汪金剛，林 偉，李 健，毛長斌，何 為，王 平

(1.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044;2.重慶電力試驗(yàn)研究所，重慶401123;3.重慶電力公司北碚供電局，重慶400700)

0 引言

在電力工業(yè)中，精確地測量電力設(shè)備周圍空間電場與變化，對電力設(shè)備的設(shè)計(jì)制造和安全運(yùn)行有重要的意義，如高壓電力設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化;并且隨著電壓等級的提高，不僅輸變電設(shè)備本身的電場分布成為研究的熱點(diǎn)，電力系統(tǒng)電磁兼容問題也引起人們重視，對其進(jìn)行研究也需要電場測量。同時(shí)，除電力系統(tǒng)電磁兼容問題外，很多其他領(lǐng)域也存在電磁兼容問題，都需要對工頻電場進(jìn)行測量［1，2］。

關(guān)于電場測量有很多方法，電荷法是通過對小球在電場中捕獲的電荷來計(jì)算電場，具有很大的局限性［3］。文獻(xiàn)［4，5］分別采用壓電陶瓷和壓電石英感知電場大小，實(shí)現(xiàn)了對工頻電壓的測量。已有的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)空間電場的準(zhǔn)確測量，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，難以大面積推廣使用。采用電容式交變電場傳感器設(shè)計(jì)的電場檢測裝置，結(jié)構(gòu)簡單，測量準(zhǔn)確，成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)，在場強(qiáng)較高的情況下，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量，用于變電站間隔電場測量，線路、配電房等電場警示，帶電作業(yè)防止誤闖帶電區(qū)域警示。

1 交變電場傳感器原理

處于交變電場中的傳感器，在其表面會產(chǎn)生感應(yīng)電荷，在傳感器的電極間接入測量電容器后，電容器上產(chǎn)生的電壓便可作為測量信號［6，7］。

一維球型傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，將一中空的金屬球殼分成兩部分，通過絕緣物質(zhì)將其連接在一起，就構(gòu)成了電容傳感器;分隔后的上半球面和下半球面為傳感器的2個(gè)電極。

圖1 球型傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Spherical sensor

球型傳感器放入電場后，球殼上的表面電荷量與球心處的電場強(qiáng)度E0(t)成正比

其中，K為比例系數(shù)。這些感應(yīng)電荷將在取樣電容CM上產(chǎn)生一個(gè)微小的電壓為

將式(1)代入式(2)可得

通過測量取樣電容上的電壓UM(t)就可以得到E0(t)，這就是電容式傳感器測量的基本原理［1］。

若在傳感器的2個(gè)電極間接入測量電容CM，由式(2)可知，在均勻電場中該測量電容上的電壓UM1(t)

在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，盒型、平行板結(jié)構(gòu)交變電場傳感器制作簡單，運(yùn)用的較多。據(jù)文獻(xiàn)［7～9］，對矩形結(jié)構(gòu)可近似地將其最大對角線長度的一半作為其等效半徑。在均勻場下標(biāo)定的這些結(jié)構(gòu)的電場傳感器，在同樣條件下，與球型傳感器一樣，用于測量非均勻電場時(shí)的誤差仍然很低，只從球型結(jié)構(gòu)的1%增加到不足2%。

2 電場測量裝置設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

采用交變電磁場傳感器來檢測高壓工頻電場，系統(tǒng)工作場合為高壓輸電線附近或變電站內(nèi)，這些場所電磁環(huán)境復(fù)雜，條件惡劣，因此，對系統(tǒng)的抗干擾性要求高。另外，測量裝置應(yīng)盡量減小對被測電場的場強(qiáng)分布的干擾。為了滿足高壓工頻電場測量的需要，設(shè)計(jì)了高壓工頻電場測量裝置，型號為EM1。裝置以C8051F020單片機(jī)為信號處理和控制核心，由傳感器、測量電路、單片機(jī)綜合分析電路、輸出電路四部分組成，系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖Fig 2 Principle diagram of system

交變電場傳感器將電場信號轉(zhuǎn)換成與待測電場相對應(yīng)的電壓信號，然后，測量電路對電壓信號進(jìn)行濾波放大和信號調(diào)理;調(diào)理后的信號送入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)根據(jù)推導(dǎo)計(jì)算公式進(jìn)行綜合處理，獲得電場實(shí)測值，由單片機(jī)控制輸出電路將待測電場值進(jìn)行液晶顯示，并結(jié)合GB 16203—1996配置了聲光報(bào)警系統(tǒng)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

工頻電場測量系統(tǒng)的工作流程如圖3，開機(jī)后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，對各個(gè)工作單元進(jìn)行自檢;然后，單片機(jī)片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換單元根據(jù)定時(shí)器的控制開始對信號處理，單元輸出的電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換結(jié)束后，對數(shù)據(jù)序列進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波處理，并進(jìn)行進(jìn)一步均值處理計(jì)算，得到單位時(shí)間的平均場強(qiáng)和該時(shí)間內(nèi)的最大、最小值。計(jì)算平均場強(qiáng)的單位時(shí)間可以預(yù)設(shè)，一般為30 s。獲得場強(qiáng)值后，由LED顯示電路顯示結(jié)果，同時(shí)結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行場強(qiáng)警示。

圖3 主程序流程Fig 3 Flow chart of main program

3 傳感器固有電容選擇與線性度分析

3.1 電容選擇原則

當(dāng)傳感器的幾何結(jié)構(gòu)確定之后，其固有電容值Cx也隨之確定，接入測量電容CM后，系統(tǒng)測量既可以取CM兩端的電壓，也可取電流信號。忽略取樣電容、傳感器固有電容的電阻與信號處理回路的影響，可以得到測量回路的戴維南等效電路如圖4所示。

