高压直流电场非接触测量传感器的设计与研究.pdf

29第 52 卷2024 年 1 月Vol.52 No.1Feb.2024云南电力技术YUNNAN ELECTRIC POWER高压直流电场非接触测量传感器的设计与研究杨琦1，张春丽2，吴锦涛1，李婵3（1.云南电网有限责任公司临沧供电局，云南 临沧 677000；2.云南电力技术有限责任公司，云南 昆明 650011；3.云南电网有限责任公司昆明供电局，云南 昆明 650011）摘要：电力运营商应定期维护和检修直流设备，确保直流输电系统的安全生产和应用。在设备维护时，必须检测直流设备是否带电，是否超过电场强度安全阈值，以保证操作人员的寿命和设备的安全。本文采用非接触法测量高压直流电场。基于电容式传感器原理，研制了一种自反馈低功耗直流电场传感器。通过反馈调整传感器的范围和灵敏度。通过优化直流电场传感单元结构参数的设计，得出当感应电流信号幅值最大时，感应电极扇形叶片开度叶数为n=6。屏蔽电极与传感电极之间的距离d=3 mm。传感电极采用差分信号输出，抑制共模信号的干扰。传感器标定实验表明，该范围为65 kV/m，灵敏度系数65.6，精度0.5 kV/m，测量误差小于2%。传感器在内部具有良好的一致性和可靠性40 kV/m。该传感器不仅可以用于测量高压直流电场的强度，而且在航空航天和气象雷电研究中，具有广阔的应用前景。关键词：高压直流电场；非接触测量；传感单元设计；校准试验Design and Research of High Voltage Direct Current Electric Field Non-contact Measuring SensorYang Qi1,Zhang Chunli2,Wu Jintao1,Li Chan3（1.Lincang Power Supply Company of Yunnan Electric Power Corporation,Lincang,Yunnan,677000,China;2.Yunnan Electric Power Technology Co.,Ltd.Kunming,Yunnan,650011,China;3.Kunming Power Supply Company of Yunnan Electric Power Corporation,Kunming,Yunnan,650011,China）Abstract:Electric power operators are required to regularly maintain and overhaul DC equipment to ensure the safe production and application of the DC transmission system.When maintaining the equipment,it is necessary to detect whether the DC equipment is live and exceeding the safety threshold of electric field strength to ensure the life of the operator and the safety of the equipment.In this paper,measuring the high-voltage DC electric field uses a non-contact method.Developinga self-feedback low-power DC electric field sensor thatbased on the principle of capacitive sensor.Adjusting the range and sensitivity of the sensor by feedback.By optimizing the design of the structural parameters of the DC electric field sensing unit,it is concluded that the number of fan-shaped blade opening lobes of the sensing electrode is n=6 when the amplitude of the induced current signal is the largest at this time.The distance between the shielding electrode and the sensing electrode is d=3mm.The sensing electrode adopts differential signal output,which can suppress the