電力系統暫態過電壓測量技術綜述

穆舟， 江波， 趙偉， 謝施君

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院, 成都 610000； 2.清華大學 電機工程與應用電子技術系, 北京 100084)

0 引 言

自從19世紀電力系統誕生以來，電壓就成為了反映電力系統運行狀態的一個重要基礎參量，伴隨其誕生的，便是測量電壓的技術手段。基于變壓器的原理，第一臺電磁式電壓互感器誕生于1879年，用于測量電力系統工頻電壓[1]。我國第一臺電磁式電壓互感器由沈陽變壓器廠仿制蘇聯技術，于1958年試制成功，自此，開始了電磁式互感器國產化歷程[2]。至今，電磁式互感器依然是電力系統中唯一規模化投用的電壓監測手段。基于電磁式電壓互感器的電壓測量技術，具有技術成熟、可靠性高等優勢，但其只能準確測量工頻電壓，而若測量更高頻或更低頻電壓，均會出現明顯誤差。隨著電力系統電壓等級不斷提高，為降低電磁式電壓互感器絕緣強度要求，以及避免電磁式電壓互感器與電網之間可能出現諧振，電容式電壓互感器應運而生。截至目前，電容式電壓互感器主要用于測量電力系統中的工頻電壓[3]。

進入20世紀，暫態過電壓的危害逐漸引起重視。受雷擊、操作、諧振、電磁感應等因素影響，均可能引發電力系統內出現暫態過電壓，且其會在一定范圍內傳播，引發電力設備絕緣失效，甚至擊穿損壞電氣設備。傳統電力系統未配置暫態過電壓監測系統，為應對可能的過電壓危害，根據IEC 60060，電氣設備的絕緣強度必須通過1.2/50 μs 和250/2500 μs 雙指數標準波形的沖擊耐壓實驗[4]。傳統的針對暫態過電壓的電力系統保護，主要依賴于變電站的閥型避雷器或浪涌保護器，合理的接地設計，各個斷路器，以及輸電走廊中裝設的雷電屏蔽線等[5-7]。

隨著電力系統的發展，電壓等級逐漸升高，供電系統結構越發復雜，加之更多電力電子設備接入，現行的針對暫態過電壓的防護日顯不足，暫態過電壓已逐漸成為制約電力系統可靠運行的重要因素。為保證電力設備絕緣擁有合理裕度，以及為電力系統加裝更充分、有效的保護措施，對暫態過電壓的準確測量成為關鍵和必須。20世紀初，分壓器已經用于對沖擊電壓的測量；電阻或電容分壓器是初期最常采用的分壓手段，由于其具有良好的響應特性，至今仍普遍在實驗室條件下用于測量沖擊電壓，并且常作為測量高電壓的標準裝置[8-10]。為克服純電阻分壓器和純電容分壓器的雜散參數和振蕩等易出現的現象，又研發出了阻容式分壓器，而且，基于阻容元件構建的更多種復合式分壓器也相繼出現[11]。隨后，基于電容分壓原理，可用于多種場合暫態過電壓測量的技術小規模用于現場，其中包括變電站調試階段采用的基于套管末屏的分壓技術；用于測量開關開合時產生的高頻電壓的GIS傳感器技術；以及可用于常規暫態過電壓監測的非接觸式電場傳感器技術，等[12-14]。得益于20世紀70年代光學測量技術的發展，利用光學式電壓傳感器測量高電壓的技術得以產生，并且突破了傳統電工測量技術的頻率限制，可在很寬頻率帶寬內獲得很好的頻帶性能[15]。

按照與高電壓帶電體是否有物理接觸分類，表1列出了現有的電壓測量技術。

表1 電壓測量技術Tab.1 High-voltage measurement techniques

文章擬全面梳理截至目前已有的實驗室用和適用于現場的暫態過電壓測量技術及其實現手段，并具體闡述其工作原理、性能特征以及適用場景等。

1 暫態過電壓測量系統

一套完整的暫態電壓測量系統可分為三部分：傳感器單元、信號傳輸單元和信號采集及處理單元，其原理構成見圖1[16]。

圖1 高電壓測量技術原理架構Fig.1 Schematic diagram of a high-voltagemeasurement technique

圖1中，傳感器單元將高電壓按固定比例降低至可測量的電壓等級，而它往往是決定高電壓測量系統性能最關鍵的部分，也是暫態過電壓測量技術研究的重點[17]。傳統的電壓傳感方式基于電工原理，通過電阻或電容分壓，將高電壓成比例地降低為低電壓信號。而非電工原理的電壓傳感技術，則主要是基于光學原理的電壓測量技術，具體是通過對敞開式高壓線路周圍空間中的電場進行測量，來反映帶電體上的高電壓。

