李文婷 龍兆芝 劉少波 張弛 耿志輝 魯非

摘要：針對(duì)以往研制的空間電場(chǎng)測(cè)量?jī)x所測(cè)量的沖擊電場(chǎng)波形與實(shí)際沖擊電壓波形時(shí)間參數(shù)差異大，會(huì)對(duì)電場(chǎng)幅值測(cè)量帶來誤差等問題，該文對(duì)原有的電場(chǎng)測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，調(diào)整電場(chǎng)探頭內(nèi)部的取樣電容量與采集卡入口阻抗進(jìn)行匹配后，保證所獲取波形與實(shí)際電壓波形的一致性。同時(shí)將原有電場(chǎng)探頭數(shù)據(jù)傳輸模式由光纖傳輸模式改進(jìn)成無線傳輸?shù)哪Ｊ?，可以最大程度地避免電磁干擾，更適合于復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的電場(chǎng)測(cè)量。將改進(jìn)后的電場(chǎng)測(cè)量?jī)x在沖擊近似均勻電場(chǎng)、非均勻電場(chǎng)及工頻均勻電場(chǎng)下進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果表明其具有良好的線性度。所研制的球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x可用于變電站內(nèi)的線路過電壓監(jiān)測(cè)，沖擊分壓器線性度輔助測(cè)量等多種場(chǎng)合，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：空間電場(chǎng);取樣電容;阻抗匹配;無線傳輸

中圖分類號(hào)：TM83文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）04-0085-07

0引言

電場(chǎng)測(cè)量在諸多科學(xué)研究和工程技術(shù)領(lǐng)域都具有重要意義，特別是在電力系統(tǒng)、電磁兼容以及微波技術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。由于電場(chǎng)測(cè)量?jī)x一般懸浮工作于空間電場(chǎng)中，與電力設(shè)備無直接的電氣連接，可以避免由于電氣連接所引入的耦合干擾，在高電壓下也不會(huì)產(chǎn)生電暈，數(shù)據(jù)一般通過無線發(fā)射器或者光線傳輸數(shù)據(jù)到PC機(jī)，能夠避免折反射對(duì)波形的影響，無需接地不會(huì)感應(yīng)地網(wǎng)電壓抬升，因此目前廣泛應(yīng)用于高壓電場(chǎng)測(cè)量中。

空間電場(chǎng)測(cè)量?jī)x在高壓測(cè)量領(lǐng)域最初廣泛應(yīng)用于工頻電場(chǎng)測(cè)量中，而隨著采集卡測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，電場(chǎng)測(cè)量?jī)x也被逐漸應(yīng)用于瞬態(tài)電場(chǎng)測(cè)量中。相比于工頻電場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量瞬態(tài)空間電場(chǎng)要求采集卡具有更快的響應(yīng)速度、較高的采樣率及垂直分辨率。傳統(tǒng)沖擊電壓測(cè)量一般采用沖擊分壓器獲得電壓信號(hào)，并通過二次測(cè)量端采集卡或示波器記錄測(cè)量波形。但在某些特定場(chǎng)合，由于試驗(yàn)場(chǎng)地空間場(chǎng)地受限，不可能采用沖擊分壓器進(jìn)行電壓監(jiān)測(cè)，且由于分壓器的發(fā)熱效應(yīng)也不可能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，此時(shí)只能采用電場(chǎng)測(cè)量?jī)x進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另外由于標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓分壓器的電壓等級(jí)難以提高，對(duì)于1000kV以上電壓等級(jí)的沖擊分壓器也需要采用其他輔助設(shè)備（如電場(chǎng)測(cè)量?jī)x）進(jìn)行線性度試驗(yàn)研究。以往進(jìn)行瞬態(tài)電場(chǎng)測(cè)量時(shí)存在的主要問題是電場(chǎng)波形與實(shí)際電壓波形吻合度差，本文針對(duì)該問題對(duì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行了改進(jìn)，保證了瞬態(tài)測(cè)量波形時(shí)間參數(shù)與電壓波形的一致性。

