量转换为准直流采集，有效降低了噪声水平并规避了电气带宽限制。经理论推算，对应空间分辨率可达10 nm。

图6 基于光学采样原理的高灵敏度空间电荷电光探测系统

结论

1）反射法测量拓扑相比透射法具有更高的测量灵敏度，且在高频窄脉宽电荷信号下能保持良好的输出线性度。

2）传感器的电光系数越大、探测光入射角度越接近布鲁斯特角，测量灵敏度越高；而探测器带宽是限制系统响应速度和分辨率的核心因素。LiNbO₃晶体和约66°入射角的组合实现了传感参数层面的灵敏度最优化配置。

3）在反射法拓扑和传感参数优化的基础上，引入光学采样原理搭建的高灵敏电光探测系统，实现了对皮秒级脉宽电场信号的追踪测量，系统灵敏度与带宽分别达到mV/mm和THz级别。经理论计算，该系统具备实现空间电荷nm级空间分辨率测量的潜力，为后续研制新一代高时空分辨空间电荷测量仪器提供了核心技术与方案。

团队介绍

面向国家未来电网发展的重大技术需求，先进输电装备与智能化研究团队依托华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室、高电压与电磁兼容北京市重点实验室等科研平台，先后主持国家重大专项/重点研发计划2项、国家自然科学基金19项（其中重大和重点5项）、国家重大专项课题1项、973计划和863计划子课题4项以及各类科研课题70余项，重点针对高压交直流GIS/GIL、高性能绝缘与电接触材料、光电子学微纳传感与测量、新能源系统雷击物理及防护等方向开展创新研究。团队现有专职教师5人，其中教授3人，副教授1人，讲师1人；研究生90余人，其中博士研究生18人，硕士研究生70余人。

李庆民

华北电力大学电气与电子工程学院高电压与绝缘技术研究所教授，博士生导师。现任高电压与电磁兼容北京市重点实验室主任，新能源电力系统国家重点实验室高压研究室主任。研究方向包括高压交直流GIS/GIL；高性能绝缘与电接触材料；光电子学微纳传感与测量；新能源系统雷击物理及防护等。

任瀚文

副教授，博士生导师。主持国家自然科学基金重大仪器项目课题等纵向项目，入选IEEE Steven A. Boggs青年学者成就奖、IEEE传感学会青年技术成就奖、中国科协青年人才托举工程等，研究方向为高频绝缘特性、绝缘光学测量技术等。

綦天润

讲师，分别于2022、2026年在华北电力大学电气与电子工程学院获得工学学士、博士学位，发表SCI/EI论文30余篇，入选2024年度中国科协青年人才托举工程（博士专项），研究方向为高频绝缘测量与评估、先进光学传感等。

本工作成果发表在2026年第13期《电工技术学报》，论文标题为"空间电荷电光探测系统测量灵敏度评估"。本课题为国家自然科学基金、河北省省级科技计划和中国科协青年人才托举工程资助项目。

引用本文

綦天润, 王伟, 任瀚文, 高浩予, 李庆民. 空间电荷电光探测系统测量灵敏度评估[J]. 电工技术学报, 2026, 41(13): 4569-4583. Qi Tianrun, Wang Wei, Ren Hanwen, Gao Haoyu, Li Qingmin. Measurement Sensitivity Assessment of Space Charge Electro-Optical Detection System. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(13): 4569-4583.