高電壓測量系統中的信號傳輸單元，負責將傳感器單元輸出的低電壓信號傳輸至遠端的信號采集及處理單元。低電壓信號傳輸過程中，難以避免出現反射和衰減，因此，信號傳輸單元的相關性能也對整個測量系統的性能有影響。傳統的電壓信號傳輸方式，是采用同軸電纜作為傳輸媒介。同軸電纜自身對高頻電壓信號會有衰減作用；同時，高頻電壓信號在傳輸單元發生的反射，會造成原信號損失。因此，在同軸傳輸電纜的首、末端，均應配置阻抗匹配模塊[18]。對高頻電壓信號的傳輸，現在也大量使用光纖。由于光纖對所傳輸信號的高保真性好，故多被采用在低電壓信號的長距離傳輸上。根據需求，信號傳輸單元應該既可傳輸模擬信號，也能傳輸數字信號。

高電壓測量系統中的信號采集及處理單元，是一個多功能綜合體，具體包含有暫態過電壓測量的觸發、采樣、信號儲存、時間同步等功能；其信號處理部分，一般包含有去噪、過濾、偏置消除、波形參數提取等功能。在一些已有高電壓測量系統中，信號采集與處理單元還配備有波形恢復算法，用以補償傳感器性能的不足。高電壓測量系統的信號采集及處理單元設備，其帶寬和采樣頻率都必須要足夠高，以避免反映被測高電壓的低電壓信號發生畸變[19]。

2 暫態過電壓測量技術

2.1 標準測量設備

目前，用于表征暫態過電壓波形的，僅有標準雷電波和標準操作過電壓波形，且它們已形成相應標準。根據IEC 60060-2以及與之等同的國家標準，為實現對沖擊電壓測量的量值傳遞，用于測量標準雷電波或標準操作過電壓波形的標準器，要滿足幅值測量不確定度小于1%、時間參數測量不確定度小于3%的要求[20]。沖擊電壓的標準測量設備，主要有電容分壓器和電阻分壓器兩種類型。

(1)電容分壓器。如圖2所示，電容分壓器利用串聯的高壓臂與低壓臂電容來實現對高電壓的分壓[21]。

圖2 電容分壓原理Fig.2 Principles of the capacitive voltage divider

根據電路原理，圖2所示電容分壓器的輸出電壓U2，可由式(1)表示，即：

(1)

但電容分壓器的性能，會受到雜散參數的影響，雜散參數具體包括電容器自身的寄生電感和對地電容，以及分壓器入口處高壓引線的寄生電感等。在這些雜散參數共同作用下，電容分壓器的響應往往存在明顯的振蕩現象。

電容分壓器多用于實驗室中做沖擊電壓測量的實驗場合。電容分壓器的輸入電阻很大，對高壓電源的帶載能力要求低，可用于大負載阻抗的高電壓測量場合。同時，電容分壓器受自身雜散電容影響較小。不過，電容分壓器易出現振蕩現象，對制造工藝與設計有較高要求，因此，用于快脈沖暫態波形測量的電容器常配合阻尼電阻使用，且在選材上，多采用高頻下專用的低雜散參數電容器元件，并要保證其電容量等主參數對電壓等級和溫度變化均不敏感[22]。

早期的電容分壓器，多采用串聯式電容單元組成，其上臂、下臂都有獨立的外殼做屏蔽。而現今的電容分壓器內部，電容元件多采用疊裝形式，并從疊裝結構中合適的節點處引出輸出端。20世紀70年代，德國人提出的集中元件式300 kV電容分壓器，是采用單個壓縮氣體電容器做高壓臂電容，該分壓器的響應時間可做到低于50 ns。同軸型電容分壓器于20世紀60年代由斯坦福大學提出，他們試驗測試展現出其具有優良的溫度穩定性和較強的抗干擾性，也不易受雜散電容參數影響；多用于納秒級沖擊電壓測量，也可用于沖擊電壓標準器的研制[23-26]。

(2)電阻分壓器。電阻分壓器利用串聯的高壓臂和低壓臂電阻器實現對高電壓的分壓。相比于電容分壓器，電阻分壓器對振蕩有較強阻尼作用，且有更快的響應速度，常被用來作為測量沖擊電壓用的標準器。

電阻分壓器的性能，明顯會受到雜散參數影響。與電容分壓器類似，電阻分壓器的性能主要受制于線路寄生電感和對地分布電容的干擾。文獻[27]給出了分別計及線路寄生電感和對地電容時，電阻分壓器輸出電壓的誤差，如式(2)和式(3)所示：

(2)

(3)

由上式可見，過大的寄生電感和對地電容，都會增大式(2)、式(3)等號右側括號中第二項的誤差，造成分壓誤差。將雜散電感和雜散電容量值控制在合理范圍內，對電阻分壓器能否實現準確分壓性能格外重要。對一臺具有穩定和良好性能的電阻分壓器，其電阻元件必須具有無感或低感特性，并且要有良好的溫度穩定性；同時，為抑制對地電容影響，電阻分壓器往往還要配備良好的屏蔽結構和均壓環[28]。另一方面，電阻分壓器由于發熱效應明顯，測量過高電壓時，會產生明顯誤差。電阻分壓器有一定的輸入阻抗，需要有特定負載要求的高壓電源與之配合使用。綜合考慮電阻分壓器的響應時間與振蕩問題，用于測量沖擊電壓的電阻分壓器的電阻值，一般選在2 kΩ～20 kΩ之間[29]。