1球形瞬態(tài)電場(chǎng)測(cè)量?jī)x工作原理

常用的空間瞬態(tài)電場(chǎng)測(cè)量?jī)x為球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x，其外部結(jié)構(gòu)由兩個(gè)半球形的金屬外殼組成，兩半球外殼構(gòu)成一個(gè)電容探頭，其工作原理如圖l所示。在變化的電場(chǎng)中電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的球形外殼會(huì)感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷的大小與球殼尺寸及所處電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)，其關(guān)系式為

取樣電容兩端的電壓經(jīng)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過光纖傳輸給上位機(jī)從而獲取測(cè)量波形。

圖2為以往研究者采用電場(chǎng)探頭測(cè)量得到的沖擊電場(chǎng)波形，從圖中可以看出在波尾部分100雎s時(shí)刻及以后所記錄波形電場(chǎng)值已經(jīng)下降至0kV/m以下，該波形與實(shí)際的沖擊電壓波形具有一定的差距。圖3為典型的正極性沖擊電壓波形，電壓先迅速上升至峰值后再緩慢下降至0v，在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)其電壓值不會(huì)降到0v以下的位置;在100us時(shí)刻對(duì)應(yīng)的波形幅值約為15%的峰值電壓，即該球形電場(chǎng)探頭所測(cè)波形失真，不能反映真實(shí)的沖擊電壓波形，會(huì)對(duì)電場(chǎng)測(cè)量引入較大的誤差。

2改進(jìn)電場(chǎng)測(cè)量?jī)x

2.1原有電場(chǎng)測(cè)量?jī)x

為了分析電場(chǎng)測(cè)量?jī)x所測(cè)沖擊電場(chǎng)波形失真的原因，對(duì)原有球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x樣品進(jìn)行分析，圖4（a）為其外觀圖，電場(chǎng)測(cè)量?jī)x由上電極、有機(jī)玻璃絕緣塊、下電極及內(nèi)部配套采集裝置組成，圖4（b）為其外觀尺寸圖。由于電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的電場(chǎng)/電壓比例系數(shù)與測(cè)量?jī)x的取樣電容成反比，以往為了提高電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的靈敏度會(huì)將Cm設(shè)計(jì)得很小，原有的電場(chǎng)測(cè)量?jī)x內(nèi)部未額外并聯(lián)取樣電容，依據(jù)電場(chǎng)測(cè)量?jī)x球殼外部尺寸及兩球殼間距離，可計(jì)算出球殼間感應(yīng)電容量約為8.6pF。

為確定球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的引入是否對(duì)原有電場(chǎng)進(jìn)行了畸變，在ANs0FT中進(jìn)行仿真計(jì)算，平板電極尺寸及平板電極間距完全按照以往試驗(yàn)條件設(shè)置，在間距為1m的兩平行極板中心放置半徑為5cm的球形探頭，兩平行電極之間的電場(chǎng)分布云圖如圖5所示。仿真結(jié)果表明當(dāng)極板距離（1m）為探頭半徑（5cm）的20倍時(shí)，電場(chǎng)探頭對(duì)原電場(chǎng)的影響非常小，實(shí)際電場(chǎng)極性也不會(huì)發(fā)生改變。因此所測(cè)電場(chǎng)波形失真的原因并非由電場(chǎng)探頭對(duì)空間電場(chǎng)的畸變?cè)斐伞?/p>

2.2電場(chǎng)測(cè)量?jī)x工作原理

對(duì)原有電場(chǎng)測(cè)量?jī)x所測(cè)波形做進(jìn)一步分析，可以看到波頭部分快速上升與實(shí)際電壓波形較為一致，波尾部分下降速度明顯快于實(shí)際電壓波形。對(duì)電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的工作原理進(jìn)行分析：電場(chǎng)測(cè)量?jī)x由外部感應(yīng)球殼，內(nèi)部并聯(lián)取樣電容及配套測(cè)量用采集卡構(gòu)成。當(dāng)電場(chǎng)探頭置于空間電場(chǎng)中時(shí)，在外部球殼上感應(yīng)出電荷Q（t）在取樣電容Cm上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓Uk，該電壓上升到峰值后再經(jīng)過采集卡人口電阻足泄放，因此采集卡會(huì)獲得一個(gè)先上升后下降的電壓，其放電原理圖如圖6所示。其中波形下降的時(shí)間常數(shù)與R1值和Cm及c1值相關(guān)，其放電時(shí)間常數(shù)為

