電容式交變電場傳感器與工頻電場檢測試驗研究*

汪金剛，林 偉，李 健，毛長斌，何 為，王 平

(1.重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044;2.重慶電力試驗研究所，重慶401123;3.重慶電力公司北碚供電局，重慶400700)

0 引言

在電力工業中，精確地測量電力設備周圍空間電場與變化，對電力設備的設計制造和安全運行有重要的意義，如高壓電力設備的絕緣結構優化;并且隨著電壓等級的提高，不僅輸變電設備本身的電場分布成為研究的熱點，電力系統電磁兼容問題也引起人們重視，對其進行研究也需要電場測量。同時，除電力系統電磁兼容問題外，很多其他領域也存在電磁兼容問題，都需要對工頻電場進行測量［1，2］。

關于電場測量有很多方法，電荷法是通過對小球在電場中捕獲的電荷來計算電場，具有很大的局限性［3］。文獻［4，5］分別采用壓電陶瓷和壓電石英感知電場大小，實現了對工頻電壓的測量。已有的產品能夠實現空間電場的準確測量，但結構復雜，價格昂貴，難以大面積推廣使用。采用電容式交變電場傳感器設計的電場檢測裝置，結構簡單，測量準確，成本低廉，實用性強，在場強較高的情況下，實現準確測量，用于變電站間隔電場測量，線路、配電房等電場警示，帶電作業防止誤闖帶電區域警示。

1 交變電場傳感器原理

處于交變電場中的傳感器，在其表面會產生感應電荷，在傳感器的電極間接入測量電容器后，電容器上產生的電壓便可作為測量信號［6，7］。

一維球型傳感器的結構如圖1所示，將一中空的金屬球殼分成兩部分，通過絕緣物質將其連接在一起，就構成了電容傳感器;分隔后的上半球面和下半球面為傳感器的2個電極。

圖1 球型傳感器結構示意圖Fig 1 Spherical sensor

球型傳感器放入電場后，球殼上的表面電荷量與球心處的電場強度E0(t)成正比

其中，K為比例系數。這些感應電荷將在取樣電容CM上產生一個微小的電壓為

將式(1)代入式(2)可得

通過測量取樣電容上的電壓UM(t)就可以得到E0(t)，這就是電容式傳感器測量的基本原理［1］。

若在傳感器的2個電極間接入測量電容CM，由式(2)可知，在均勻電場中該測量電容上的電壓UM1(t)

在實際設計當中，盒型、平行板結構交變電場傳感器制作簡單，運用的較多。據文獻［7～9］，對矩形結構可近似地將其最大對角線長度的一半作為其等效半徑。在均勻場下標定的這些結構的電場傳感器，在同樣條件下，與球型傳感器一樣，用于測量非均勻電場時的誤差仍然很低，只從球型結構的1%增加到不足2%。

2 電場測量裝置設計

2.1 硬件設計

采用交變電磁場傳感器來檢測高壓工頻電場，系統工作場合為高壓輸電線附近或變電站內，這些場所電磁環境復雜，條件惡劣，因此，對系統的抗干擾性要求高。另外，測量裝置應盡量減小對被測電場的場強分布的干擾。為了滿足高壓工頻電場測量的需要，設計了高壓工頻電場測量裝置，型號為EM1。裝置以C8051F020單片機為信號處理和控制核心，由傳感器、測量電路、單片機綜合分析電路、輸出電路四部分組成，系統的原理框圖如圖2所示。

圖2 系統原理框圖Fig 2 Principle diagram of system

交變電場傳感器將電場信號轉換成與待測電場相對應的電壓信號，然后，測量電路對電壓信號進行濾波放大和信號調理;調理后的信號送入單片機進行A/D轉換，A/D轉換得到的數據根據推導計算公式進行綜合處理，獲得電場實測值，由單片機控制輸出電路將待測電場值進行液晶顯示，并結合GB 16203—1996配置了聲光報警系統。

2.2 軟件設計

工頻電場測量系統的工作流程如圖3，開機后，系統進行初始化，對各個工作單元進行自檢;然后，單片機片內的A/D轉換單元根據定時器的控制開始對信號處理，單元輸出的電壓信號進行A/D轉換;轉換結束后，對數據序列進行滑動平均濾波處理，并進行進一步均值處理計算，得到單位時間的平均場強和該時間內的最大、最小值。計算平均場強的單位時間可以預設，一般為30 s。獲得場強值后，由LED顯示電路顯示結果，同時結合國家標準進行場強警示。

圖3 主程序流程Fig 3 Flow chart of main program

3 傳感器固有電容選擇與線性度分析

3.1 電容選擇原則

當傳感器的幾何結構確定之后，其固有電容值Cx也隨之確定，接入測量電容CM后，系統測量既可以取CM兩端的電壓，也可取電流信號。忽略取樣電容、傳感器固有電容的電阻與信號處理回路的影響，可以得到測量回路的戴維南等效電路如圖4所示。

