高壓近電預(yù)警用工頻電場(chǎng)傳感單元設(shè)計(jì)與分析

周年榮，方正云，唐立軍，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，昆明 650217；2.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400044；3. 昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650504）

0 前言

在電力系統(tǒng)中，不管是對(duì)電力系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)，還是在電力作業(yè)中為作業(yè)人員提供近電預(yù)警都離不開對(duì)電場(chǎng)的測(cè)量。目前對(duì)工頻電場(chǎng)的測(cè)量方法主要分為光學(xué)式的電場(chǎng)測(cè)量法和電學(xué)原理的電場(chǎng)測(cè)量法兩大類。光學(xué)式的電場(chǎng)傳感器有響應(yīng)速度快，安全性高等優(yōu)點(diǎn)[1]，但其感應(yīng)單元所需的晶體材料比較特殊。電學(xué)原理的傳感器根據(jù)處于電場(chǎng)中的金屬極板會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷的特性[2-3]，運(yùn)用兩極板間引起的感應(yīng)電流或感應(yīng)電壓對(duì)空間的電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量[4-5]，其測(cè)量單元有球形[6]、MEMS結(jié)構(gòu)[7-8]、圓柱型[9]、平行板型[10-11]等。由于球型等形狀的電場(chǎng)傳感單元設(shè)計(jì)工藝比較復(fù)雜，加工比較困難，且空間占用大，不利于集成于便攜式電場(chǎng)測(cè)量設(shè)備中，在輸變電現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)預(yù)警方面無(wú)法應(yīng)用。平行板結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)傳感單元由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，體積小便于集成化而運(yùn)用得較多[10-11]。限制平行板結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)傳感單元性能的主要因素為其不穩(wěn)定的邊緣電容而引起的邊緣效應(yīng)，因此，為了減小平行極板式工頻電場(chǎng)傳感邊緣效應(yīng)對(duì)工頻電場(chǎng)畸變的影響，本文提出一種基于等位環(huán)結(jié)構(gòu)的平行板工頻電場(chǎng)傳感單元，在仿真的基礎(chǔ)上對(duì)平行極板的直徑、極板間距以及等位寬度對(duì)畸變系統(tǒng)的影響，并實(shí)驗(yàn)測(cè)試了這種新型結(jié)構(gòu)對(duì)提高工頻電場(chǎng)傳感器的線性度及靈敏度的作用。

1 傳感單元測(cè)量原理

由高斯定理可知，在電場(chǎng)E中的金屬極板上會(huì)有感應(yīng)電荷的產(chǎn)生，感應(yīng)電荷的面密度為σ，其中ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。被測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度的變化引起感應(yīng)電荷的數(shù)量的改變，此關(guān)系可以表示為

式（1）中，Q(t)為極板的感應(yīng)電荷量；E(t)為被測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度；S為感應(yīng)極板的有效面積[12-13]。

感應(yīng)單元的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，上下極板分別與取樣電容Cs的兩端相連，極板的感應(yīng)電荷在取樣電容Cs上產(chǎn)生的電壓信號(hào)U(t)作為輸出信號(hào)，其關(guān)系為

Cx為傳感單元固有電容，k為修正系數(shù)，其值與傳感單元的結(jié)構(gòu)有關(guān)[14]，將式（1）代入式（2）為：

通過(guò)對(duì)采樣電容Cs兩端的電壓U(t)進(jìn)行測(cè)量便可以得到該測(cè)量位置的電場(chǎng)強(qiáng)度[15]。式（3）建立了傳感單元輸出電壓和被檢測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)傳感單元的輸出電壓信號(hào)的處理并進(jìn)行運(yùn)算就可以獲得電場(chǎng)強(qiáng)度的信息。

