随着新型电力系统能源供需侧的构成日趋多样化,输电线路工频稳态、高次谐波、高频暂态等电压成分也逐渐增加,随机性系统运行失稳与故障演变过程也变得更加复杂。当前电压测量方式主要受装置体积、响应能力及应用场景限制,逐渐难以满足广域全景感知和运行状态评估的大量数据需求。以电场为间接参数的非侵入式电压测量方法,具有响应频带宽、装设简单、易于布点等优势,在输电线路实时诊断、智能控制和运行保护等方面具有重要价值。然而,当前电场传感器主要面向标量测量,其幅值与方向特性容易受到角度偏差影响。对于电压反演方法,电场积分法部分积分节点参数无法满足传感器的实际应用条件,而三相电压解耦方法需要装设多个传感器,其系数矩阵复杂且反演精度较低。论文面向上述测量问题,设计出具备宽频响应及抵抗角度偏差特性的矢量电场传感器及系统,引入两类节点参数修正的电场积分法实现传感位置优化,提出电场自解耦方法实现了单传感器对三相输电导线的电压反演。论文详细工作及成果归纳如下:（1）以非侵入式电压测量为目标,完成了输电线路“源-场-感”关系的正逆问题分析。首先,由源到场介绍了典型电荷系统的空间电场分布、正问题电场计算方法、场源边界问题及输电线路场效应分析;然后,讨论了场效应作用下传感器敏感电极存在的色散与极化效应;最后,介绍了由场到源的逆问题计算方法并完成病态性讨论。研究内容为输电线路空间电场效应、矢量电场传感器场路耦合设计、非侵入式电压反演算法及优化提供理论基础。（2）研究并制作出一种具有宽频及抗角度偏差测量特性的正交耦合弧面六电极矢量电场传感器及测量系统。首先,基于多维电场耦合原理研究敏感电极划分及矢量合成方法,提出一种弧面六电极矢量电场传感器并完成两类等效电路分析;然后,根据有限元电容参数仿真和电路分析结果确定传感器设计参数,并讨论其抗角度偏差测量机制;最后,完成多类传感器探头制备及测量系统设计,分别进行暂稳态及抗角度偏差测试。结果表明,传感器可实现宽频及抗角度偏差矢量电场信号测量,且电压测量的相对幅值误差小于2%。（3）研究基于节点参数修正的电场积分式电压反演方法,解决部分节点选取难以满足现场应用条件的问题。分别提出切比雪夫节点重构积分法与固定节点的勒让德积分法,通过近地与近源区域划分及固定节点插值,进行位置参数与权重参数修正,实现低位节点10%以上对地距离的抬升和高位节点10%以上对导线高度的下降,提升电压测量精度的同时保障传感器现场装设适配性。结果表明,两类积分法测量误差均小于0.5%,且切比雪夫节点重构积分法比固定节点的勒让德积分法电压测量精度更高。（4）研究了输电线路矢量电场自解耦方法,实现了单传感器对三相电压的反演。首先,引出矢量电场与三相电压的自解耦正问题矩阵,进行传感信源降维与自适应位置参数融入;其次,根据水平分布、正三角及倒三角输电导线排列方式与正交耦合传感器结构,进行矩阵系数的最大程度等效,简化解耦矩阵规模并实现三相电压反演;然后,引入梯度下降测点寻优方法,得到满足目标测量需求的过电压测点位置;最后,分别在单相及三相过电压实验平台下,对传感器暂态过电压测量性能进行实验。结果表明,电场传感器进行单相过电压测量时的幅值误差小于3%,标准差小于0.088%,采用自解耦方法实现的三相过电压测量幅值误差小于3.5%。（5）针对电场积分法及电场自解耦方法,根据节点参数或解耦系数矩阵建立特异性的不确定度评估模型,用于评估各非侵入式电压反演方法的稳定性。根据重复性实验与不确定度评估结果,固定节点型勒让德积分法的不确定度小于切比雪夫重构积分法,具有更好的电压测量稳定性。电场自解耦方法在最优测点处的三相电压反演结果相对扩展不确定度为8.74%、6.44%、7.95%,远小于非最优测点对应不确定度,证明了电场自解耦及测点寻优方法实现非侵入式电压测量的有效性。