基于電極振動(dòng)式電容傳感器的高壓直流驗(yàn)電裝置設(shè)計(jì)與研發(fā)

程 旭，陳 勇，裴星宇

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司直流配用電研究中心，廣東 珠海 519000）

1 高壓直流驗(yàn)電裝置整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高壓直流驗(yàn)電裝置系統(tǒng)由驗(yàn)電主機(jī)、驗(yàn)電從機(jī)以及上位機(jī)3部分組成。停電維修前，對(duì)換流站的高壓直流設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)將測(cè)試主機(jī)安裝在可以自由伸縮的絕緣棒上進(jìn)行安全防護(hù)，并將絕緣棒調(diào)整到規(guī)定的長(zhǎng)度，然后使裝置的驗(yàn)電主機(jī)靠近被測(cè)高壓帶電體，此時(shí)驗(yàn)電裝置的主機(jī)和被測(cè)試的帶電體未發(fā)生直接接觸，通過這種措施來提高驗(yàn)電操作的安全性。裝置驗(yàn)電器主機(jī)上的電極式振動(dòng)電容傳感器輸出交流電壓信號(hào)，通過信號(hào)處理變換電路計(jì)算得到有效的測(cè)量值。當(dāng)主控系統(tǒng)判斷有高壓存在時(shí)，控制聲控報(bào)警原件發(fā)出帶有電壓的報(bào)警信號(hào)。同時(shí)，通過近場(chǎng)通信模塊把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給驗(yàn)電從機(jī)，驗(yàn)電從機(jī)則同時(shí)可以得到聲音及光電報(bào)警的提示，并將測(cè)得的電壓值進(jìn)行可視化顯示。主探測(cè)器和從機(jī)之間保持雙向通信[1-4]。

2 高壓直流驗(yàn)電裝置驗(yàn)電主機(jī)設(shè)計(jì)

高壓直流驗(yàn)電裝置驗(yàn)電主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由傳感器及驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路、主控制器、聲光報(bào)警單元、ZigBee無線通信單元、可伸縮絕緣桿等組成。驗(yàn)電主機(jī)的硬件模塊由模擬和數(shù)字電路兩部分組成，其中數(shù)字電路主要由短距離ZigBee無線通信電路與主控制器電路組成，模擬電路則由電源電路和信號(hào)處理電路組成。

圖1 高壓直流驗(yàn)電裝置驗(yàn)電主機(jī)結(jié)構(gòu)

驗(yàn)電主機(jī)傳感器采用一種基于傳統(tǒng)電極振動(dòng)式電容傳感器的密封式封裝結(jié)構(gòu)。信號(hào)處理電路包含電壓信號(hào)調(diào)理（降壓）和信號(hào)濾波兩部分。控制部分主要選用功能資源相匹配的單片機(jī)。ZigBee無線通信模塊主要采用TI公司的CC2530芯片，該芯片集成了處理器模塊和無線通信模塊。

電極振動(dòng)式電容傳感器在振動(dòng)電容式傳感器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用新型金屬電極式密封封裝結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)部分示意如圖2所示。其中，1為暴露在高壓直流環(huán)境中的金屬探針，用于外部高壓直流電磁感應(yīng)。6為與金屬探頭連接的感應(yīng)電極片金屬，材質(zhì)為銅箔。7為交流信號(hào)采集用的振動(dòng)電極，它是一塊與6相同形狀、相同材料和面積的感應(yīng)板，兩者共同構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)并聯(lián)電容器。4為提供激勵(lì)信號(hào)的信號(hào)線。3為正常工作時(shí)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)電極激發(fā)運(yùn)動(dòng)的振子，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正弦信號(hào)激發(fā)。振動(dòng)電極7采集的交流信號(hào)通過輸出信號(hào)連接8輸出。9為前端信號(hào)處理單元。2為感應(yīng)電極與振動(dòng)電極之間的密封間隙，用于滿足機(jī)械強(qiáng)度高、擊穿電壓高以及電性能穩(wěn)定性好的要求。整體封裝基板采用環(huán)氧玻璃纖維板，擊穿電壓高，電氣性能穩(wěn)定。

圖2 電極振動(dòng)式電容傳感器封裝結(jié)構(gòu)剖面圖

采用電極振動(dòng)式電容傳感器使驗(yàn)電裝置可以在各種惡劣的室外環(huán)境工作，有效解決了灰塵和濕度對(duì)傳感器性能的影響。振動(dòng)電極與感應(yīng)電極片采用相對(duì)安裝的方式，可以有效解決現(xiàn)有電容式傳感器在測(cè)試工作時(shí)必須相對(duì)被測(cè)物體距離近這一問題。電極型密封式封裝結(jié)構(gòu)則直接避免了電離子電流對(duì)測(cè)量精度的影響，消除了傳感器的零點(diǎn)漂移問題，進(jìn)而有效提高了傳感器的電場(chǎng)檢測(cè)能力[5]。同時(shí)測(cè)試人員在驗(yàn)電操作時(shí)使用可伸縮式的絕緣棒驗(yàn)電裝置主機(jī)直接進(jìn)行驗(yàn)電操作，從而保證了測(cè)試人員的人身安全。絕緣保護(hù)桿由環(huán)氧樹脂和玻璃纖維制成，能有效實(shí)現(xiàn)操作人員與被測(cè)高壓設(shè)備的電氣絕緣[6]。

驗(yàn)電裝置主機(jī)中控制器根據(jù)采樣得到的交變電壓進(jìn)行有效值計(jì)算后，與報(bào)警閾值比較，判斷系統(tǒng)帶電與否。裝置設(shè)定3級(jí)保護(hù)閾值，根據(jù)不同的保護(hù)閾值設(shè)定不同的報(bào)警頻率，保護(hù)電壓閾值越高，聲光報(bào)警燈閃的頻率越高。另外在告警與不告警判斷之間增加了滯環(huán)處理，防止當(dāng)采樣電壓值在邊界處時(shí)存在系統(tǒng)在帶電與不帶電狀態(tài)之間來回切換的情況[7-10]。