制造標準電阻分壓器的電阻元件，一般采用具有高電阻率和高穩定溫度性能的卡瑪絲，并采用特殊方式繞制，以形成低感電阻單元[30-34]。通過國際比對，采用上述技術手段制成的標準電阻分壓器，其測量不確定度可做到小于1%。

金屬膜電阻本身具有較小寄生電感，同時還具有天然的抗集膚效應能力，對提高電阻分壓的準確度有本征優勢，故常被用于制造電阻分壓器。將金屬膜電阻封裝在同軸屏蔽腔體內，能夠獲得響應時間小于1 ns的電阻分壓器[35]。

制作電阻分壓器的電阻器，還可以采用無機鹽溶液作材料，制成所謂“水電阻”。這種溶液的電阻，由于具有本征的低雜散電感特性，適用于實驗室環境下構建水電阻分壓器，以測量高電壓等級的快速脈沖電壓。

由于溶液電阻對溫度極為敏感，因此水電阻分壓器需要配備良好的散熱裝置[36-37]。

2.2 阻容分壓器

以電阻器和電容器的組合制作分壓器，不僅可有效阻尼分壓器的振蕩效應，還可以減少雜散電容對高電壓測量的影響，因此，阻容分壓器獲得了大量應用。電阻器和電容器可以串聯或并聯，進而可分別形成阻容串聯式分壓器或阻容并聯式分壓器。

(1)阻容串聯式分壓器。阻容串聯式分壓器具有高阻抗負載特性，可用于測量高至UHV電壓等級的快速暫態過電壓。阻容串聯式分壓器的基本電路結構如圖3所示[38]。

圖3 阻容串聯式分壓器結構Fig.3 Structure diagram of the series-connectedcapacitive-resistive voltage divider

圖3中，R1和R2分別是高低壓臂上串接的電阻，C1和C2分別是高低壓臂上串接的電容，R是匹配電阻。

只計及分壓器本體，分壓比可表示為：

(4)

根據式(4)，阻容串聯式分壓器的分壓比可分為高頻分壓比和低頻分壓比。高頻條件下，式(4)可簡化為：

(5)

而在低頻下，式(4)則可簡化為：

(6)

良好的阻容串聯式分壓器，要求其高頻分壓比與低頻分壓比應相等，如此，可致使該分壓器從低頻到高頻都能保持穩定的分壓比，并且還保持有低振蕩的優勢。

對阻容串聯式分壓器，Zaegnl提出了一種最優參數設計原則[39]。在其設計方案中，要在分壓器高壓輸入端串接一個較大阻值的阻尼電阻Rd，用以阻尼高壓引線造成的振蕩。而高壓臂的每個電阻電容串聯單元中的電阻值R1，由式(7)計算獲得，即：

(7)

式中L1為高壓臂的寄生電感值；Ce為分壓器的對地電容值。研究結果表明，對額定電壓高于1 MV的阻容串聯式分壓器而言，R1的取值應在400 Ω～1200 Ω之間。

相對于采用串接阻尼電阻Rd去阻尼高壓引線造成的振蕩，Feser又提出了一種以降低電阻值的方式，來使分壓器阻抗與引線阻抗相匹配，以抑制振蕩的方式。研究發現，如此制成的阻容串聯式分壓器更適合于測量高頻高電壓，且還能減小分壓器的時間常數[40]。Feser提出的設計模型，也稱低阻尼阻容串聯式分壓器，其原理電路如圖4所示。

圖4 低阻尼阻容串聯式分壓器的原理結構Fig.4 Structure diagram of the series-connectedlow-damped voltage divider

串接阻尼電阻的最優參數設計，使阻容串聯式分壓器適用于負荷電容較大情況下標準沖擊電壓的測量。低阻尼分壓器可用作負荷電容，其也適用于所有試驗電壓波形的測量，特別是對具有高頻成分的沖擊截波電壓的測量[41]。

(2)阻容并聯式分壓器。如圖5所示，在電阻分壓器基本結構基礎上，為每個電阻并聯一個電容，即得到阻容并聯式分壓器。給每個電阻并聯電容，可減小雜散電容對測量的影響，也可平均電阻上的電壓分布，有助于提高測量準確性[42]。因此，設計良好的阻容并聯式分壓器，擁有良好的幅頻特性和線性度，可用于測量從直流到很寬頻率范圍內的電壓波形。與串聯式阻容分壓器的設計相反，并聯式阻容分壓器在低頻時，明顯呈阻性分壓比；而高頻時，則呈容性分壓比。

圖5 阻容并聯式分壓器結構Fig.5 Structure diagram of parallel-connectedcapacitive-resistive voltage divider

為保證具有良好的響應特性，并聯式阻容分壓器中每個單元電容器的電容量，應至少是對地電容量的三倍。因此，阻容并聯式分壓器的電容量往往較大。在現場應用時，阻容并聯式分壓器多用于高壓直流系統的電壓測量。