圖4 測量回路的戴維南等效電路Fig 4 Therenin equivalent circuit of measuring module

圖4中，針對取電壓信號的處理電路，考慮傳感器固有電容Cx的影響，對式(3)進行修正。等效電壓源US(t)與傳感器固有電容值及在電場中的感應電荷量相關

考慮傳感器固有電容Cx的影響時，均勻場中測量電容器兩端電壓為

由式(5)可以看出:傳感器的固有電容Cx越大，對測量電路的影響越大。因此，要獲得符合信號處理電路要求的取樣電壓值UM(t)，應對傳感器固有電容的大小進行分析，才能正確選擇取樣電容。文獻［1］所采用的半徑為3 cm，絕緣板的厚度為2 mm的球型探頭，經計算可得其探頭的固有電容為2.3 pF。經過計算，本設計的傳感器本身的固有電容為10 pF。取樣電容為納法級，遠大于傳感器的固有電容，因此，可以近似忽略傳感器固有電容對測量電壓的影響。

3.2 不同CM時線性度分析

電場測量裝置設計好后，利用其進行傳感器測量電容CM的進一步確定，使得裝置在要求測量場強范圍內，具有良好的線性度。

PMM8053A電磁場測量儀具有很高的準確度，在50 Hz，1 kV/m時的相對誤差為±0.5 dB。采用PMM8053A電磁場測量儀測出選定點的標準電場強度值;然后，依次在本文設計的高壓工頻電場測量系統(EM1)傳感器兩端并聯不同的測量電容，在選定點進行測量，分別讀取測量值，結果如圖5。測量過程中應注意使EM1工頻電場測量系統的傳感器高度與PMM8053A電磁場測量儀測量時的高度保持一致，固定為1.5m;在讀數過程當中，應盡量避免人體鄰近效應對電場的干擾。

圖5 不同CM下測量數據的線性度對比Fig 5 Linearity comparison of measured data between different CM

從圖3可以看出:在不同測量電容下，傳感器具有一定的線性度。

當CM值為零時，測量線性度較好，但傳感器輸出信號過大，不利于測量。當CM值較小時，對低場強具有較好的測量性能，而對電場強度較大時性能不佳;相反，當CM值較大時，在場強較大時有較好的測量性能，場強低的位置的測量結果為零，無法分辨。因此，根據試驗情況和設計需要等綜合分析，實際CM值的選擇為20 nF。

4 高壓電場測量試驗研究

以PMM8053A電磁場測量儀的測試數據為標準，檢驗了EM1系統的電場測量性能，主要包括:

1)對系統校正后，在陳家橋變電站500 kV輸電線下進行了電場對比測量。試驗環境:晴天，溫度為25℃，濕度為69%RH，傳感器高度為1.5 m;

2)在河南500 kV祥符變電站220 kV開關間隔進行了試驗，檢驗校正后的系統測量效果。試驗環境:晴天，溫度為18℃，濕度為34%RH，傳感器高度為1.5 m。

圖6為500 kV輸電線電場測量數據對比，圖7是220 kV開關間隔的電場測量數據對比。

圖6 500 kV輸電線電場測量數據對比圖Fig 6 Comparison chart of the measured data on 500 kV transmission line

圖7 220 k V開關間隔的電場測量對比Fig 7 Comparison chart of the electric field measuring in 220kV switch yard

1)從數據折線圖走勢來看，兩者基本一致，表明EM1在強電場環境中能準確測量電場。

2)EM1的測試數據與作為參照的PMM8053A電磁場測量儀的測試數據相關度很好，平均誤差小于5%;在電場較低時，仍然有一定的誤差，最大誤差為11.2%。

5 結論

研究了電容式電場傳感器測量原理，根據測量需要和線性度分析設計了電容式交變電場傳感器，使用該傳感器進行了電場測量裝置的研究。在500 kV輸電線路和220 kV開關間隔下進行了高壓工頻電場測量試驗，結果表明:在較高電場(＞1 kV/m)區域，EM1裝置測量結果具有較好的線性度和準確度，可以用來作為電場環境監測預警、電力檢修時走錯間隔預警。

［1］蔣國雄，楊建中.工頻電場測量和一種新型探頭的研究［J］.高電壓技術，1985，11(4):1－5.

［2］Meek JM.Measurement of electric field at electrode surface［J］.Electron Letters，1965，1(4):110－111.

［3］劉 健.基于球型電場探頭的空間電場光電測量系統的研制［D］.西安:西安交通大學，2002.

［4］Bohnert K B，Randle H，Frosido G.Field test of interferometric optical fiber high-voltage and current sensors［C］∥Proc of SPIE，1994:16.

［5］Varttaneourt GH，Carignan S，Jean C.Experience with the detection of faulty composite insulators on high-voltage power lines by the electric field measurement method［J］.IEEE Trans，1998，13(2):661－666.

［6］王立峰.一種新型集成靜電場微型傳感器的研究［D］.南京:東南大學，2006.

［7］Misakian M，Fulcomer P.Measurement of nonuniform power frequency electric fields［J］.IEEE Trans On Electrical Insulation，EI，1983，18(6):657－661.

［8］Lanbert E.Measurement of electric and magnetic fields from alternating current power lines［J］.IEEE Trans Power App Sys PAS，1978，97:1104－1114.

［9］傅艷軍.110kV變電所工頻電場測量與分析［D］.上海:上海交通大學，2005.