圖1 感應(yīng)單元結(jié)構(gòu)原理圖

2 傳感單元結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

電場(chǎng)感應(yīng)單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖2所示，其由上極板、下極板和等位環(huán)三部分組成。由于平行板電容間存在邊緣電容，在外電場(chǎng)的干擾下電容邊緣電荷聚集的數(shù)量很難保證穩(wěn)定，其電容不能保持穩(wěn)定會(huì)給傳感器的測(cè)量帶來(lái)誤差，使傳感器的輸出不穩(wěn)、靈敏度降低、輸出特性產(chǎn)生非線性。因此，在設(shè)計(jì)電場(chǎng)感應(yīng)單元時(shí)為減小邊緣效應(yīng)的影響，采用等位環(huán)的結(jié)構(gòu)以消除兩極板間的邊緣效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)能使上極板邊緣電力線平直，上下兩個(gè)極板的電場(chǎng)基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場(chǎng)發(fā)生在等位環(huán)外周，故不影響傳感單元兩電極間的電場(chǎng)，這樣以保證傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖2 帶等位環(huán)的電場(chǎng)感應(yīng)單元結(jié)構(gòu)圖

電場(chǎng)感應(yīng)單元用PCB印制電路板制作，利用一對(duì)圓銅盤作為平行板，中間的絕緣材料為環(huán)氧樹脂，這樣的制作工藝簡(jiǎn)單，成本低，能夠保證各單元較好的一致性和穩(wěn)定性。根據(jù)工頻電場(chǎng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)（GBT12720—91），對(duì)電場(chǎng)感應(yīng)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響運(yùn)用COMSOL仿真軟件進(jìn)行建模仿真分析。在工頻電場(chǎng)E中分別改變電場(chǎng)感應(yīng)單元的感應(yīng)極板半徑r和間距d進(jìn)行仿真，得到感應(yīng)極板上的電場(chǎng)強(qiáng)度值E′max與原電場(chǎng)強(qiáng)度E進(jìn)行對(duì)比，利用畸變系數(shù)γ=(E′max-E)/E表征該結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)原電場(chǎng)強(qiáng)度的影響程度，其仿真結(jié)果如表1、表2所示。

如圖3所示，利用感應(yīng)極板上為E′=0.06E+E的電場(chǎng)強(qiáng)度等值線，確定不同半徑的傳感單元的等位環(huán)寬度k，此等位環(huán)可以排除94%的畸變電場(chǎng)的影響。通過(guò)仿真得到不同半徑的傳感單元的等位環(huán)的寬度，結(jié)果如表3所示，通過(guò)MATLAB曲線擬合其關(guān)系為：

表1中，不同半徑下的傳感單元的電場(chǎng)畸變系數(shù)變化小，說(shuō)明感應(yīng)極板面積的變化對(duì)感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度的畸變程度的影響較小，但是為了便攜性，傳感單元選擇較小的半徑。從表2中可知，隨著感應(yīng)極板間距的增加，傳感單元的電場(chǎng)畸變系數(shù)也增加，感應(yīng)極板間距的改變直接影響感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度的畸變程度，因此在設(shè)計(jì)傳感單元的感應(yīng)極板間距時(shí)應(yīng)盡量選擇較小的極板間距。在生產(chǎn)制作時(shí)，根據(jù)表3中仿真得到的數(shù)據(jù)與工廠工藝水平參數(shù)制作1.6 mm厚的PCB的傳感單元，實(shí)物如圖4所示。

圖3 傳感單元的等位環(huán)的寬度確定

圖4 傳感單元實(shí)物圖

表1 感應(yīng)極板半徑r對(duì)畸變系數(shù)γ的影響

表2 感應(yīng)極板間距d對(duì)畸變系數(shù)γ的影響

表3 感應(yīng)極板的半徑r與等位環(huán)寬度k的關(guān)系

3 不同參數(shù)的傳感單元測(cè)試試驗(yàn)

3.1 傳感單元固有電容的影響

根據(jù)（GBT12720—91）工頻電場(chǎng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，搭建工頻電場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)由調(diào)壓器、高壓實(shí)驗(yàn)變壓器、平行板裝置三部分組成。在平行板裝置的上層和下層之間產(chǎn)生單相均勻工頻電場(chǎng)，將沒(méi)有接采樣電容的傳感單元放在平行板裝置的中心位置。通過(guò)示波器進(jìn)行讀取傳感單元的輸出信號(hào)的峰值；通過(guò)調(diào)壓器調(diào)整電場(chǎng)強(qiáng)度，并記錄變壓器的輸出電壓值；完成調(diào)壓后，讀取傳感單元的輸出值；測(cè)試完所有的傳感單元。各單元的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果如圖5所示，其試驗(yàn)結(jié)果分析如表4所示。

