唐立軍， 顧植彬， 彭春榮， 李 維

(1.云南電網(wǎng)公司 電力科學研究院，云南 昆明 650217；2.中國科學院 電子學研究所 傳感器技術(shù)國家重點實驗室，北京 100190；3.中國科學院大學，北京 100190)

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，高壓(特高壓)輸電線路日益增多,而高壓輸電線路的強電場環(huán)境對線路作業(yè)人員和附近居民的健康構(gòu)成了威脅，由于缺少相應的檢測設備而引發(fā)事故和糾紛屢見不鮮[1～4]。同時輸電線路如果發(fā)生故障(缺相或相位異常)，會引起線路電場發(fā)生改變，可以通過對輸電線路工頻電場檢測和對比進行故障判斷[5～8]。綜上，輸電線路工頻電場檢測在強電磁場暴露安全防護、輸電線路故障判斷等方面有著十分重要的應用價值。

目前，工頻電場檢測主要采用傳統(tǒng)的電荷感應式電場傳感器，與傳統(tǒng)的電場傳感器相比[9]，微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)微型電場傳感器[10～12]具有體積小、空間分辨率高、功耗低等優(yōu)點。

本文針對MEMS電場傳感器空間尺寸小，感應信號微弱，串擾噪聲強，信噪比低，設計了前置放大電路和快速模擬解調(diào)電路對感應信號進行放大、濾波和解調(diào)處理，得到反映工頻電場大小的正弦信號。基于ARM微控制器設計信號的處理和無線發(fā)射模塊，通過藍牙發(fā)送至上位機顯示。

輸電線路下的工頻電場檢測實驗表明：系統(tǒng)具有良好的檢測性能，檢測結(jié)果與先進的Narda電場測量儀具有較好的一致性。

1 電線路工頻電場檢測系統(tǒng)

圖1為輸電線路工頻電場檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，主要包括：MEMS電場敏感芯片、前置放大電路、模擬解調(diào)電路、驅(qū)動電路、中心處理模塊和上位機。采用直接數(shù)字式頻率合成器 (direct digital synthesizer,DDS)產(chǎn)生高頻的驅(qū)動信號，使MEMS屏蔽電極周期高頻振動，調(diào)制工頻電場，產(chǎn)生感應電流信號。電流信號經(jīng)過前置放大電路和模擬解調(diào)電路處理，基于ARM芯片完成數(shù)據(jù)采集和處理，通過藍牙傳輸至上位機，實時顯示和存儲電場大小。藍牙無線傳輸保證了MEMS電場傳感器探頭與地隔離，測量不受地電勢的影響，提高了測量的準確性，也提高了系統(tǒng)的安全性。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 MEMS電場敏感結(jié)構(gòu)

諧振式MEMS電場敏感芯片主要由驅(qū)動電極、屏蔽電極、感應電極和支撐梁4部分組成[12]。屏蔽電極接地，感應電極與檢測電路相連接，外加電場的作用下，驅(qū)動電極施加3kHz(共振頻率)的正弦驅(qū)動信號，帶動屏蔽電極左右周期振動，根據(jù)高斯定律，感應電極上的感應電荷隨之發(fā)生改變，因此，當屏蔽電極周期性地在正負感應電極之間振動，感應電極上電荷發(fā)生交替變化，產(chǎn)生微弱的感應電流。

1.2 前置放大電路

如圖2所示，采用兩級放大電路對微弱的差分電流信號轉(zhuǎn)換放大；第一級采用互阻抗放大器對差分電流信號進行I/V轉(zhuǎn)換；第二級采用精密儀表放大器對差分信號合成放大。

圖2 前置放大電路原理

在第一級I/V轉(zhuǎn)換電路中，Rf1=Rf2=Rf，Cf1=Cf2=Cf,其輸出電壓取決于輸入電流和反饋電阻值:Vout=i_positiveoRG，需要與反饋電阻器并聯(lián)反饋電容器，用于補償反相節(jié)點的寄生電容值，保持穩(wěn)定性。通過理論計算反饋電阻值Rf=1MΩ；I/V轉(zhuǎn)換帶寬f-3dB=10kHz；可使電路穩(wěn)定并達到帶寬目標的最大反饋電容值

