唐立軍， 周年榮， 方正云， 范良進(jìn)， 張文斌

(1.云南電網(wǎng)責(zé)任有限公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217;2.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650504)

0 引 言

特高壓直流輸電(ultra high voltage direct curreut,UHVDC)具有線路傳輸能力強(qiáng)，損耗低，交流系統(tǒng)兩側(cè)無需同步運(yùn)行，系統(tǒng)故障造成的損耗小等優(yōu)點(diǎn)[1～3]。 隨著HVDC在電力工業(yè)中的使用越來越多，其在電網(wǎng)中傳輸?shù)碾娔艿谋壤苍谠黾印?這導(dǎo)致人們?cè)絹碓疥P(guān)注直流傳輸?shù)谋Ｗo(hù)、監(jiān)測(cè)和檢測(cè)。 根據(jù)電力線安全工作規(guī)程的規(guī)定，在進(jìn)行傳輸線的操作和維護(hù)之前，必須檢查傳輸線是否仍然通電。高電壓等級(jí)的直流輸電工程有兩個(gè)基本特征：高設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)和高工作參數(shù); 同時(shí)，超高壓直流輸電線路還具有塔高，塔頭大，絕緣子串長的特點(diǎn)。再加上高空作業(yè)的原因，傳輸線周圍的空間場(chǎng)強(qiáng)越來越高，對(duì)驗(yàn)電器的抗干擾能力和可靠性的要求也相應(yīng)提高[4]。 運(yùn)用傳統(tǒng)的驗(yàn)電設(shè)備來驗(yàn)電，需要電力作業(yè)人員背著設(shè)備爬上鐵塔，進(jìn)行接觸式的驗(yàn)電。 這不但極大地增加作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且操作復(fù)雜困難，具有一定的危險(xiǎn)性。目前，國內(nèi)對(duì)直流驗(yàn)電器的研究報(bào)道很少，主要是針對(duì)交流輸電線路的。夏善紅老師團(tuán)隊(duì)在微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)傳感器方面做了大量的研究，首先提出一種新的基于絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)的微機(jī)電系統(tǒng)的電場(chǎng)傳感器敏感結(jié)構(gòu)[5、6]，其電場(chǎng)敏感芯片得到了許多的應(yīng)用；輸電線路工頻電場(chǎng)的測(cè)量[7、8]，一種能為帶電作業(yè)人員提供安全報(bào)警的預(yù)警系統(tǒng)[9]，地面中對(duì)大氣電場(chǎng)的測(cè)量[10]，空間三維電場(chǎng)的測(cè)量[11]。

本文在分析直流輸電線路徑向平面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合MEMS傳感器的相關(guān)原理，提出并設(shè)計(jì)了一種基于MEMS電場(chǎng)傳感器的直流驗(yàn)電器。

1 系統(tǒng)方案

驗(yàn)電系統(tǒng)的主要構(gòu)成有：MEMS電場(chǎng)傳感器、供電模塊、STM32處理分析模塊、聲光預(yù)警模塊、藍(lán)牙無線通信模塊等。 MEMS電場(chǎng)傳感器感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度信息相相應(yīng)大小的電壓信號(hào)，利用 STM32系列微處理器進(jìn)行處理，控制預(yù)警模塊以聲光預(yù)警和發(fā)送數(shù)據(jù)的形式為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員提供直流高壓線路的詳細(xì)與準(zhǔn)確的帶電狀態(tài)信息。而且還能夠?qū)y(cè)得的電場(chǎng)強(qiáng)度信息發(fā)送給監(jiān)測(cè)裝置。DC驗(yàn)電器系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

圖1 驗(yàn)電系統(tǒng)框圖

MEMS電場(chǎng)傳感器及其電路模塊都集成在高壓探頭中。 信號(hào)處理電路對(duì)在直流電場(chǎng)下MEMS電場(chǎng)傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行I / V轉(zhuǎn)換，鎖相放大，濾波和AD采樣，再將信息發(fā)送到中央處理芯片。 中央處理芯片將對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，以確定輸電線路的帶電狀態(tài)信息。

2 MEMS電場(chǎng)傳感裝置設(shè)計(jì)

2.1 直流輸電線路電場(chǎng)分析

HVDC傳輸線在其周圍產(chǎn)生不同交流特性的電場(chǎng)，并且空間中的離子場(chǎng)和由線電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)彼此疊加并耦合。 高壓直流輸電線通常使用多分裂導(dǎo)體，并且可以通過Marktenberg方法分析表面電場(chǎng)。 該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，各種分割線表面電場(chǎng)分析非常準(zhǔn)確[12～14]。電線的平均表面電場(chǎng)和最大表面電場(chǎng)是