該樣品球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x內(nèi)部無并聯(lián)取樣電容，則球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的取樣電容CM為兩球殼間的感應(yīng)電容，電容量為8.6pF。對(duì)測(cè)量?jī)x內(nèi)部配套采集卡的輸入阻抗進(jìn)行測(cè)量，得到其輸入電阻/電容為0.484MΩ/33.128pF，根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算回路放電時(shí)間常數(shù)為20.18us，即電壓降至0.37Uk時(shí)所需時(shí)間為20.18us。而實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形（1.2us/50us）的半峰值時(shí)間約為50us，波尾部分下降到0.37Uk時(shí)間約75us，由此可以看出原球形電場(chǎng)探頭內(nèi)部的取樣電容和采集卡構(gòu)成的放電回路時(shí)間常數(shù)過小可能是造成電場(chǎng)波形測(cè)量失真的原因。為了獲取準(zhǔn)確的電場(chǎng)波形，需要在電場(chǎng)探頭內(nèi)部實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，具體實(shí)現(xiàn)方法即調(diào)整原放電回路的時(shí)間常數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)雷電壓波形的放電時(shí)間常數(shù)保持一致。

2.3增大電場(chǎng)測(cè)量?jī)x內(nèi)部取樣電容

由于采集卡內(nèi)部阻抗固定，球殼間的感應(yīng)電容一定，為了增加測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)，只能增大取樣電容的大小。真實(shí)待測(cè)雷電壓波形波尾部分下降時(shí)間常數(shù)約為75us，為將電場(chǎng)測(cè)量?jī)x回路放電時(shí)間參數(shù)調(diào)整與實(shí)際待測(cè)電場(chǎng)波形一致，需要將原有電場(chǎng)測(cè)量?jī)x回路放電時(shí)間常數(shù)由20.18us增加至75us，即需要將在原有測(cè)量回路額外并聯(lián)2.72倍原有放電回路電容（Cm+C1）的取樣電容，需額外并聯(lián)取樣電容為Cm1，=2.72x（8.6+33.128）pF=113.5pF。

在原有電場(chǎng)測(cè)量?jī)x內(nèi)部并聯(lián)113.5pF電容后，經(jīng)實(shí)測(cè)電場(chǎng)波形不再出現(xiàn)電場(chǎng)值降至0kV/m以下情況，電場(chǎng)波形時(shí)間參數(shù)與電壓波形吻合度較好。進(jìn)一步增大電場(chǎng)測(cè)量?jī)x內(nèi)部并聯(lián)電容后，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)波形的時(shí)間參數(shù)并不會(huì)進(jìn)一步增大，仍然與真實(shí)電壓波形保持一致，即只要保證電場(chǎng)測(cè)量?jī)x內(nèi)部測(cè)量回路放電時(shí)間常數(shù)≥待測(cè)雷電波形時(shí)間常數(shù)，就可以保證電場(chǎng)測(cè)量?jī)x能夠真實(shí)地反映待測(cè)波形。圖7為對(duì)電場(chǎng)測(cè)量?jī)x內(nèi)部并聯(lián)額外的電容后，電壓波形和電場(chǎng)波形的對(duì)比圖。從圖中可以看出電場(chǎng)波形與電壓波形有良好的—致性，波頭/波尾時(shí)間參數(shù)一致性。

由于改進(jìn)后的電場(chǎng)測(cè)量?jī)x要用于高電壓等級(jí)沖擊電壓線性度的測(cè)量，最高待測(cè)沖擊電壓會(huì)超過1000kV，而球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x配套采集卡人口電壓僅為±2.5v，為了拓展電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的電場(chǎng)測(cè)量范圍，需要盡量減小電場(chǎng)/電壓比例系數(shù)，最終在球殼內(nèi)部并聯(lián)3.5nF電容，此時(shí)該球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的理論電場(chǎng)/電壓比例系數(shù)為0.056945v/（kV/m）。