interference of common mode signal.The sensor calibration experiment shows that the range is 65 kV/m,the sensitivity coefficient is 65.6,the accuracy is 0.5 kV/m and the measurement error is less than 2%.The sensor has a good consistency and reliability within 40 kV/m.The sensor can not only be used to measure the intensity of high-voltage direct current electric field but also has a broad application prospects in aerospace and meteorological lightning research.Key words:High voltage direct current electric field;Non-contact measurement;Sensing unit design;Calibration test 中图分类号：TM74文献标识码：B文章编号：1006-7345（2024）01-0029-070前言高压直流输电技术以其自身的优势，在电网建设和发展中发挥了重要作用。为保证高压直流带电设备的安全稳定运行，有必要对带电设备进行定期检修和维护1-3。在设备检修过程中，电气工人应避免触电事故的发生，有必要提前测量带电设备周围空间的直流电场，确定30云南电力技术第 52 卷2024 年第 1 期电场是否超过安全阈值，电力操作人员的位置是否安全，以确保电力工人的生命安全4。目前，国内外直流电场测量方法主要有接触式和非接触式两种5-7。鉴于本文所测试的对象是一个电压等级为的高压直流带电器件 500 kV 和800 kV。另外，本文选择了高压直流电场强度的非接触测量。目前直流电场测量的传感原理主要包括电容器、MEMS 技术和光学三种8。考虑到现有技术和实验条件，本文选择了一种基于可变面积的电容传感器，即旋转电容传感器。该传感器的优点是输出信号稳定、成本低、功耗要求高。为了保证传感器的工作时间，本文选用了低功率无刷直流电机9。目前，旋转电容传感器的体积还比较大，它不适用于可穿戴式电场测量设备。一般采用固定装置或手持式旋转电容传感器来实现对高压直流电场的测量。提出了一种低功耗、量程可调、灵敏度可调的新型旋转电容传感器。该传感器通过与终端智能预警 APP 平台连接，可以实时测量环境的直流电场强度。具有直流输电运行场景的安全预警功能。1直流电场传感器的测量原理本文采用旋转电容传感器测量高压直流充电设备周围的电场。详细推导了直流电场测量原理。设计传感器的结构，分析了传感器电路的等效原理。1.1传感器电场测量原理旋转电容传感器利用高压直流充电装置在周围空间产生的感应电荷来测量空间中的电场强度10。因为直流电场是一个准静态电场，我们可以从高斯定理中知道公式（1）。=sisSqdE01（1）其中，E 是空间直流电场强度；S 是电场传感器的有效电荷感应面积；qi是传感器表面累积的自由电荷的代数和；0是真空介电常数。旋转电容传感器驱动屏蔽电极通过电机旋转。屏蔽电极与电机轴共用地。所述感测电极在直流电场作用下的有效感测面积随时间呈周期性变化。为了保持与地面相同的电位，当感应电极暴露于空间电场时，感应电极上会积聚一定量的感应电荷11。旋转电容传感器的工作原理如图 1 所示。Shield electrodeSensing electrodeElectric motorElectric field 图1现场研磨传感器工作原理屏蔽电极使传感电极保持“曝光-屏蔽”三种状态。为了方便它们，传感电极和屏蔽电极叶片都采用扇形结构12-13。根据扇形面积公式，推导出传感电极的有效传感面积随时间变化的表达式。=TtTrRtnTtrRtntS2),(21220),(21)(2222（2）其中，T 是诱导区变化期；是电机旋转角速度；R 是屏蔽电极和感应电极叶片的开口波瓣数；r 是风扇叶片的内径，也是风扇叶片的外径。感测电极上的感生电荷 Q(t)由屏蔽电极调制以产生周期性变化的感生电流信号 i(t)。i(t)的表达式如式（3）所示。（3）将公式（2）代入式（3），传感器电极上感应电流信号 i(t)的表达式如公式（4）所示。=TtTErRnTtErRnti2,)(2120,)(21)(220220（4）其中，E 是被测空间的直流电场强度；n 是屏蔽电极和感应电极叶片的开口波瓣数。当传感电极完全暴露在电场中时，有效传感面积最大，感应电流值最大14。当传感电极被屏蔽电极完全屏蔽时，有效传感面积最小，31高压直流电场非接触测量传感器的设计与研究 第 52 卷2024 年第 1 期感应电流值最小。