許 劍，劉松陽(yáng)

（北京中電飛華通信有限公司，北京 100160）

0 引 言

直接式電壓測(cè)量作為電壓測(cè)試的典型技術(shù)手段得到廣泛應(yīng)用，考慮到直接式電壓測(cè)量技術(shù)應(yīng)用本身的局限性，在電力施工、野外電力維護(hù)、設(shè)備日常運(yùn)維以及智能供電系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程中，很多檢測(cè)科目通常需要多次測(cè)試才能完成，嚴(yán)重影響城市電網(wǎng)的供電可靠性，電力測(cè)量效率低下，增加了測(cè)試中的風(fēng)險(xiǎn)[1,2]。近年來(lái)，眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)非接觸式電壓測(cè)量電路拓?fù)溥M(jìn)行了廣泛研究[3-6]。部分研究人員和廠家僅研究了用于測(cè)試火線(xiàn)和零線(xiàn)的驗(yàn)電筆裝置，未將驗(yàn)電筆和非接觸式電壓測(cè)量裝置綜合起來(lái)使用。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于非接觸式電壓測(cè)試裝置的應(yīng)用研發(fā)還處在嘗試階段，對(duì)非接觸式電壓測(cè)量技術(shù)的理論研究也處于起步階段。研究農(nóng)村低壓配電網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題時(shí)，所涉及的220 V/380 V電壓等級(jí)待測(cè)線(xiàn)路用傳統(tǒng)的非接觸式測(cè)量方法將受到未知測(cè)量環(huán)境、待測(cè)線(xiàn)路型號(hào)的影響，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。

基于此，開(kāi)發(fā)一種無(wú)須破壞低壓配電線(xiàn)路外絕緣，僅需將測(cè)量探頭緊貼在待測(cè)線(xiàn)路絕緣層表面就能完成線(xiàn)路電壓測(cè)量的非接觸式電壓測(cè)量裝置。通過(guò)測(cè)試，該裝置可以有效降低待測(cè)線(xiàn)路和裝置探頭間形成的寄生電容值所引起的測(cè)量不同類(lèi)型線(xiàn)路時(shí)出現(xiàn)的測(cè)量誤差，系統(tǒng)信噪比較低，測(cè)量誤差能保持在合理范圍內(nèi)。

1 非接觸式電力電壓測(cè)量原理

1.1 電磁場(chǎng)理論

依據(jù)電磁場(chǎng)理論，設(shè)定Ua為供電線(xiàn)路上的運(yùn)行電壓，Ub為利用非接觸式電壓測(cè)試儀所測(cè)得的電壓，空間中若存在2個(gè)物體間有電動(dòng)勢(shì)ε（ε=Ua-Ub≠0），就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)E，電場(chǎng)分布的原理如圖1所示。如果將線(xiàn)圈置于該電場(chǎng)，只要電動(dòng)勢(shì)ε≠0，則線(xiàn)圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流[7,8]。

圖1 電場(chǎng)分布

1.2 非接觸式電力電壓測(cè)量原理

傳統(tǒng)的電壓測(cè)試裝置需要將測(cè)試表筆直接與被測(cè)導(dǎo)電觸點(diǎn)接觸，不利于電壓測(cè)量的各種工況。非接觸式電力電壓測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 測(cè)量原理

非接觸式電壓測(cè)量主要應(yīng)用測(cè)量表筆探頭和電纜間的電容效應(yīng)原理，以獲取供電線(xiàn)路中的電壓、頻率、波形信息，通過(guò)對(duì)采集的微弱電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和處理，完成供電線(xiàn)路電壓的非接觸式測(cè)量。非接觸式電力電壓測(cè)試儀測(cè)量原理如圖3所示。

測(cè)量?jī)x2個(gè)探頭間可以產(chǎn)生頻率和幅值相等的電壓信號(hào)，利用裝設(shè)的電流檢測(cè)線(xiàn)圈對(duì)線(xiàn)路電壓進(jìn)行測(cè)量。電壓測(cè)試儀的2個(gè)探頭布置好與電力線(xiàn)的測(cè)試點(diǎn)，由于電力線(xiàn)存在交流電壓，測(cè)試探頭能接收感應(yīng)電流信號(hào)。

2 傳感器處理電路設(shè)計(jì)