(1)

式中Q為每極等效導(dǎo)線的總電荷；ε為空氣介電常數(shù)；n為分裂導(dǎo)線根數(shù)；d為子導(dǎo)線直徑；D為以分裂導(dǎo)線束各子導(dǎo)線中心圓的直徑[15]。

根據(jù)Maxwell電位系數(shù)法，有

pQ=U

(2)

式中p為DC線路的等效極導(dǎo)線與地線及它們鏡像的電位系數(shù)方形矩陣；U為分裂導(dǎo)線束電壓的單列矩陣；Q為分裂導(dǎo)線束總電荷的單列矩陣。

基于該計(jì)算方法，在將地球視為零電位表面而不考慮其他環(huán)境因素的理想情況下。導(dǎo)線類型為6×720， 子導(dǎo)線半徑為1.81×10-2m，分裂半徑為0.45 m，根據(jù)公式等效為半徑0.355 m，正負(fù)極之間的距離為22.5 m， 兩導(dǎo)線與地面間的距離為35.5 m，額定電壓為±800 kV的直流輸電線路。采用 COMSOL仿真軟件仿真計(jì)算了雙極直流輸電線路的電場(chǎng)分布，并根據(jù)計(jì)算出的結(jié)果繪制直流輸電線路的電場(chǎng)分布云圖，如圖2所示。

圖2 ±800 kV直流輸電線路仿真計(jì)算結(jié)果

圖2(a)為直流輸電線空間電場(chǎng)分布特性，其為正負(fù)極性的兩種靜電場(chǎng)的相互疊加耦合，兩極導(dǎo)線外側(cè)場(chǎng)強(qiáng)大，地面電場(chǎng)矢量總體垂直于地面，但是在導(dǎo)線的投影間距內(nèi)的電場(chǎng)矢量有所不同。大地作為良導(dǎo)體使地面場(chǎng)強(qiáng)與忽略大地影響的情況有較大的增強(qiáng)。圖2(b)為直流輸電線地面附近的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，在兩極導(dǎo)線中心位置的電場(chǎng)強(qiáng)度低，在兩極導(dǎo)線投影位置的電場(chǎng)強(qiáng)度高，從中可以得到，為了達(dá)到更好的驗(yàn)電準(zhǔn)確性，驗(yàn)電時(shí)應(yīng)從正下方靠近輸電線路。

2.2 傳感器選擇

與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)研磨電場(chǎng)傳感器相比，中國科學(xué)院開發(fā)的 MEMS電場(chǎng)傳感器芯片探針，具有使用壽命、功耗低、體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[16～19]。 其測(cè)量范圍可達(dá)到±100 kV/m，分辨率達(dá)到20 V/m，并在輸電線下的電場(chǎng)測(cè)量中得到一定的應(yīng)用[8]。因此，MEMS電場(chǎng)傳感器可以滿足本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的傳感器要求。

MEMS電場(chǎng)傳感器測(cè)量直流傳輸線的靜電場(chǎng)，并且驗(yàn)電器系統(tǒng)通過金屬殼屏蔽離子場(chǎng)以測(cè)量靜電場(chǎng)。MEMS電場(chǎng)傳感器芯片的傳感原理如圖3所示。為了提高感應(yīng)效率，屏蔽電極和傳感電極設(shè)計(jì)在同一結(jié)構(gòu)層中。屏蔽電極接地，感應(yīng)電極連接檢測(cè)電路。在芯片正上方施加電場(chǎng)E，當(dāng)屏蔽電極在感應(yīng)電極(+)和感應(yīng)電極(-)之間左右振蕩時(shí)，使得感應(yīng)電極周圍的電場(chǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致表面感應(yīng)電荷量周期性變化，產(chǎn)生交流感應(yīng)電流[9,10]，表示為

(3)

式中ε為真空介電常數(shù)；E為感應(yīng)電極周圍的電場(chǎng)；A為感應(yīng)電極的感應(yīng)面積。is經(jīng)過差分放大轉(zhuǎn)化成電壓Vout，通過對(duì)傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量而反演出所被測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度的大小。通過對(duì)地面電場(chǎng)的測(cè)量便可判斷出被測(cè)輸電線是否帶電，及被測(cè)輸電線的極性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 信號(hào)處理電路