2.4改進(jìn)電場(chǎng)測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)傳輸方式

原有的電場(chǎng)測(cè)量?jī)x基于光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，過長(zhǎng)的測(cè)量光纖存在布線困難且容易被損壞的情況，最佳的傳輸方式為無線傳輸。因此將原有的球形探頭內(nèi)部測(cè)量采集卡設(shè)計(jì)為無線傳輸模式：在球形電場(chǎng)內(nèi)部設(shè)置獨(dú)立的無線路由，通過IP設(shè)置可實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)測(cè)量?jī)x與筆記本電腦中軟件的通信。電場(chǎng)測(cè)量?jī)x內(nèi)部采集卡具有較大的存儲(chǔ)深度，在單次試驗(yàn)時(shí)采集卡迅速捕捉放電電壓信號(hào)后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)保存，再通過局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸給PC機(jī)，在PC機(jī)中完成數(shù)據(jù)讀取及參數(shù)計(jì)算工作，其具體工作流程如圖8所示。

在進(jìn)行沖擊電場(chǎng)測(cè)量時(shí)，電場(chǎng)測(cè)量?jī)x內(nèi)部采集卡采樣率設(shè)置為150MS/s，單次采樣時(shí)間設(shè)置為300us，單次試驗(yàn)數(shù)據(jù)量為45k個(gè)采樣點(diǎn)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試整套測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度快，單次試驗(yàn)結(jié)束后，所有的數(shù)據(jù)可迅速完成傳輸，并可在1s內(nèi)完成數(shù)據(jù)繪圖。

改進(jìn)后的球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x內(nèi)部電路如圖9所示，包括：取樣回路、A/D采集卡、MCU數(shù)據(jù)微處理器、局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源開關(guān)、鋰電池、局域網(wǎng)數(shù)據(jù)接收單元，整體設(shè)計(jì)緊湊。

3電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的刻度標(biāo)定

3.1沖擊電場(chǎng)標(biāo)定

為了保證電場(chǎng)測(cè)量?jī)x測(cè)量瞬態(tài)沖擊電場(chǎng)的測(cè)量準(zhǔn)確度，將電場(chǎng)測(cè)量?jī)x內(nèi)部配套采集卡的采樣率設(shè)計(jì)為150MS/s，垂直分辨率為12Bit，采集卡前置衰減檔位包括1：1檔、10：l檔及100：1檔，采集卡入口電壓為±2.5v，根據(jù)待測(cè)電場(chǎng)大小可選擇合適的衰減檔位進(jìn)行測(cè)量。

對(duì)原有電場(chǎng)探頭樣品進(jìn)行內(nèi)部測(cè)量阻抗匹配后，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了近似均勻的平板電極電場(chǎng)，在沖擊電壓下對(duì)電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的比例系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。采用型號(hào)為SMR7.7/500的500kV標(biāo)準(zhǔn)電阻.分壓器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，其幅值測(cè)量不確定度為10x 10^-2（K=2），時(shí)間參數(shù)測(cè)量不確定度為l 5x10^-2（k=-2）。將電場(chǎng)測(cè)量?jī)x通過絕緣帶懸浮固定于平行極板中心位置。試驗(yàn)中正負(fù)極性各選取5個(gè)電壓校準(zhǔn)點(diǎn)，以獲得球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的線性度。

表1為正極性下不同沖擊電壓下電場(chǎng)測(cè)量?jī)x與標(biāo)準(zhǔn)分壓器測(cè)量波形的數(shù)據(jù)對(duì)比。從表中可以看出，經(jīng)改進(jìn)后的電場(chǎng)測(cè)量?jī)x所測(cè)電場(chǎng)的時(shí)間參數(shù)與分壓器所測(cè)參數(shù)具有較好的一致性。表2為不同電壓下電場(chǎng)測(cè)量?jī)x線性度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中單個(gè)電壓下的數(shù)據(jù)為在該電壓下重復(fù)測(cè)量5次后求取平均值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在100-480kV/m電場(chǎng)范圍內(nèi)，電場(chǎng)探頭測(cè)量線性度在1.2%以內(nèi)，如圖10所示。

根據(jù)該電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的外形尺寸參數(shù)可計(jì)算出在均勻電場(chǎng)下其理論電壓/電場(chǎng)比例系數(shù)K值為0.056945v/（kV·^-1），理論計(jì)算值與實(shí)際標(biāo)定值非常接近，具有微小差別的原因可能在于電場(chǎng)探頭球徑尺寸的測(cè)量誤差及實(shí)際搭建的平板電極電場(chǎng)并非絕對(duì)的均勻電場(chǎng)。理論值和實(shí)際值之間的差別較小，表明該球形電場(chǎng)探頭在沖擊電場(chǎng)下的標(biāo)定數(shù)據(jù)結(jié)果是可靠的。