(1)

選取反饋電容值Cf=1pF，傳感器的輸出電容值Cj=3.849×10-3pF；假定放大器的輸入電容器的Cd=10pF，則放大器等效輸入電容值Cin=Cj+Cd≈10pF，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，使運放的開環(huán)增益與反饋系數(shù)在波特圖中交點的閉合速度為-20dB，確定放大器的增益帶寬fGBW,MHz

(2)

綜上選取AD8626為I/V轉(zhuǎn)換芯片。其運放增益帶寬積為5MHz，偏置電流僅為0.25pA，偏置電壓為1μV，偏置電壓漂移系數(shù)2.5μV /C。第二級采用儀表放大器AD8421，通過設置外置電阻值RG確定差分信號合成放大倍率。其中輸出電壓為Vout=G×(V+in-V-in)+VREF(VREF=0利用CMRR的優(yōu)勢抑制接地噪聲)。放大倍率G通過外置電阻值RG確定

(3)

由式(3)可知，選取外置電阻值RG為1.1kΩ ，則放大倍率為10，因此，前置放大電路將納安(nA)量級的電流信號轉(zhuǎn)換為毫伏(mV)量級的電壓信號。

1.3 模擬解調(diào)電路

為了避免工頻噪聲等因素的干擾，諧振式MEMS電場敏感芯片將原有電場信號調(diào)制到高頻端(3000±50)Hz需要對高頻調(diào)制信號進行解調(diào)、濾波處理得到被測的電場信號。由于該系統(tǒng)用于電場檢測實現(xiàn)安全預警和故障判斷等功能，要求系統(tǒng)具有較快的響應速度，但受到ARM嵌入式系統(tǒng)數(shù)值采樣率和運算效率的限制，無法實時完成數(shù)字解調(diào)和濾波處理。為解決以上問題，設計了一種可抑制背景噪聲的快速模擬解調(diào)電路，如圖3所示，電路主要由乘法器電路、跟隨器電路和帶通濾波器組成。

圖3 模擬解調(diào)電路原理

采用AD633乘法器將電壓信號VIN1與調(diào)制信號VR1相乘，AD633是一個功能完整的四象限模擬乘法器。采用激光校準法保證總精度為2%，-3dB增益帶寬fGBW為1MHz。乘法器的X2端、Y2端、Z端接地，X-1端接電壓信號，Y-2端接驅(qū)動(載波)信號，則輸出端W的輸出信號含有50,2950Hz和3050Hz正弦信號分量，故采用50Hz帶通濾波器，濾除高頻分量，得到反映工頻電場大小的50Hz正弦信號

(4)

采用通用型有源濾波器芯片UAF42，在設計軟件Filter42上設計了中心頻率為50Hz，-3dB帶寬為5Hz，品質(zhì)因數(shù)Q為10的4階巴特沃斯帶通濾波器，通過軟件確定了各個元件參考值。圖4為TI公司的軟件TINA仿真的濾波器幅頻特性曲線，-3dB帶寬為3.48Hz，中心頻率為50Hz，Q為14.36。

圖4 TINA仿真幅頻特性曲線

圖5為研制的輸電線路工頻電場檢測系統(tǒng)樣機，為了便于手持檢測，樣機體積為11cm×5cm×2.7cm，功耗為0.5W，一次充電可正常工作4～5h。探頭外殼采用直徑為Φ26mm的聚合物半圓柱蓋，用來隔斷外部環(huán)境，防止外部環(huán)境中顆粒、氣體對傳感器芯片的污染和腐蝕。為了降低電網(wǎng)復雜電磁環(huán)境對電路造成的影響，采用接地的金屬外殼對內(nèi)部電路進行屏蔽。