(3)通用型阻容復合式分壓器。在對暫態過電壓實施的實際測量中，也有人采用一些復合式阻容分壓器。如上文所述，阻容并聯式分壓器常用于對直流高電壓的測量。但隨著直流電力系統的發展，各種暫態電壓實驗會加載在直流電力系統上，這就要求分壓器至少應從直流到雷電波之間都擁有良好、穩定的測量性能。而阻容分壓器的電阻分壓比與電容分壓比難以做到高度吻合，影響分壓器測量寬頻高電壓的準確度。針對于此，文獻[43]提出了一種如圖6所示的通用型分壓器構建方案。可見，該分壓器由兩條支路并聯而成，一條是純電阻支路，另一條則是阻容串聯式支路；Cg表征每個高壓臂電阻和電容單元的對地雜散電容。

對圖6所示的這種分壓器，試驗表明，通過良好的參數選擇，并采用給電阻加裝屏蔽的設計，在直流到標準雷電波的頻帶范圍內，可使其刻度因數的波動被控制在1%以內，能表現出良好寬頻效應[44]。

圖6 通用型分壓器原理結構Fig.6 Structure diagram of universal voltage divider

2.3 套管末屏技術

如圖7所示，高壓電氣設備的套管絕緣系統，多采用多層電容芯子設計，以均勻絕緣系統內的場強。如果將最外層的電容屏(末屏)懸空，將高壓線與末屏之間的電容作為高壓電容，利用末屏的外接口，外接一個定值電容做低壓電容，則可形成一個電容分壓器。

圖7 套管末屏電壓測量系統Fig.7 Bushing tap high-voltage measurement system

理想情況下，該分壓器的分壓比如式(8)所示，即:

(8)

式中CH為電容末屏與套管中央高壓導桿之間形成的電容值，該電容值在常見套管上一般處于200 pF～800 pF量值范圍[45]；CL為外接電容的電容值，作為電容分壓器的低壓臂，其常見的設計如圖8所示。即：外接電容多采用多電容同軸圓柱并聯的結構設計，旨在抑制寄生電感影響；而保護單元旨在在幅值過高的暫態電壓侵入低壓臂時，使末屏接地，保護外接電路[46]。

圖8 多電容同軸圓柱并聯結構的外接電容設計Fig.8 Schematic diagram of external coaxial connected capacitances

基于套管末屏形成的電容分壓結構，依然受制于雜散參數的影響。除了對地雜散電容和寄生電感以外，另一主要雜散參數是電容屏絕緣系統自身的電阻。該測量系統也可等效為一個結構復雜的阻容分壓器，見圖9[47]。

圖9 基于套管末屏的分壓器等效電路Fig.9 Equivalent circuit of bushing tap based voltage divider

基于套管末屏的暫態過電壓測量系統的頻率上限，一般只能達到MHz數量級，可用于電力系統操作過電壓、雷電過電壓等暫態過電壓的測量。但基于安全考慮，套管末屏技術通常僅在調試變電站設備階段使用，而長期工況下，相關高壓電氣設備的外絕緣末屏是接地的，不適用于暫態過電壓測量。

2.4 GIS傳感器

GIS作為電力系統中承擔高電壓等級母線快速開斷的設備，在其開合瞬間，往往會形成明顯的暫態過電壓現象，尤其是特快速的暫態過電壓(VFTO， Very Fast Transient Overvoltages)[48]。為測量該類暫態過電壓，基于GIS結構，有微分積分法和電容分壓器法兩種測量方式。

微分積分法是20世紀90年代出現于GIS電壓測量應用上的，其原理如圖10所示[49]。

圖10 基于微積分法的GIS電壓測量原理Fig.10 Schematic diagram of GIS measurement system based on caculus

高電壓信號先經微分電路后，再由積分電路恢復其原始波形。一般而言，GIS的高壓母線與盆式絕緣子內環形電極之間形成微分電容，其與后端電路中的微分電阻Rd共同構成微分電路。積分電路則由一個積分電阻Ri與積分電容Ci構成，也可采用有源或無源混合積分器。如果積分環節的時間常數為Ti，則該測量系統的穩態分壓比為：

(9)

式中Cd為微分電容。

微分積分法受雜散參數影響較大。微分環節易受對地雜散電容的影響，會增長系統響應時間。針對于此，一般會在環形測量電極外設置屏蔽電極。而積分環節易受元器件自身寄生電容與電感的影響，從而可能造成嚴重的過沖或振蕩。因此，積分環節電路應采用特制的高頻專用元器件。

微分積分法毋須對原GIS進行改造，并且高頻響應良好，加之經過良好設計，可用于測量VFTO[50]。但該方法的低頻響應較差，且分壓比一般較大，不適用于測量幅值過低的暫態過電壓[51]。