為了獲取供電線(xiàn)路上的電壓信號(hào)，重點(diǎn)對(duì)以下4個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)探討。一是對(duì)電力線(xiàn)路的火線(xiàn)與零線(xiàn)開(kāi)展非接觸式檢測(cè)；二是獲取電力線(xiàn)路上的電壓波形和頻率參數(shù)；三是檢測(cè)電力線(xiàn)路上頻率和幅值相等的電壓信號(hào)；四是對(duì)微弱電流信號(hào)的檢測(cè)。根據(jù)儀器探頭和電纜間的電場(chǎng)、感應(yīng)電壓信號(hào)，獲取電力線(xiàn)上的電壓幅度，達(dá)到準(zhǔn)確檢測(cè)電壓的目的。

2.1 設(shè)計(jì)架構(gòu)

非接觸式電力電壓測(cè)試架構(gòu)如圖4所示。

圖4 非接觸式電力電壓測(cè)試架構(gòu)

圖4中：節(jié)點(diǎn)①、節(jié)點(diǎn)②封裝在測(cè)試裝置的探頭中，節(jié)點(diǎn)①表示感應(yīng)線(xiàn)圈，節(jié)點(diǎn)②表示探頭中裝裝設(shè)的金屬極板；節(jié)點(diǎn)③、節(jié)點(diǎn)④以及節(jié)點(diǎn)⑤表示測(cè)試裝置的切換開(kāi)關(guān)，虛線(xiàn)框中的內(nèi)容為設(shè)計(jì)的主體電路部分[9]。

2.2 確定電力線(xiàn)上火線(xiàn)和零線(xiàn)

利用非接觸式電壓測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要先確定電力線(xiàn)上各回路的相序分布。使用驗(yàn)電筆測(cè)試電壓時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)非接觸式功能開(kāi)發(fā)，具體設(shè)計(jì)思路如下。使用2個(gè)探頭接近測(cè)試的2條電力線(xiàn)路時(shí)，靠近火線(xiàn)L探頭中的金屬極板節(jié)點(diǎn)②與機(jī)殼和人體構(gòu)成一個(gè)完整回路，數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）模塊控制開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)⑥和b點(diǎn)接觸，開(kāi)關(guān)⑦和b點(diǎn)接觸，開(kāi)關(guān)⑧和d點(diǎn)接觸，由此可以確定電力線(xiàn)的火線(xiàn)和零線(xiàn)[10]。

2.3 獲取電力線(xiàn)上正弦波形

測(cè)試設(shè)備感應(yīng)的電壓應(yīng)與電力線(xiàn)上的運(yùn)行電壓具備同頻和同幅值的特點(diǎn)，考慮到電力線(xiàn)上的正弦波可能會(huì)存在失真現(xiàn)象，需要對(duì)獲取的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行耦合校準(zhǔn)操作。電壓波形采集電路框架如圖5所示。

圖5 電壓波形采集電路框架

電力線(xiàn)上的電壓信號(hào)通過(guò)耦合效應(yīng)匯入測(cè)試探頭，基于DSP的控制功能，利用衰減器、放大器等元件將電容C耦合得到的電壓信號(hào)控制到合理水平，滿(mǎn)足AD轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)電平要求。DSP控制器的主要作用是引導(dǎo)AD轉(zhuǎn)換器采集調(diào)節(jié)后的電壓信號(hào)，并將采集結(jié)果存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器。由于儀器探頭與電力線(xiàn)間的電容值較小，僅靠電容C不能完全將電力線(xiàn)上的電壓信號(hào)耦合到探頭上，此時(shí)獲取的電壓信號(hào)幅值不能作為電力線(xiàn)上的電壓參考使用，但其電壓波形可以被完整記錄。

2.4 獲取電力線(xiàn)上的正弦波頻率參數(shù)

由于電力線(xiàn)上的電壓頻率并非時(shí)刻都為50 Hz，需要實(shí)時(shí)獲取電力線(xiàn)上的電壓頻率參數(shù)。基于此，通過(guò)快速傅里葉變換獲取電力線(xiàn)上的電壓頻率信息[11]。