MEMS電場(chǎng)傳感器感應(yīng)出電場(chǎng)以產(chǎn)生交變電信號(hào)，并且信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理系統(tǒng)分別處理由電場(chǎng)信號(hào)產(chǎn)生的交流電流量。 信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理電路如圖3所示。轉(zhuǎn)換為相同頻率的電壓信號(hào)，將其輸入到電壓跟隨器，通過信號(hào)預(yù)處理電路獲得放大，并鎖定鎖相放大器以輸出可測(cè)量的信號(hào)，以消除干擾量。 最后進(jìn)入 A/D采集得到所需信號(hào)的值。

圖3 信號(hào)處理電路

3.2 控制器電路

系統(tǒng)主控制電路的處理芯片采用STM32系列高性能Cortex—M3核心型號(hào)STM32F103RBT6微控制器。 可通過串口與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，將測(cè)量的電場(chǎng)強(qiáng)度信息發(fā)送到監(jiān)護(hù)人員的設(shè)備。處理控制器處理MEMS傳感器信號(hào)，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過2.5 kV/m時(shí)，控制聲光報(bào)警模塊進(jìn)行有電提醒。驗(yàn)電系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。

圖4 驗(yàn)電系統(tǒng)實(shí)物

3.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

當(dāng)初始化完成時(shí)，系統(tǒng)的主程序首先進(jìn)入自測(cè)狀態(tài)，并且電場(chǎng)信號(hào)由MEMS傳感器收集并傳輸?shù)娇刂破?。控制器?zhí)行數(shù)據(jù)分析處理并確定警告是否提前。 測(cè)量的直流電場(chǎng)強(qiáng)度以不同頻率的聲音和燈光閃爍表現(xiàn)出來。 圖5所示為主程序流程圖。

圖5 系統(tǒng)主程序流程

3.4 驗(yàn)電系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的非接觸式直流驗(yàn)電器的可行性，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了實(shí)際的驗(yàn)電器測(cè)試。 在測(cè)試中，使用1 210高壓發(fā)生器產(chǎn)生直流高壓，并且通過導(dǎo)線模擬直流傳輸線。 試驗(yàn)使直流高壓發(fā)生器產(chǎn)生5～30 kV的高壓，將所設(shè)計(jì)的直流驗(yàn)電裝置放置于導(dǎo)線正下方70 cm處， 預(yù)先設(shè)置直流高壓發(fā)生器的電壓，再接通電壓開關(guān)，對(duì)其帶點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)， 如圖6所示。

圖6 驗(yàn)電裝置實(shí)際測(cè)試圖

驗(yàn)電結(jié)果如表1所示，結(jié)果驗(yàn)證了直流驗(yàn)電器系統(tǒng)的可行性，并為直流輸電線的驗(yàn)電操作提供了更方便的方法。

表1 直流驗(yàn)電結(jié)果

4 結(jié)束語

1)針對(duì)直流輸電線路檢測(cè)中存在的問題，提出并設(shè)計(jì)了一種基于MEMS電場(chǎng)傳感器的非接觸直流檢測(cè)系統(tǒng)。 MEMS電場(chǎng)傳感器用于檢測(cè)直流輸電線路的空間電場(chǎng)，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)了直流輸電線路的非接觸式檢測(cè)。

2)所設(shè)計(jì)的直流驗(yàn)電系統(tǒng)集成電場(chǎng)測(cè)量與驗(yàn)電結(jié)果預(yù)警于一體，整個(gè)驗(yàn)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，相對(duì)傳統(tǒng)的驗(yàn)電器具有良好的便攜性；系統(tǒng)采用低功耗的電場(chǎng)感應(yīng)芯片和微控制器，擁有2 400 mAh鋰電池，可連續(xù)工作23 h，保證了整個(gè)系統(tǒng)的續(xù)航能力。

3)本文所述直流輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)在地面便能對(duì)直流輸電線路進(jìn)行驗(yàn)電操作，降低了電力作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)化了驗(yàn)電作業(yè)的操作過程，更有效地保證了作業(yè)人員的人身安全，具有良好的應(yīng)用前景。

4)該裝置還可用于石化、紡織、氣象等領(lǐng)域的靜電場(chǎng)測(cè)量。