而GIS中測量暫態過電壓更常用的，是電容分壓法。如圖11所示，在GIS內部設置一個感應電極，GIS腔體中央的高壓傳輸線與感應電極之間的空間電容作為高壓臂電容，利用GIS腔體上的窗口再構造或外接低壓臂電容，也可形成一個電容分壓器。

圖11 基于GIS的電容分壓器原理示意圖Fig.11 Schematic diagram of GIS measurement system based capacitive dividing

圖12是表征GIS傳感器特性的等效電路。該等效電路中包含有傳輸單元和數據采集單元的等效電路部分，同時，還充分考慮了會對GIS傳感器性能造成明顯影響的高壓臂、低壓臂的寄生電感。

圖12 基于電容分壓的GIS傳感器等效電路Fig.12 Equivalent circuit of GIS measurement system based capacitive dividing

為保證GIS傳感器的寬頻響應特性，基于對圖12所示電路模型傳遞特性的分析可知，提升高頻截止頻率的關鍵在于要減小寄生電感L1；而降低低頻截止頻率的關鍵，則應增大低壓臂電容C2的電容值。

根據感應電極的安裝方式，基于電容分壓法的GIS暫態過電壓測量技術可分為兩種。第一種相應形成的測量方法，被稱為環形電容探頭分壓法，如圖13所示，其測量電極是環狀的，并嵌入在GIS的盆式絕緣子內。對于電壓等級較低的GIS，測量電極一般采用雙層環形結構，用聚合物薄膜做絕緣，其中，內層測量電極與高壓導桿之間形成高壓臂電容，而雙層測量電極之間形成的電容則為低壓臂電容。而對于高壓GIS，由于GIS盆式絕緣子在結構上與低壓GIS存在差異，一般內側測量電極嵌入在環氧樹脂內，而由法蘭盤作為外側的測量電極。該設計的優點在于，其內嵌的環形電容方便使用，毋須改造；但由于其電極尺寸較大，波的傳播易發生振蕩。

圖13 環狀感應電極式GIS傳感器Fig.13 Schematic diagram of ring-type GIS measurement system

而第二種相應形成的常用測量方法，被稱為錐形電容探頭分壓器法，如圖14所示。其中，一個截面為錐形的電極被安裝在GIS腔體的手窗內，與腔體通過絕緣膜材料隔開[52]。高壓傳輸線與圓盤電極之間的空間電容作為高壓臂電容，圓盤電極與腔體外殼之間的電容作為低壓臂電容。該錐形探頭采用同軸設計，雜散電感低，但必須對GIS腔體進行改造。

圖14 錐形電容探頭分壓器法的原理結構示意Fig.14 Schematic diagram of cone-type GIS measurement system

由于GIS窗口的空間有限，信號采集單元往往要被設置在數十米之外，并利用長同軸電纜相連。而過長的電纜，會帶來過大的等效電容效應，從而影響測量性能；且信號讀取設備的入口電容，也會影響寬頻信號的傳輸[53]。因此，一方面，電纜多選用高頻電纜，并盡可能減小長度；另一方面，在信號采集單元入口要增加補償措施，一般加裝二次分壓器。

為進一步降低GIS傳感器的低頻限制，日本OKABE研究團隊對第二分壓器進行了優化設計[54]，具體用阻容分壓器后接緩沖器作為整體構成的二次分壓器。利用該設計，他們使基于GIS傳感器構成的測量系統的低頻限制可降低至5 Hz。

文獻[55]指出，在分壓器輸出與電纜之間設置一個緩沖器放大器，完全可能將低頻限制降至1 Hz及以下。文獻[56]介紹了一款在GIS傳感器后配置一個輸入阻抗高達0.04 TΩ的阻抗轉換器，其作用是可將低頻限制降至0.003 Hz。

另一種可降低測量高電壓低頻限制的方法，是增大低壓臂電容器的電容量值。如上文所述，低壓臂電容多由測量電極與腔體之間的雜散電容共同構成。而通過增大測量電極面積、減小絕緣層厚度以及使用高介電常數的絕緣材料，均可增大測量電極與腔體之間的雜散電容值，從而降低分壓器的頻帶下限。

限制高電壓測量系統高頻性能的主要因素，是線路中存在寄生電感。采用錐形探頭設計可有效減少寄生電感值，文獻[57]提出了一種如圖15所示的錐形探頭設計原則。

圖15 基于錐形電容探頭的低電感GIS傳感器低壓臂設計Fig.15 Design of low voltage arm of low inductance GIS sensor cone-type capacitance probe

該設計可為信號通路提供連續的波阻抗，進一步提高錐形探頭的測量性能；該設計應遵循式(10)，即：

(10)

基于該設計，H.Murase研制出一種GIS 電壓測量系統，其方波響應波頭時間達到了350 ps， 頻率上限拓寬到了1 GHz。

2.5 基于空間電場效應的高電壓測量技術

文獻[58]中提出一種如圖16所示的高電壓測量技術。它將定值電容封裝在一個橢圓球形的金屬殼內，而金屬殼(也稱為高壓探頭)與大地之間的雜散電容與定值電容形成了一個電容分壓結構。由于對地雜散電容一般小于10 pF，高壓探頭對大地依然是高電位，因此，將利用光纖，并將其封裝在高壓探頭內，來獲取并傳輸高電壓信號。