1.2传感器等效电路原理旋转电场传感器是基于电容器传感原理的（如图 2）。通过周期性改变传感电极上的有效传感面积，实现对高压直流电场环境中相应直流电压信号的调制，周期性地改变感应电荷15。旋转电场传感器的固有电容值随时间变化，公式（5）。dtSCtS)()(=（5）其中，CS(t)是传感器的固有电容；S(t)是感应电极的有效感应面积 d 是屏蔽电极和传感电极之间的垂直距离；是介电常数。Shield electrodeSensing electrodeDC electric field)(tSCU 图2旋转电场传感器的等效原理根据旋转电场传感器的结构特点和直流电场测量原理，将传感器结构等效为如图 3 所示的电路模型。)(tSC0UU 图3旋转电场传感器电路图图 3 中 U0是被测直流充电装置的工作电压,电压幅值恒定，且随时间变化不变化。CS(t)是传感器的固有电容。U 是由旋转电场传感器输出的可测量直流电压信号。根据式（3），信号处理电路将交流感应电流信号转换为可测量直流电压信号之间的放大系数，可以确定输出电压信号与测量电场 E 之间的关系式。本文将电场传感器置于标准直流均匀电场中进行标定试验。确定了输出电压信号与实测直流电场 E 的关系。如果传感器的性能参数满足要求，可以用电场传感器测量高压直流电场。2传感单元优化设计由式（4）可知，传感器电极上感应电流的大小不仅与传感器电极的有效感应面积、传感器电极扇形叶片的数量有关，感应电流的大小还受电机转速、直流电场强度、感应电极的距离和倾角的影响。2.1传感电极扇形叶片数感应电极扇形叶片的数量与感应电流信号i(t)的大小呈线性关系。考虑到电场传感器的灵敏度，单位时间内扇形叶片数越大，感应电极的有效感应面积越大，感应电流的振幅越大，传感器的灵敏度就越高16。传感电极会受到边缘效应的影响。随着风机叶片数的增加，边缘效应的影响越来越明显。因此，需要对传感电极的风扇叶片数进行参数优化设计。本文将电场传感器的屏蔽电极和传感电极之间的距离保持不变17-18。屏蔽电极和感应电极风扇叶片的外径和内径是固定的。电机角速度也保持不变。只考虑扇形叶片数对感应电流信号 i(t)幅值的影响。假设感应电流信号为临界最大值19。也就是说，当感测电极完全暴露于电场时，感测电极上的感生电荷量为 q1。感应电极上的感应电荷量是当感应电极被完全屏蔽时产生的。感应电流信号的表达式，如式（6）所示。Tqqtqti21)(=（6）其中，T 为感测区域的变化周期。利用 COMSOL 有限元仿真软件建立了感应电极扇形叶片数分别为 2、4、616 的电场传感器的仿真计算模型。传感器置于 10 kV/m 均匀直流电场环境中。将其放置在平行板电容器的上极板和下极板的中心。感应电流信号的计算振幅随扇形叶片的数量而变化如图 4 所示。从图 4 可以看出，交流感应电流信号 i(t)的幅值并不随感应电极风扇叶片数的增加而线性增加，当风扇叶片数=6 时，交流感应电流的幅值最大，因为传感器的传感器电极受到边缘效32云南电力技术第 52 卷2024 年第 1 期应的限制影响传感器的测量结果。为了保证电场传感器的灵敏度性能，本文设计的电场传感器感应电极扇形叶片的波瓣数为 6。024681012141618141618202224Induction current amplitude i(t)/(nA)Number of fan-shaped blade openings/n 图4风机叶片叶数对感应电流幅值的影响曲线本文在传感器的实际设计中，采用屏蔽电极扇形叶片数=6，感应电极扇形叶片数=12，感应电极差动输出两路交流感应电流信号。每个感应电极的扇形开口波瓣数为 6，可以抑制外部共模信号的干扰。2.2电机旋转角速度根据公式（4），交流感应电流信号 i(t)的振幅随电机旋转角速度线性增加。电机转动角速度与驱动频率的关系式（7）。=2f（7）其中，f 是电机驱动电压信号的频率。可以看出，交流感应电流信号 i(t)的振幅随电机驱动信号的频率线性增加20。研究了电机角速度对交流感应电流信号 i(t)的影响。本文将其转化为对传感器性能参数的影响，重点是对传感器量程和灵敏度的影响。050100150200250-505101520253035Sensor sensitivityMotor rotation angular speed(2*pi*rad/s)图5电机旋转角速度对传感器灵敏度的影响从图 5 可以看出，随着电机旋转角速度的增大，传感电极单位时间的有效传感面积增大，感测电极上的感应电流信号幅值增大，电场传感器的输出直流电压信号幅值也增大，传感器的灵敏度系数也会增加，但范围会减小。在电场传感器的设计过程中，考虑到传感器的功耗和实际使用寿命，选择电机驱动电压为 3 V，电机驱动信号频率为 240 Hz。2.3屏蔽电极和传感电极间距感应电极上交流感应电流信号 i(t)的大小与感应电极与屏蔽电极之间的距离和倾角有关。