驗(yàn)電裝置主機(jī)控制器驗(yàn)電判斷算法流程如圖3所示，其中U_alarm1為一級(jí)保護(hù)，U_alarm2為二級(jí)保護(hù)，U_alarm3為三級(jí)保護(hù)，U_alarm1＞U_alarm2＞U_alarm3。傳感器通過AD采樣測(cè)量得到的電壓值進(jìn)行有效值計(jì)算得到電壓U。當(dāng)U＞U_alarm1時(shí)，聲光報(bào)警發(fā)出20 Hz報(bào)警；當(dāng)U_alarm1＞U＞U_alarm2時(shí)，聲光報(bào)警發(fā)出10 Hz報(bào)警；當(dāng)U_alarm2＞U＞U_alarm3時(shí)，聲光報(bào)警發(fā)出5 Hz報(bào)警；當(dāng)U＜U_alarm3-U0時(shí)，裝置取消聲光報(bào)警，以此實(shí)現(xiàn)高壓驗(yàn)電功能。

圖3 驗(yàn)電裝置主機(jī)控制器驗(yàn)電判斷算法流程

3 高壓直流驗(yàn)電裝置驗(yàn)電從機(jī)設(shè)計(jì)

高壓直流驗(yàn)電裝置驗(yàn)電從機(jī)主要負(fù)責(zé)與主機(jī)通信，根據(jù)通信內(nèi)容及時(shí)發(fā)出帶電狀態(tài)報(bào)警提示，將驗(yàn)電數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，驗(yàn)電從機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示，由控制電路、ZigBee無線通信模塊、顯示模塊、GPRS無線通信模塊以及聲光報(bào)警模塊組成。ZigBee無線通信模塊負(fù)責(zé)與主機(jī)通信；顯示模塊用于顯示驗(yàn)電狀態(tài)及驗(yàn)電裝置狀態(tài)信息（正常、故障）；聲光報(bào)警模塊可以通過聲光報(bào)警器及時(shí)表征驗(yàn)電狀態(tài)；GPRS無線模塊實(shí)現(xiàn)從機(jī)與上位機(jī)之間的通信，各模塊通過控制電路進(jìn)行連接。

圖4 高壓直流驗(yàn)電裝置驗(yàn)電從機(jī)結(jié)構(gòu)

4 高壓直流驗(yàn)電裝置通信模塊設(shè)計(jì)

目前，廣泛應(yīng)用的驗(yàn)電裝置一般由絕緣操作棒以及驗(yàn)電裝置的本體部分組成，當(dāng)驗(yàn)電裝置工作時(shí)，驗(yàn)電裝置的本體部分即可根據(jù)測(cè)量結(jié)果發(fā)出是否帶電的聲光報(bào)警提示。但是，驗(yàn)電裝置現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境多變，可能有相對(duì)較高的噪音或強(qiáng)光。當(dāng)驗(yàn)電裝置在高處或者距離較遠(yuǎn)時(shí)，驗(yàn)電裝置主體發(fā)出的報(bào)警信號(hào)可能會(huì)受到干擾，從而令識(shí)別報(bào)警產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)測(cè)試產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷。因此，保持驗(yàn)電裝置主機(jī)與從機(jī)之間的實(shí)時(shí)雙向通信就顯得尤為重要。

本裝置采用ZigBee無線通信實(shí)現(xiàn)驗(yàn)電主機(jī)與驗(yàn)電從機(jī)的通信，裝置通信結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 高壓直流驗(yàn)電裝置無線通信結(jié)構(gòu)

5 結(jié) 論

為解決現(xiàn)有的直流驗(yàn)電裝置存在的驗(yàn)電器聲光檢測(cè)不易觀察判斷導(dǎo)致存在誤判可能、適應(yīng)惡劣天氣能力不佳以及傳感器測(cè)量存在零漂等問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于電極振動(dòng)式電容傳感器的高壓直流驗(yàn)電裝置，驗(yàn)電裝置驗(yàn)電時(shí)，驗(yàn)電頭和被測(cè)量的帶電物體保持一定的安全距離。裝置驗(yàn)電器主機(jī)上的電極式振動(dòng)電容傳感器輸出交流電壓信號(hào)，通過信號(hào)處理變換電路計(jì)算得到有效的測(cè)量值。當(dāng)主控系統(tǒng)判斷有高壓存在時(shí)，控制聲控報(bào)警原件發(fā)出帶有電壓的報(bào)警信號(hào)。同時(shí)，通過近場(chǎng)通信模塊把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給驗(yàn)電從機(jī)，驗(yàn)電從機(jī)則同時(shí)可以得到聲音及光電報(bào)警的提示，并將測(cè)得的電壓值進(jìn)行可視化顯示。本裝置不僅可以判斷是否帶電，還能夠量化其大小，判斷被測(cè)設(shè)備是否帶電，同時(shí)還可以得到被測(cè)試高壓帶電設(shè)備的具體電壓等級(jí)，從而使測(cè)試人員得到的測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確。采用非接觸式驗(yàn)電，有效防止運(yùn)檢人員誤操作引起的觸電危險(xiǎn)，保護(hù)驗(yàn)電系統(tǒng)和操作人員的安全。

他將節(jié)足拿至眼前，望了望整齊平滑的切口，心中既痛且惱，道：“天葬刀，果然名不虛傳！小生今天，倒要好好討教一二！”言罷，身軀猛地彈起，節(jié)足大展，朝著天葬師撲下。