2.5 獲取電力線(xiàn)上同頻且同幅值的電壓波形

采用非接觸式電壓測(cè)試儀的2個(gè)探頭去捕獲電力線(xiàn)上同頻且同幅值的電壓信號(hào)，當(dāng)采用檢測(cè)探頭中的線(xiàn)圈①感應(yīng)出的電流為0時(shí)，則表明探頭極板上捕獲的電壓和電力線(xiàn)上的電壓相等，由此測(cè)出電力線(xiàn)上的電壓。非接觸式電壓測(cè)試儀的研究主要為電力線(xiàn)敷設(shè)和維護(hù)提供方便，需要具備可移動(dòng)便攜功能，對(duì)此應(yīng)選取電池供電方式，將電池的直流低壓轉(zhuǎn)換成交流高壓。綜合運(yùn)用直接數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）技術(shù)和正弦波脈寬調(diào)制（Sine Pulse Width Modulation，SPWM）逆變技術(shù)獲取所需的電壓信號(hào)[12]。

采集電力線(xiàn)上的電壓信號(hào)，經(jīng)SPWM技術(shù)處理后輸出到直流/交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）模塊，將直流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞣讲ㄐ盘?hào)。該方波信號(hào)經(jīng)濾波器濾波后形成與電力線(xiàn)上相同的電壓信號(hào)，輸出電壓信號(hào)的幅值可以基于PWM信號(hào)的占空比值來(lái)調(diào)整。將濾波器輸出的信號(hào)接入變壓器N1端，非接觸電力變壓器的N2端和N3端可產(chǎn)生電壓信號(hào)，其中N2端可以模擬出電力線(xiàn)上的電壓信號(hào)。

獲取非接觸裝置的輸出電壓，同時(shí)對(duì)DSP檢測(cè)線(xiàn)圈①所產(chǎn)生的感應(yīng)電流進(jìn)行數(shù)值測(cè)試。如果DSP檢測(cè)線(xiàn)圈①所產(chǎn)生的感應(yīng)電流數(shù)值為0，則將DSP控制開(kāi)關(guān)的節(jié)點(diǎn)⑥與a接觸、開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)⑦與c接觸、開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)⑧與d接觸，采集變壓器N3端電壓后即可獲取N2端電壓，從而測(cè)試出電力線(xiàn)上的電壓。按照設(shè)定次數(shù)進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量后求取算數(shù)平均值并進(jìn)行分析，該操作有利于減小電力線(xiàn)上電壓的測(cè)量誤差。

2.6 算法流程

測(cè)試算法流程如圖6所示。

圖6 測(cè)試算法流程

3 仿真分析

利用設(shè)計(jì)的硬件完成樣機(jī)制作和數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合MATLAB軟件完成對(duì)數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。非接觸式電壓測(cè)量裝置的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）核心板、繼電器單元、放大單元、采集單元、供電單元、通信單元以及外圍功能單元采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)功能模塊均可單獨(dú)進(jìn)行功能調(diào)試。

在低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行非接觸式電壓測(cè)量裝置測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)室中搭建好測(cè)試環(huán)境，將測(cè)量裝置的外置探頭固定安裝在2.5 mm2三芯電源排插線(xiàn)上。將測(cè)試樣機(jī)分別固定安裝在縣級(jí)供電單元管轄的3種不同類(lèi)型的低壓供電線(xiàn)路上，開(kāi)展非接觸式電壓測(cè)量測(cè)試。低壓供電線(xiàn)路的原始電壓和重構(gòu)電壓波形如圖7所示。

圖7 待測(cè)線(xiàn)路的原始電壓和重構(gòu)電壓對(duì)比

由圖7可知，待測(cè)線(xiàn)路的原始電壓和重構(gòu)電壓存在一定的相位偏差，但電壓幅值基本一致，滿(mǎn)足測(cè)量要求。具體電壓測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 電壓測(cè)量結(jié)果

由表1可知，利用非接觸式電壓測(cè)量裝置，其測(cè)量精度滿(mǎn)足樣機(jī)的測(cè)試要求。

4 結(jié) 論

通過(guò)研究非接觸式電壓測(cè)量裝置的應(yīng)用化設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的非接觸式電壓測(cè)量裝置能夠?qū)崿F(xiàn)400 V及以下電壓信號(hào)的有效測(cè)量，電壓測(cè)量精度控制在1.0%左右，滿(mǎn)足非接觸電壓測(cè)量的精度要求。在高壓測(cè)量環(huán)境下，該裝置的測(cè)量精度有待進(jìn)一步提升，未來(lái)仍需深入研究。