王光東 ，施 勇 ，鄒 斌 ，黃 浩 ，朱 武

（1.國(guó)網(wǎng)上海電力公司崇明供電公司，上海 201250；2.上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，上海 200090）

雷電活動(dòng)可以引起地面電場(chǎng)的顯著變化，對(duì)人類活動(dòng)影響很大，尤其是建筑物、輸電線網(wǎng)等遭其襲擊可能造成嚴(yán)重?fù)p失。據(jù)國(guó)家電力部門(mén)的不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)高壓輸電線路因遭受雷電襲擊而導(dǎo)致的電力系統(tǒng)跳閘次數(shù)，占電力系統(tǒng)總跳閘次數(shù)的40%～70%[1]，在我國(guó)西部等雷電發(fā)生概率更高的地方，雷電襲擊所造成的架空輸電線路跳閘率會(huì)更高。依照我國(guó)國(guó)家電力系統(tǒng)最近幾年電網(wǎng)安全運(yùn)行狀況，在（110～500）kV電力設(shè)施故障中，雷電襲擊造成的電力部門(mén)跳閘事件所占比例達(dá)到輸送電系統(tǒng)總跳閘次數(shù)的首位，輸送電系統(tǒng)不正常停運(yùn)次數(shù)排名第二。不僅如此，雷電襲擊輸電線路對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和穩(wěn)定性都有巨大的影響。因此，雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)我國(guó)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義[2-3]。

地面電場(chǎng)儀具有實(shí)時(shí)性好，準(zhǔn)確度高、可靠性強(qiáng)、靈敏度高以及便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，能夠長(zhǎng)時(shí)間對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的大氣場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在我國(guó)雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警方面發(fā)揮著重要作用[4]。目前，地面電場(chǎng)儀采用旋轉(zhuǎn)式傳感器，其直流輸入阻抗非常大，易受干擾，傳感器輸出信號(hào)微弱，易發(fā)生泄漏，測(cè)量準(zhǔn)確度不高。對(duì)此，針對(duì)地面電場(chǎng)儀系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種新型雙定子結(jié)構(gòu)差分式電場(chǎng)傳感器。

1 雙定子電場(chǎng)傳感器

大氣靜電場(chǎng)測(cè)量裝置是利用金屬導(dǎo)體在電場(chǎng)中會(huì)在其表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷的原理來(lái)測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度。由于靜電場(chǎng)是一個(gè)緩變的量，為得到連續(xù)的電場(chǎng)測(cè)量值，需要采用動(dòng)態(tài)法（場(chǎng)磨）測(cè)量，即讓導(dǎo)體在電場(chǎng)中交替地暴露和屏蔽。固定不動(dòng)的感應(yīng)導(dǎo)體稱為定子，對(duì)定子起交替屏蔽作用的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體稱為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子與接地的電刷磨擦而接地。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)定子交替地暴露在大氣電場(chǎng)E中，或被接地屏蔽片所遮擋，E=0。此時(shí)定子交替充、放電，由此產(chǎn)生交變信號(hào)。

傳感器的原理決定了傳感器的輸出阻抗非常高，傳統(tǒng)的單定子傳感器易受空間游離電荷或其它電磁干擾，測(cè)量準(zhǔn)確度難以提高。在此所設(shè)計(jì)的新型雙定子結(jié)構(gòu)差分式電場(chǎng)傳感器如圖1所示。

圖1 差分式電場(chǎng)傳感器Fig.1 Differential electric field sensor

新型傳感器由1個(gè)轉(zhuǎn)子、2個(gè)定子和直流電機(jī)組成。轉(zhuǎn)子連接在直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸通過(guò)石墨碳刷接地。轉(zhuǎn)子由1個(gè)單層電路板構(gòu)成，轉(zhuǎn)子均勻分為8個(gè)區(qū)域，其中A區(qū)不覆銅，B區(qū)覆銅；2組定子由雙層電路板構(gòu)成，定子也均勻分為8個(gè)區(qū)域，其中C區(qū)正面覆銅，D區(qū)背面覆銅；正面覆銅部分連在一起，背面覆銅部分連在一起，正反面絕緣。

新型電場(chǎng)傳感器比傳統(tǒng)電場(chǎng)傳感器增加了1個(gè)定子葉片，其優(yōu)點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)兩定子交替暴露在大氣電場(chǎng)中，在電場(chǎng)作用下定子上會(huì)感應(yīng)出2路電流信號(hào)，它們大小相等、方向相反。同時(shí)，2個(gè)定子受到空間其它電磁波的影響，通過(guò)減法器電路可有效消除共模干擾，提高系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確性。

電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，定子交替地暴露和屏蔽，從而產(chǎn)生感應(yīng)電荷。根據(jù)高斯定理，可得到感應(yīng)電荷的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，即：

式中：Q（t）為感應(yīng)電荷，C；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；ε0為自由空間介電常數(shù)，ε0=8.854×10-12F/m；S（t）為定子表面積，m2；電場(chǎng)方向由轉(zhuǎn)子指向定子時(shí)為正。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子上的感應(yīng)電流可由感應(yīng)電荷對(duì)時(shí)間的微分計(jì)算出，即：