两者之间存在一定的倾角，使得传感电极与屏蔽电极之间的有效距离发生变化21。由式（5）可知，传感电极与屏蔽电极之间的距离越小，传感器的固有电容越大。电极间距越大，边缘效应对传感器的影响越大。考虑到边缘效应的约束和其他变量的影响，只有传感电极与屏蔽电极之间的距离和倾角不同，才会影响传感电极上的感应电荷量。确定屏蔽电极和传感电极之间的最佳有效距离。首先，保持屏蔽电极与传感电极平行，均匀缩小两电极之间的中心距离，计算不同距离下传感电极上感应电荷的大小。其次，保持屏蔽电极和传感电极之间的中心距离不变。屏蔽电极的倾斜角度从 0 到 5 均匀变化。计算不同倾角下感应电极上感应电荷的大小22。从图 6 可以看出，当屏蔽电极与传感电极之间的有效距离越小时，感应电极上的感应电荷 Q(t)量越大，即交流感应电流信号 i(t)幅值越大，传感器灵敏度越高。考虑到传感器的使用寿命和传感器对高压电场测量的精度，最终选择屏蔽电极与传感电极的间距为 3 mm。012345161820222426283032d=5mmd=4mmInduced charge q/CShield electrode inclination angle/d=3mm d=4mm d=5mmd=3mm 图6两电极间有效距离对感应电荷的影响33高压直流电场非接触测量传感器的设计与研究 第 52 卷2024 年第 1 期保持屏蔽电极和传感电极之间的中心距离不变。当屏蔽电极倾斜角度较大时，屏蔽电极与传感电极之间的有效距离变小。感应电极上的感应电荷量 Q(t)越大，交流感应电流信号 i(t)的幅值越大，为避免电极间距较小时屏蔽电极与感应电极的碰撞，保持屏蔽电极和传感电极平行。3传感单元的物理处理与实现为了便于电场传感器传感单元的结构设计和加工，传感器的屏蔽电极和传感电极叶片采用扇形开口方式。屏蔽电极和传感电极叶片的开口花瓣数、扇形内径、扇形外径和两电极上下间隙的实际加工参数如表 1 所示。表1传感单元结构的尺寸参数 Number of opening petals nSector inner diameter rSector outer diameter RBlade spacing d6、1215mm25mm3mm屏蔽电极使用经处理过 1 mm 厚的铜片。屏蔽电极叶片开口波瓣数 n=6，直流无刷电机金属轴接地。传感电极采用 PCB 工艺制作，工艺误差小 0.1 mm。感应电极叶片开口波瓣数n=12，采用 12 等分叶片结构。6 个间隔扇区形成一个组，两个信号形成一个差分信号输出23。图7传感器单元处理的物理图像旋转电场传感器感应将探头的屏蔽电极接地，感应电极采用差分信号输出结构，引线与信号处理电路板相连。电机控制电路和信号处理电路板安装在直流无刷电机下方，PCB 电路板通过固定孔固定24。4高压直流电场传感器的标定通过传感器标定实验，计算了直流电场传感器的静态指标。例如，范围、灵敏度、线性度和滞后误差等性能参数25-26。直流电场传感器的标定是准确测量传感器的前提。传感器校准原理如公式（8）所示。dUE=（8）其中 E 为两极板间均匀直流电场强度。U是两个极板之间的电位差。d 是两个板块之间的距离。校准装置基于平行板电容器。稳定的直流电压施加在电容器的上极板上，下极板接地，在上极板和下极板之间产生均匀的直流电场27。将直流电场传感器置于极板之间的均匀电场中，使其位于下极板的中心。通过公式 E=U/d 计算电场的大小。将其与电场传感器输出的电压幅值进行拟合，得到两者的标定曲线。在图 8 所示的传感器标定实验中，上下极板之间的距离为 10 cm，极板之间产生的均匀电场强度为 0100 kV/m。均匀调节高压直流电源的输出电压幅值，待传感器输出电压幅值稳定后记录实验数据。根据表 2 中电场传感器的标定试验数据，我们可以画出电场传感器标定试验结果曲线，如图 9 所示。High-voltage DC power supplyElectric field EVoltage UPlate spacing dUpper plateLower plateElectric field sensorOscilloscope 图8电场传感器校准试验模型由图 9 可知，当直流电场强度 E=60 kV/m 时，传感器输出电压幅值接近饱和，本文传感器在被测环境中，在给定直流电场强度的 0100 kV 范 围 内，电 场 传 感 器 测 量 值 为065 kV。在给定的直流电场强度 040 kV 范围内，传感器输出电压信号幅值呈线性变化。根据该公式，传感器的迟滞系数计算为 5.3%，前后行程电场传感器测量值一致。通过一组观测结果（E，U0）进行最小二乘线性拟合28。两者之间的线性关系如式（9）。U0=KE+b（9）其中，K 表示曲线的斜率值，该值反映了传34云南电力技术第 52 卷2024 年第 1 期感器的灵敏度。b 表示传感器的体噪声。