圖4 測量回路的戴維南等效電路Fig 4 Therenin equivalent circuit of measuring module

圖4中，針對取電壓信號的處理電路，考慮傳感器固有電容Cx的影響，對式(3)進(jìn)行修正。等效電壓源US(t)與傳感器固有電容值及在電場中的感應(yīng)電荷量相關(guān)

考慮傳感器固有電容Cx的影響時(shí)，均勻場中測量電容器兩端電壓為

由式(5)可以看出:傳感器的固有電容Cx越大，對測量電路的影響越大。因此，要獲得符合信號處理電路要求的取樣電壓值UM(t)，應(yīng)對傳感器固有電容的大小進(jìn)行分析，才能正確選擇取樣電容。文獻(xiàn)［1］所采用的半徑為3 cm，絕緣板的厚度為2 mm的球型探頭，經(jīng)計(jì)算可得其探頭的固有電容為2.3 pF。經(jīng)過計(jì)算，本設(shè)計(jì)的傳感器本身的固有電容為10 pF。取樣電容為納法級，遠(yuǎn)大于傳感器的固有電容，因此，可以近似忽略傳感器固有電容對測量電壓的影響。

3.2 不同CM時(shí)線性度分析

電場測量裝置設(shè)計(jì)好后，利用其進(jìn)行傳感器測量電容CM的進(jìn)一步確定，使得裝置在要求測量場強(qiáng)范圍內(nèi)，具有良好的線性度。

PMM8053A電磁場測量儀具有很高的準(zhǔn)確度，在50 Hz，1 kV/m時(shí)的相對誤差為±0.5 dB。采用PMM8053A電磁場測量儀測出選定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電場強(qiáng)度值;然后，依次在本文設(shè)計(jì)的高壓工頻電場測量系統(tǒng)(EM1)傳感器兩端并聯(lián)不同的測量電容，在選定點(diǎn)進(jìn)行測量，分別讀取測量值，結(jié)果如圖5。測量過程中應(yīng)注意使EM1工頻電場測量系統(tǒng)的傳感器高度與PMM8053A電磁場測量儀測量時(shí)的高度保持一致，固定為1.5m;在讀數(shù)過程當(dāng)中，應(yīng)盡量避免人體鄰近效應(yīng)對電場的干擾。

圖5 不同CM下測量數(shù)據(jù)的線性度對比Fig 5 Linearity comparison of measured data between different CM

從圖3可以看出:在不同測量電容下，傳感器具有一定的線性度。

當(dāng)CM值為零時(shí)，測量線性度較好，但傳感器輸出信號過大，不利于測量。當(dāng)CM值較小時(shí)，對低場強(qiáng)具有較好的測量性能，而對電場強(qiáng)度較大時(shí)性能不佳;相反，當(dāng)CM值較大時(shí)，在場強(qiáng)較大時(shí)有較好的測量性能，場強(qiáng)低的位置的測量結(jié)果為零，無法分辨。因此，根據(jù)試驗(yàn)情況和設(shè)計(jì)需要等綜合分析，實(shí)際CM值的選擇為20 nF。

4 高壓電場測量試驗(yàn)研究

以PMM8053A電磁場測量儀的測試數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)了EM1系統(tǒng)的電場測量性能，主要包括:

1)對系統(tǒng)校正后，在陳家橋變電站500 kV輸電線下進(jìn)行了電場對比測量。試驗(yàn)環(huán)境:晴天，溫度為25℃，濕度為69%RH，傳感器高度為1.5 m;

2)在河南500 kV祥符變電站220 kV開關(guān)間隔進(jìn)行了試驗(yàn)，檢驗(yàn)校正后的系統(tǒng)測量效果。試驗(yàn)環(huán)境:晴天，溫度為18℃，濕度為34%RH，傳感器高度為1.5 m。

圖6為500 kV輸電線電場測量數(shù)據(jù)對比，圖7是220 kV開關(guān)間隔的電場測量數(shù)據(jù)對比。

圖6 500 kV輸電線電場測量數(shù)據(jù)對比圖Fig 6 Comparison chart of the measured data on 500 kV transmission line

圖7 220 k V開關(guān)間隔的電場測量對比Fig 7 Comparison chart of the electric field measuring in 220kV switch yard

1)從數(shù)據(jù)折線圖走勢來看，兩者基本一致，表明EM1在強(qiáng)電場環(huán)境中能準(zhǔn)確測量電場。

2)EM1的測試數(shù)據(jù)與作為參照的PMM8053A電磁場測量儀的測試數(shù)據(jù)相關(guān)度很好，平均誤差小于5%;在電場較低時(shí)，仍然有一定的誤差，最大誤差為11.2%。

5 結(jié)論

研究了電容式電場傳感器測量原理，根據(jù)測量需要和線性度分析設(shè)計(jì)了電容式交變電場傳感器，使用該傳感器進(jìn)行了電場測量裝置的研究。在500 kV輸電線路和220 kV開關(guān)間隔下進(jìn)行了高壓工頻電場測量試驗(yàn)，結(jié)果表明:在較高電場(＞1 kV/m)區(qū)域，EM1裝置測量結(jié)果具有較好的線性度和準(zhǔn)確度，可以用來作為電場環(huán)境監(jiān)測預(yù)警、電力檢修時(shí)走錯(cuò)間隔預(yù)警。

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