在此所設(shè)計(jì)的傳感器金屬感應(yīng)片半徑R=80 mm，內(nèi)徑r=30 mm，感應(yīng)片厚度H=1.6 mm；直流電機(jī)轉(zhuǎn)速M(fèi)=3375 r/min，電場(chǎng)傳感器有4個(gè)定子葉片，因此當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)感應(yīng)信號(hào)頻率f0為225 Hz。當(dāng)傳感器從完全遮蔽到完全暴露，可以計(jì)算出定子表面積隨時(shí)間變化，即：

由式（2）可以推出感應(yīng)電流為

代入傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)，就可以得到感應(yīng)電流

I=34.404E

式中：I為感應(yīng)電流，pA。由此可知感應(yīng)電流的大小僅與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。

2 雷電監(jiān)測(cè)儀的信號(hào)處理

雙定子傳感器輸出阻抗高，輸出信號(hào)微弱，需要對(duì)輸出回路進(jìn)行等電位屏蔽和抗共模處理，測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)處理原理如圖2所示。

圖2 信號(hào)處理流程Fig.2 Signal processing flow chart

傳感器輸出信號(hào)首先通過(guò)等電位屏蔽防止微弱信號(hào)泄露，兩路定子感應(yīng)電流信號(hào)經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換器進(jìn)入減法器電路，消除共模干擾，提高系統(tǒng)精度。信號(hào)通過(guò)放大和帶通濾波之后與光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的同步信號(hào)作相干檢測(cè)。然后通過(guò)低通濾波器，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。

2.1 前置電路的設(shè)計(jì)

由于傳感器輸出阻抗高，輸出信號(hào)微弱，前置電路要實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的等電位屏蔽，同時(shí)實(shí)現(xiàn)I/V變換，前置電路如圖3所示。

圖3 前置電路Fig.3 Pre-amplifier circuit

傳感器感應(yīng)電流為pA級(jí)交流信號(hào)，前置放大器選用低偏置電流的放大器AD549。放大器A1，電阻Rf和電容Cf實(shí)現(xiàn)I/V變換，放大器A2對(duì)輸入信號(hào)屏蔽線進(jìn)行有源等電位屏蔽，消除信號(hào)的泄露[5]。定子傳感器感應(yīng)輸出電流為i，其直流輸出阻抗為Ri，輸出電容與屏蔽電容的等效電容為Ci，由圖3可得放大器的反饋?zhàn)杩筞f和輸入阻抗Zi分別為

假設(shè)前置放大器的反饋系數(shù)為F，則

由式（7）可知，1/F特性曲線存在1個(gè)零點(diǎn)，設(shè)其頻率為f1；存在1個(gè)極點(diǎn)，設(shè)極點(diǎn)頻率為f2，則

根據(jù)反饋放大器理論，當(dāng)反饋系數(shù)的倒數(shù)曲線與開(kāi)環(huán)特性曲線相交速率為40 dB時(shí)，系統(tǒng)不穩(wěn)定，反饋系數(shù)的倒數(shù)曲線與開(kāi)環(huán)特性曲線相交速率為20 dB時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)反饋電容Cf為零時(shí)，系統(tǒng)只有1個(gè)零點(diǎn)，不存在極點(diǎn)，反饋系數(shù)倒數(shù)曲線與放大器開(kāi)環(huán)曲線相交速率為40 dB，系統(tǒng)不穩(wěn)定；當(dāng)系統(tǒng)反饋電容Cf不為零時(shí)，系統(tǒng)有1個(gè)零點(diǎn)和1個(gè)極點(diǎn)，反饋系數(shù)的倒數(shù)曲線與放大器開(kāi)環(huán)曲線相交速率為20 dB，系統(tǒng)穩(wěn)定。放大器閉環(huán)相交特性曲線如圖4所示，保證了前置放大器的穩(wěn)定性。

圖4 放大器閉環(huán)相交特性曲線Fig.4 Characteristic curve of amplifier closed loop

2.2 信號(hào)放大電路

雙定子感應(yīng)信號(hào)經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由于傳感器輸入阻抗非常高，雙定子在感應(yīng)被測(cè)電場(chǎng)外，同時(shí)易受外界干擾，對(duì)定子感應(yīng)的兩路交流信號(hào)作減法運(yùn)算，消除共模干擾。系統(tǒng)采用兩級(jí)放大，第1級(jí)采用儀表放大器INA828，得到雙定子的差分信號(hào)，其增益可以通過(guò)外接電阻R的大小設(shè)定；第2級(jí)采用OPA227精密放大器對(duì)信號(hào)放大。所設(shè)計(jì)的信號(hào)放大電路如圖5所示。輸出電壓U為

圖5 信號(hào)放大電路Fig.5 Signal amplifying circuit

2.3 帶通濾波器的設(shè)計(jì)