圖16 基于空間電場效應的測量技術原理圖Fig.16 Schematic diagram of measurement system based on space electric field effect

由于直接利用空氣絕緣，該測量技術對絕緣要求較低，且具有僅通過直接掛接就實現安裝的優勢。不過，如此形成的電容分壓器中，對地的雜散電容易受環境影響，一定程度上會影響測量準確度。

2.6 基于電工原理的非接觸式電場傳感技術

對于開放式的高壓導體，其高電壓會在周圍空間產生電場。如果高壓線周圍受到空間尺寸遠小于高壓線上暫態過電壓等效波長的電場的影響，則其滿足靜電場效應原則，即：如此條件下，其周圍空間的電場強度與高壓線上高電壓之間的關系如式(11)所示：

E0(t)=k0U0(t)

(11)

因此，對開放式高壓傳輸線周圍空間的電場進行測量，也可獲得高壓線上高電壓的相應信息。電場傳感器的原理結構及接線如圖17所示，即：電場作用下，感應電極板上會感應出電動勢，兩電極之間可接電阻或形成容性連接，從而將空間電場轉換為感應電極上可測量的電壓信號[59]。

圖17 電場傳感器示意圖Fig.17 Schematic diagram of electric field sensor

圖17中的采樣電路單元具有高輸入阻抗，采用它，旨在改善傳感單元的低頻響應特性。典型的采樣電路如圖18所示。其中，Cs為兩塊測量電極構成的電容，C2為采樣電容，R1為用于抑制電路可能發生振蕩的阻尼電阻；Ria為放大器的輸入阻抗；Rf為放大器反饋電路的阻抗。一般而言，放大器輸入阻抗很高、輸出阻抗很小，既可以實現良好的低頻響應，又能滿足傳輸線路阻抗匹配的要求。

圖18 電場傳感器采樣電路Fig.18 Sampling circuit of electric field sensor

典型的電場傳感器采用平板設計，也可是球形的，其帶寬可覆蓋幾赫茲～數MHz頻率范圍[60]。

基于微機電系統(MEMS)技術，也可實現對電力系統電場的測量，常用的設計原理如圖19所示。圖19中，上方屏蔽電極會在機械裝置下做機械式往復式水平位移，如此，感應電極上會感應出相應變化的電壓信號，經連接測量電路便可進行測量。

圖19 MEMS電場傳感器原理圖Fig.19 Schematic diagram of MEMS electric field sensor

基于MEMS技術制成的高電壓測量傳感器，具有靈敏度高、成本低的優勢。不過，傳感器的尺寸目前還較大，且易畸變被測電場，即不適于測量狹小空間區域的電場。

如果對圖17所示的原理示意圖做進一步拓展，將測量電極與高壓電纜之間的空間電容視作高壓臂電容，并再構建一個低壓臂電容，則可形成一個電容分壓器，如圖20所示。該項技術也稱基于空間雜散電容的分壓器技術。其中，低壓臂電容可由外接的多個電容器并聯所組成，也可以是由中間加有薄絕緣材料的雙層電極構成。測量極板的輸出，也需要加裝采樣電路，以改善該電容分壓器的低頻響應特性。

圖20 空間電容分壓器示意圖Fig.20 Schematic diagram of voltage divider based on space capacitance

該項技術本質上與電容分壓器原理相同，因此其性能也與電容分壓器類似，適用于交流高壓線路或開放式開關動作造成的沖擊電壓的測量。常用的感應電極為平板式，而對感應電極做特殊設計，該電場傳感技術也可用于開放式線路VFTO的測量[61]。

上世紀80年代末，就有人利用微分電容分壓器(D-DOT)技術對電場進行測量。隨后，該技術也用于電力系統的電場測量，以測量線路上的暫態過電壓。該技術原理如圖21所示，傳感器中間為一圓盤電極，周圍環繞一圈絕緣材料，Rm為中央電極與地之間的電阻；電極與電阻之間的電位，即為傳感器的輸出[62]。

圖21 D-DOT電場傳感器原理圖Fig.21 Schematic diagram of D-DOT electric field sensor

該傳感器的輸出電壓與被測電場之間的關系為：

(12)

式中a為高壓導體的半徑；r是傳感器相對于高壓導體的位置矢量；A為感應電極的面積；Ψ(t)為感應電極的電位。由此可見，這種傳感器實質是一個微分電路，因此，需要在其后再接一個積分電路單元，以恢復波形。基于這款傳感器形成的測量系統的等效電路，如圖22所示。

圖22 D-DOT電場傳感器等效電路Fig.22 Equivalent circuit of D-DOT electric field sensor

圖22中，Cm和Cs分別為感應電極對高壓導體和大地的電容；Rx和Cx分別為積分電路的電阻和電容。而實際用于電力系統電壓測量的D-Dot技術，多采用多個電極并聯結構的差分式傳感設計，具體用兩個電極的電位差作輸入電阻為Rm的差動放大器的輸入，形成寬頻帶自積分傳感器，并用PCB板構建多個并聯的雙電極輸入電路，以增強傳感器的性能。