表2电场传感器校准试验数据 DC voltage/kVDC electric field/(kV/m)Positive output voltage/(mV)Reverse output voltage/(mV)003803400.555403801108608001.51511601060220154014202.52518801780330224021403.53525802420440290027604.54529602860550296029805.55529802960660300029806.56530003000770300030007.5753000300088030003000从图 10 可以看出，曲线 a 是传感器的测量值曲线，曲线 b 是拟合直线，两条曲线在040 kV 范 围 内 线 性 关 系 相 同。曲 线 b 的 计算斜率为 K=65.6。根据定义，传感器灵敏度S=65.6。0204060800.00.51.01.52.02.53.0Sensor output voltage amplitude/VGiven DC electric field(kV/m)B Outgoing output voltage amplitude C Return output voltage amplitude D Go and return output difference 图9电场传感器校准试验结果曲线 图10电场强度与传感器输出电压的拟合曲线综上所述，静态指标包括传感器范围、分辨率、线性度和测量误差。通过表 3 中的传感器校准试验进行计算。表3电场传感器标定性能参数 RangeSensitivityResolutionMeasurement errorLinearityHysteresis factor065kV65.60.5 kV/m 2%5.73%5.3%由表 3 可知在 0100 kV 给定直流电场强 度，传 感 器 的 量 程 为 065 kV，不 满 足080 kV。当给定的直流电场强度大于 40 kV时，传感器输出电压信号幅值不再随测量的直流电场强度线性变化。我们需要做进一步的实验来分析传感器性能参数缺失的原因。5结束语本文基于高斯定理对传感器电场进行了测量。采用非接触法测量高压直流电场。该传感器的结构基于电容式传感器的原理，研制了一种自反馈低功耗直流电场传感器。传感器的量程和灵敏度可以实现动态反馈调节，这是本文的一个重要创新。对直流电场传感单元结构参数的优化设计表明，传感电极扇形叶片开口的最佳波瓣数为 n=6，屏蔽电极与传感电极的最佳距离为d=3 mm，可以知道传感器的范围是 65 kV/m，灵敏度系数为 65.6，精度为 0.5 kV/m，测量误差小于 2%，传感器在测量范围内具有良好的一致性和可靠性 40 千伏/米。随着直流电场测量范围的增大，传感器的线性度减小，测量误差增大 超过 40 kV/m。因此，本文提出的传感器仅适用于现阶段低量程电场强度的测量。为了提高传感器的性能参数，还需要进一步的研究和实验。使传感器的使用更加可靠，应用更加广泛。35高压直流电场非接触测量传感器的设计与研究 第 52 卷2024 年第 1 期参考文献1 Zhang Y,Ma Y.Application Status and Research Progress of High Voltage DC Current Measuring Device.Electrical Measurement&Instrumentation,2014,51,11,32-39.2 Zhang W.B.bin,Li P,Zhou N.R.,ect.Method for Localization Aerial Target in AC Electric Field Based on Sensor Circular Array.Sensors.2020,20,15853 Suo C.G,Deng X.S,Tan X.Y.etc.Linearity test method for non-contact ultrasonic and transient earth voltage PD detector.Ferroelectrics.2017,521,44-54XiaoD,MaQ,XieY,etal.Apowerelectricfieldsensorforportable measurement.Sensor.2018,18,04,10535 Yan Y.Acquisition and measurement system for weak DC voltage signals.Masterthesis,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing,2017.6 Sun H,Zhang W.B,Yang G.ect.DC 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