電場(chǎng)探頭的實(shí)際使用條件多為非均勻空間電場(chǎng)，因此在空間非均勻電場(chǎng)中也對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)。將球形電場(chǎng)探頭布置于沖擊電壓發(fā)生器本體與測(cè)量用沖擊分壓器中間位置，將球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x用絕緣支撐桿支撐，環(huán)絕緣支撐桿高度為1.26m，絕緣支撐桿位于發(fā)生器及測(cè)量分壓器中間位置，絕緣支撐桿距離分壓器縱向距離為2.2m。表3為其標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果，從100～480kV范圍內(nèi)置于空間非均勻場(chǎng)中的球形電場(chǎng)探頭的測(cè)量線性度為1.2%，如圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果還表明該球形探頭在非均勻電場(chǎng)中的線性度與在均勻電場(chǎng)中的線性度基本一致，可以作為沖擊電壓輔助設(shè)備應(yīng)用于復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中。當(dāng)球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x用于測(cè)量空間非均勻電場(chǎng)時(shí)，由于所處位置不同時(shí)其電場(chǎng)系數(shù)會(huì)發(fā)生改變，在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)該進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定。

3.2工頻電場(chǎng)標(biāo)定

為了驗(yàn)證該球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x在沖擊電場(chǎng)標(biāo)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將該球形電場(chǎng)探頭送至陜西電科院環(huán)境保護(hù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了工頻電場(chǎng)的標(biāo)定，其標(biāo)定電場(chǎng)范圍為5～20kV/m，標(biāo)定結(jié)果如表4所示。與表2比較可知，在工頻電場(chǎng)與沖擊電場(chǎng)下，電場(chǎng)探頭的比例系數(shù)非常接近，存在微小差別的原因是由于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所搭建的沖擊電場(chǎng)并非絕對(duì)均勻電場(chǎng)，而陜西電科院環(huán)境保護(hù)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定用的工頻電場(chǎng)更加均勻。在準(zhǔn)確度要求不高的情況下，該球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中可同時(shí)用于沖擊電場(chǎng)測(cè)量及工頻電場(chǎng)測(cè)量。

4結(jié)束語

對(duì)原有的空間瞬態(tài)球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x進(jìn)行了改進(jìn)，在球殼內(nèi)部?jī)啥祟~外并聯(lián)了合適容量的取樣電容后，實(shí)現(xiàn)了取樣電容與內(nèi)部采集卡間的阻抗匹配，保證了所測(cè)電場(chǎng)波形與真實(shí)電壓波形的一致性。將電場(chǎng)測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)成無線傳輸模式，可以滿足復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅m用范圍更廣，經(jīng)過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的標(biāo)定試驗(yàn)表明：

1）在沖擊電壓近似均勻場(chǎng)下和非均勻場(chǎng)下球形電場(chǎng)探頭的線性度特性一致，在500kv范圍內(nèi)，其線性度為1.2%。

2）在近似均勻沖擊電場(chǎng)下，實(shí)際標(biāo)定電場(chǎng)系數(shù)與理論計(jì)算值相差值小于1%，造成該差別的原因可能在于球殼尺寸的測(cè)量誤差及所搭建的標(biāo)定用沖擊電場(chǎng)并非絕對(duì)均勻電場(chǎng)。

3）在工頻電場(chǎng)下實(shí)際標(biāo)定電場(chǎng)系數(shù)與沖擊近似均勻電場(chǎng)下標(biāo)定的電場(chǎng)系數(shù)一致性好。

經(jīng)過改進(jìn)后的球形電場(chǎng)測(cè)量?jī)x所測(cè)波形與實(shí)際沖擊電壓波形吻合程度好，測(cè)量線性度良好，通過調(diào)整電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的放置位置，選擇合適的前置衰減檔位，可以在很寬的量程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)沖擊高電壓下的電場(chǎng)測(cè)量，后續(xù)可作為很好的沖擊電壓輔助測(cè)量設(shè)備用在高電壓等級(jí)沖擊電壓線性度研究中。