根據電力系統高壓導體電場測量的應用場景，D-DOT傳感器還可分為兩種設計：平板型和套管型。平板型傳感器如其他非接觸式技術一樣，測量時，要放置于測量目標導體的下方。而對于有套管的高壓導體，可采用套管型傳感器，即傳感PCB板中心具有通心圓孔，可嵌套在套管上，當然，該傳感器對于絕緣有著更高的要求。

上述電場傳感器對工頻電壓激勵、標準雷電波激勵和標準操作過電壓波形激勵等，均能展現出良好的頻響特性。其中，利用MEMS技術、通過多組正負極性傳感器并聯的設計，能實現上百兆的帶寬，完全滿足線路VFTO的測量需求[63]。

非接觸式電場傳感器技術，是利用電工原理對空間電場進行測量，實現了傳感器與高壓部件的分離，因此安全性好，安裝與調試方便，不需要斷開高壓線路，且成本較低。但是，非接觸式電場傳感器在測量目標為開放式的導電體情況下，存在不可避免的相間耦合影響問題[64]。如圖23所示，以A相電場傳感器為例，其測量的電場是A、B、C三相電壓共同形成的，是如式(13)所示的空間復合電場。

圖23 三相高壓傳輸線相間耦合示意圖Fig.23 Schematic diagram of phase coupling of three-phase high voltage transmission line

EA-z=EaA-z+EbA-z+EcA-z

(13)

對于三個電場傳感器，則有：

(14)

式(14)展示了非接觸電場傳感器的耦合問題，其中K為耦合系數。為了給單個傳感器解耦，獲取各個單相真實的電壓波形，必須獲取9個耦合系數。

獲取耦合系數矩陣的最理想方式，是將三相線路停電后，給其中的一個單相施加電壓激勵，則可獲得耦合矩陣中一列的數據；三相分別如此施加激勵，便可獲取完整的耦合系數矩陣。但是，在變電站鮮有三相停電的機會，鑒于此，相關研究人員提出了適用于500 kV及其以上電壓等級的變電站的非接觸式高電壓測量簡易解耦法，具體基于高壓變電站結構上的對稱性，并直接利用工頻穩態電壓去獲取耦合系數矩陣[65]。

2.7 非接觸式光學傳感器

20世紀70年代，光學材料和相關技術的發展，促進了基于光學材料特性的電場測量技術的產生和不斷進步。利用光學材料對電場具有的敏感性，可實現對空間電場的準確測量。如此，與上節所介紹的原理相仿，可實現對高壓線上高電壓的有效測量。

可用于電場測量的光學原理與方法眾多，而對電力系統電場的測量，常利用Kerrs效應和Pockels效應[66-67]。 Kerr效應體現的是，在介質中，光線折射率與電場強度平方成正比。不過，Kerr效應對電場的靈敏度較低，應用于電力系統，往往去測量絕緣油內的場強。對電力系統高壓線路電壓的測量，最常利用的是Pockels效應，其主要特點之一，是某些晶體的電光相位延遲與激勵電場的強度成正比。目前主要應用的晶體有鈮酸鋰(LN)、硅酸鉍(BSO)和鍺酸鉍(BGO)等[68]。運用于電力系統電場測量的光學傳感器，現在主要采用集成光學傳感器(IOES)技術來制作，由其搭建的測量系統如圖24所示。激光從光源發出后，通過保偏光纖達到傳感器。傳感器利用Pockels光學原理，根據電場強度對光進行相位調制，經干涉，再轉換成光強度信號，后經輸出光纖傳輸至光電轉換器轉換成電信號，再加以測量。

圖24 光學電場傳感器測量系統Fig.24 Measurement system of optical electric field

基于光學傳感器搭建的測量系統的傳遞函數，一般可用式(15)表示，即：

Uout=A×[1+b×cos(φo+φ(E)]

(15)

MZI-IOES技術從上世紀90年代發展至今，其原理在于制成的傳感器將入射光分為兩束，分別經過電場的相反調制后，在傳感器末端再耦合，將電場信號轉換成光強信號。MZI技術最初用于射頻電場測量。20世紀90年代，英屬哥倫比亞大學將MZI-IOES技術用于了變壓器套管出線的高電壓測量[69]。清華大學研制的單屏蔽電極MZI-IOES技術，其測量場強范圍高達1200 kV/mm, 可測量納秒級暫態波形，頻帶覆蓋1 MHz～100 MHz的較寬頻率范圍[70]。不過，MZI-IOES技術存在著靜態偏置點不穩定和熱穩定性差等問題。