圖5 手持式工頻電場檢測系統(tǒng)樣機

2 實驗及結(jié)果分析

2.1 標定實驗

為了測試工頻電場檢測系統(tǒng)樣機的性能，確定探頭靈敏度、總不確定度等系數(shù)，對其進行工頻電場標定。采用標定電場箱，該裝置以高精度程控電壓源作為輸入電壓，保證了整個設備的標定精度。打開系統(tǒng)樣機，與上位機建立無線連接，標定最大輸入電壓為1.2kV，平行板電容間距為20cm。施加的電場值為0～6kV/m，往返3個行程(共6組數(shù)據(jù))，傳感器的總不確定度為1.4%，其靈敏度系數(shù)為4.74mV/(kV/m)。圖6為標定曲線。

圖6 系統(tǒng)標定曲線

2.2 高壓輸電線路工頻電場現(xiàn)場測試

主要測試10kV和35kV高壓輸電線路正下方與其投影垂直方向10m的范圍內(nèi)電場分布，檢測高度約為1.8m。由于10kV輸電線和35kV輸電線呈上三角形結(jié)構(gòu)，根據(jù)理論仿真結(jié)果[13],其電場呈現(xiàn)“馬鞍形”分布，即輸電線路正下方電場較低，隨著兩側(cè)距離的增大電場增大至最大值，然后逐漸減小。圖7為MEMS工頻電場檢測儀與德國Narda EFA—300在10kV和35kV輸電線路的檢測曲線，二者具有良好的一致性，且變化規(guī)律符合理論仿真結(jié)果。

圖7 電場強度測試結(jié)果對比

3 結(jié) 論

基于高性能的MEMS電場敏感芯片，成功研制了新型手持式工頻電場檢測系統(tǒng)。設計了前置放大電路和快速模擬解調(diào)電路，實現(xiàn)對微弱電場信號的快速準確提取，提高系統(tǒng)精度和響應速度。設計了基于ARM微控制器的數(shù)據(jù)采集和無線發(fā)送模塊，并通過藍牙發(fā)送至上位機顯示，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸和遠程檢測。實驗表明：系統(tǒng)具有良好的精度，檢測結(jié)果與德國Narda電場測量儀具有良好的一致性。

[1] 羅 杰,黃小慶,何 杰,等.輸電線路在線監(jiān)測WSNs優(yōu)化部署研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(8):52-55，64.

[2] 徐祿文,羅 鵬,鄒岸新,等.220 kV變電站工頻電場的仿真分析[J].電測與儀表,2015(10):17-22.

[3] 胡順仁,曾 鋒,趙 紅,等.特高壓輸電塔實時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(9):42-45.

[4] 黃子璇,席黎明,樊夢旭,.特高壓交流輸電線路電暈放電對工頻電場的影響[J].高壓電器,2014(2):6-11.

[5] 姚 境,汪 沨,胡 凱,等.傳感器在高壓輸電線路絕緣子檢測中的應用[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(10):1-3，8.

[6] 方奕庚,彭春榮,方東明,等.微型折疊式三維電場傳感器[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(5):1-4.

[7] 王 宇,方東明,陳 博,等.基于旋轉(zhuǎn)諧振結(jié)構(gòu)的單芯片二維電場傳感器[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(2):103-105，112.

[8] 余夢婷,汪金剛,李 健.人體對高壓工頻電場測量影響與試驗研究[J].電測與儀表,2013(6):24-27，48.

[9] 佘東生,楊一柳,魏澤飛,等.基于激波的MEMS微結(jié)構(gòu)底座沖擊激勵方法研究[J].儀器儀表學報,2015(8):1892-1900.

[10] Peng Chunrong,Yang Pengfei,Wen Xiaolong,et al.Design of a novel micromachined non-contact resonant voltage sensor for power distribution systems[C]∥IEEE Sensors 2014,Valencia,Spain,2014.

[11] Yang Pengfei,Peng Chunrong,Zhang Haiyan,et al.A high sensitivity SOI electric-field sensor with novel comb-shaped micro electrodes[C]∥The 16th International Conference on Solid-state Sensors,Actuators & Microsystems,Tranducers’11,Beijing,China,2011.

[12] Peng C,Yang P,Zhang H,et al.Design of a novel closed-loop SOI MEMS resonant electrostatic field sensor[C]∥Proc of Eurosensors XXIV,2010.