當(dāng)?shù)孛骐妶?chǎng)儀在安裝在電氣設(shè)備附近時(shí)，由于傳感器探頭的高輸入阻抗特性，50 Hz工頻及其諧波信號(hào)必然會(huì)對(duì)探頭產(chǎn)生一定的干擾，同時(shí)在空間還存在的其它干擾信號(hào)。在此針對(duì)這種寬頻帶的干擾存在情況，設(shè)計(jì)了窄帶帶通信號(hào)濾波器，減小干擾信號(hào)影響，提高系統(tǒng)的信噪比，達(dá)到提高系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

窄帶帶通濾波器的中心頻率設(shè)置在225 Hz，為了得到較高信噪比的測(cè)量信號(hào)，放大器A1，電阻R1，R2，R3，R4，R5與電容 C1，C2組成二階帶通巴特沃茲帶通濾波電路；放大器 A2，電阻 R6，R7，R8，R9，R10與電容C3，C4組成二階帶通巴特沃茲帶通濾波電路。通過(guò)級(jí)聯(lián)構(gòu)成四階巴特沃茲帶通濾波器電路，電路如圖6a所示。

放大器A1和放大器A2采用AD823，電路參數(shù)如下：

R1=2.32 MΩ，R2=10.2 kΩ，R3=1.02 MΩ，

R4=205 kΩ，R5=3.48 kΩ，R6=2.19 MΩ，

R7=9.63 kΩ，R8=958 kΩ，R9=209 kΩ，

R10=3.52 kΩ；

C1=C2=6.8 nF，C3=C4=7.5 nF。

根據(jù)選擇參數(shù)，帶通濾波器-3dB的寬度為10 Hz；-40 dB信號(hào)寬度為200 Hz，對(duì)測(cè)量信號(hào)沒(méi)有衰減，其幅頻特性如圖6b所示。

圖6 225 Hz帶通濾波電路及其頻率特性Fig.6 225 Hz bandpass filter circuit and its frequency characteristics

2.4 同步相敏檢波電路判斷電場(chǎng)極性

所設(shè)計(jì)的同步相敏檢波電路由開(kāi)關(guān)電容模塊電路構(gòu)成，電路設(shè)計(jì)如圖7（a）所示。傳感器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)有槽型光藕產(chǎn)生同步脈沖信號(hào)，同步脈沖信號(hào)送到儀用開(kāi)關(guān)電容模塊的16腳，當(dāng)16腳為邏輯“1”時(shí)，開(kāi)關(guān)接13腳，此時(shí)放大器A1為同相跟隨器；當(dāng)16腳為邏輯“0”時(shí)，開(kāi)關(guān)接14腳，放大器A1實(shí)現(xiàn)反相放大功能，且放大倍數(shù)為-1。該相敏檢波器輸出原理如圖 7（b）所示。 運(yùn)算放大器 A2，電阻 R3，R4，R5和電容C1，C2構(gòu)成有源二階低通濾波器，消除信號(hào)諧波，得到與電場(chǎng)成比例的直流電壓。

圖7 同步相敏檢波電路及解調(diào)原理波形Fig.7 Synchronous phase sensitive detection circuit and demodulation principle waveform

3 測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定

為了驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)的性能，采用DW-P303-1ACD高壓電源來(lái)模擬電場(chǎng)。該高壓電源輸出電壓為0～30 kV連續(xù)可調(diào)，電壓調(diào)整率＜0.1%，將高壓電源連接在上下2塊平行極板上，保持平行板距離不變，調(diào)節(jié)高壓電源的輸出電壓，就可以得到需要的場(chǎng)強(qiáng)。將電場(chǎng)傳感器置于電場(chǎng)中，雙定子傳感器感應(yīng)差分電流信號(hào)，經(jīng)放大、濾波、相敏檢測(cè)后，在主控制器STM32控制下，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7812進(jìn)行采樣，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到測(cè)量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)定。

調(diào)整高壓電源的輸出，給平行板的上下極板間加0～20 kV電壓，平行板的距離為0.4 m，模擬場(chǎng)強(qiáng)為0～50 kV/m。經(jīng)多次標(biāo)定，擬合最優(yōu)曲線對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修正，在模擬電場(chǎng)下地面電場(chǎng)儀測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 雙定子地面電場(chǎng)儀測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurement results of differential ground electric field instrument

由表可知，測(cè)量電場(chǎng)值與模擬電場(chǎng)強(qiáng)度大小基本一致。經(jīng)實(shí)際計(jì)算，測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)的分辨率能夠達(dá)到10 V/m，線性調(diào)整度在1%之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的新型雙定子差分式電場(chǎng)傳感器，通過(guò)差分放大器對(duì)信號(hào)處理，能夠有效消除共模干擾；窄帶帶通濾波器消除了工頻干擾及其它空間電磁干擾。采用有源等電位屏蔽技術(shù)減小了高阻信號(hào)源微弱信號(hào)的泄露，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度和抗干擾能力。采用高穩(wěn)定直流高壓電源建立模擬電場(chǎng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)量結(jié)果表明，在（-50～50）kV/m場(chǎng)強(qiáng)范圍內(nèi)，系統(tǒng)的分辨力達(dá)到10 V/m，線性度＜1%。