表4 各傳感單元測(cè)試結(jié)果分析

圖5 各傳感單元試驗(yàn)結(jié)果擬合分析

從圖5可以看出各傳感單元的測(cè)量值都具有良好的線性關(guān)系，在場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)200 kV/m后各傳感單元都還沒(méi)有達(dá)到飽和狀態(tài)，最優(yōu)的5號(hào)傳感單元線性度達(dá)到1.6025%，有較大的靈敏度系數(shù)。從表4中可以看出隨著傳感單元的感應(yīng)面積的增加，1到5號(hào)傳感單元的靈敏度系數(shù)不斷增大，最大達(dá)到248 mV/(kV·m-1)，而6、7號(hào)傳感單元的靈敏度下降，其原因還在研究中。

3.2 采樣電容的配置

在沒(méi)有接采樣電容的傳感單元進(jìn)行了工頻電場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)后，選擇性能較好的5號(hào)傳感單元連接不同的采樣電容進(jìn)行測(cè)試分析。測(cè)試過(guò)程與工頻電場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)相同。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表5所示。

從表5中可以看出，在接不同的采樣電容的時(shí)候，傳感單元具有不同的靈敏度系數(shù)，均有一定的線性度。當(dāng)采樣電容比較小時(shí)，傳感單元的靈敏度系數(shù)較大，但是其輸出信號(hào)過(guò)大，無(wú)法進(jìn)行信號(hào)處理，不利于電場(chǎng)測(cè)量；在200 kV/m的高場(chǎng)強(qiáng)下輸出信號(hào)波形畸變嚴(yán)重，傳感單元的測(cè)量性能不佳。而在較大的采樣電容下，傳感單元的靈敏度系數(shù)變小，輸出信號(hào)也隨之減小，其輸出信號(hào)波形的畸變也較小。因此，根據(jù)試驗(yàn)情況和設(shè)計(jì)需要等綜合分析，實(shí)際的采樣電容Cs值的選擇為3.3 nF。

表5 接不同采樣電容的5號(hào)單元的測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用一種新型的等位環(huán)結(jié)構(gòu)解決了平板電容式電場(chǎng)傳感單元的感應(yīng)極板存在邊緣效應(yīng)的問(wèn)題，且對(duì)設(shè)計(jì)制作的傳感單元進(jìn)行了電場(chǎng)標(biāo)定試驗(yàn)研究，仿真及標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）在兩感應(yīng)極板的間距不變時(shí)，感應(yīng)極板面積的增大對(duì)極板上的電場(chǎng)畸變影響不大，畸變系數(shù)維持在0.9左右。在感應(yīng)極板的感應(yīng)面積一定時(shí)，極板間的間距對(duì)電場(chǎng)的畸變影響較大，隨著間距的增加，極板上電場(chǎng)的畸變系數(shù)也增大。

2）為屏蔽平板電容邊緣94%畸變電場(chǎng)的影響，等位環(huán)的寬度隨感應(yīng)極板的半徑的增加而減小而趨于平穩(wěn)，其關(guān)系可擬合為k=8.35r-0.3584。

3）采樣電容對(duì)平板電容傳感單元的線性度與靈敏度系數(shù)的影響不可忽略，采樣電容的增大使傳感單元的靈敏度系數(shù)減小，相對(duì)較大的采樣電容具有較好的線性度。

4）感應(yīng)極板半徑為16 mm，等位環(huán)寬度為3.05 mm，極板間距是1.6 mm結(jié)構(gòu)參數(shù)的5號(hào)傳感單元在采用3.3 nF的采樣電容時(shí)，其線性度可達(dá)0.3586%，靈敏度系數(shù)為30 mV/(kV·m-1)；在場(chǎng)強(qiáng)為200 kV/m時(shí)，其輸出信號(hào)的峰峰值達(dá)到6.149 V。