CI-IOES技術的光傳輸與相位調制，與MZI-IOES技術是相類似的。不過基于CI-IOES技術制作的傳感器中，兩條光路的光學場互相耦合，以此將相位信息轉換為光強度信息。相比于MZI-IOES，CI-IOES有著天然的光學偏置特性，但其傳遞函數過于復雜。為用于電力系統的電場測量，文獻[71]將光的輸出端配置一個2×2的定向耦合器。該技術擁具有簡單的傳遞函數和穩定的靜態偏置，在實驗室內，其對雷電沖擊暫態過電壓展現出了良好的測量準確度。不過，該技術目前依然存在熱穩定性較差問題。

CPI-IOES技術利用鈦擴散晶體的特性，將入射光源分成TE或TM兩個模式的光。如圖25所示，兩束光在外電場下受到不同的相位調制，入射的線偏振光變為輸出的橢圓偏振光，其相位差與電場強度成正比關系。因此，可通過對兩束光相位差的測量來獲得電場強度值[72]。雖然CPI-IOES的靈敏度低于MZI-IOES，但由于其具有偏置點穩定和溫度穩定等優點，可用于測量變電站暫態過電壓的潛力備受關注。例如，清華大學根據該原理研制的適用于變電站暫態過電壓監測的基于鈦擴散的LiNbO3晶體光學式傳感器，其方波響應時間已做到低至4 ns，而且其在工頻、標準雷電波和納秒電壓波形的測量上都展現出了良好的頻率響應特性，上限截止頻率甚至可達到6.2 GHz, 并且同時還展現出良好的溫濕度穩定性[73]。重慶大學利用雙晶體結構提高光學傳感器的溫度穩定性，具體通過串聯兩塊光軸反向的LiNbO3晶體，使自然雙折射在兩塊晶體中產生的相位差互補，從而實現了消除受溫度影響的目的。他們的研究表明，該技術在-10 °C～60 °C溫度范圍內的相對誤差不超過5%[74]。

圖25 CPI-IOES傳感器原理Fig.25 Principles of CPI-IOES sensor

該技術除擁有非常優異的測量性能外，還與電場傳感器一樣，由于實現的使非接觸式測量，故其還擁有很高的安全性和使用靈活性。但非接觸式測量方式所帶來的耦合問題，同樣存在于該技術當中，因此在現場運用時，必須配合采用合適、有效的解耦方法和技術手段。

3 評論

對高電壓測量系統的評定，目前僅有工頻、操作過電壓與雷電過電壓有標準波形可以比對。而針對更寬頻電壓測量能力的評估，一般都采用時域的方法。具體而言，對測量系統的頻率上限，可以用過方波相應的上升時間tr，根據式(16)進行計算，即：

(16)

而對頻率下限，則可通過直流響應進行評估，所依據的關系如式(17)所示，即：

(17)

式中τ1為直流激勵下響應波形衰減的時間常數。

上述所梳理、歸納的各種高電壓測量技術，可歸類為接觸式和非接觸式測量技術。其中，接觸式高電壓測量技術，其由實驗室校準獲取的測量性能參數，在移至現場時并不會出現嚴重差異。而非接觸式高電壓測量技術則不然，用做現場應用時，必須還要再進行現場校準。

不同的高電壓測量技術和方法，有著不同的性能特性，并且有不同的適用場景。測量的暫態過電壓可分為SFO(慢波頭過電壓，Slow Front Overvoltages), FFO (快波頭過電壓，Fast Front Overvoltages)和VFTO。其中SFO以操作過電壓為典型代表，而雷電過電壓則是FFO的典型代表。VFTO尚無典型的波形定義，其波形重要特征在于其波頭時間小于100 ns。測量的對象主要分為具有封閉結構的GIS和開放式結構的AIS、傳輸線等。其中，目前分壓器技術和套管末屏技術的設計性能主要是針對SFO和FFO的準確測量。GIS的微積分與電容分壓傳感器經過良好設計，在GIS內可獲得良好的寬頻效應，其測量帶寬可覆蓋SFO到VFTO。而基于空間電場效應的高電壓測量技術以及基于電工原理的非接觸式測量技術的研發設計測量帶寬主要覆蓋SFO和FFO，受制于其原理的局限性，它們目前尚不能測量具有金屬封閉結構的GIS等設備。而非接觸的光學傳感器由于其優異的性能，可用于開放式高壓設備的SFO、FFO和VFTO測量。目前也出現了通過將光學傳感器安裝至GIS腔體結構上，實現對GIS母線暫態過電壓測量的技術。

4 結束語

目前在電力系統中，仍普遍裝設電磁式或電容器式電壓互感器，以用于對工頻電壓的監測。電阻分壓器和電容分壓器多作為實驗室中測量沖擊電壓的標準器。GIS手窗式技術，僅在近年新生產的GIS設備上才有安裝。套管末屏技術，出于安全考慮，一般只在變電站的調試階段使用。還有一些其他的高電壓測量技術，僅在現場有很小規模的實驗性布置。因此，目前電力系統尚未鋪設和建立規模化的暫態過電壓監測系統，而這正是為確保電力系統的安全可靠運行所迫切需要盡早解決的問題。