非接觸式電壓/電場傳感器研究綜述

柯錕，楊慶，邱震輝，廖偉，周江霖

(重慶大學輸變電裝備技術全國重點實驗室，重慶 400044)

0 引言

我國自2020年提出碳達峰、碳中和的目標以來，國家電網有限公司不斷深化改革，推進能源供給轉型，電力作為清潔能源是實現雙碳目標的重要舉措之一[1]。2023年國家能源局公開發布《新型電力系統發展藍皮書》，明確指出 “新型電力系統以數據為核心驅動，呈現數字與物理系統深度融合特點”。隨著新型電力系統的建設推進，大量新能源、分布式電源接入電網。電力系統“雙高”和“雙峰”特征日益凸顯[2-3]，電網在持續可靠供電和安全穩定運行等方面面臨重大挑戰。在新形勢背景下，新型電力系統發展面臨信息感知能力不足的問題，導致現有調控技術手段無法做到全面可觀和可測，進而難以保障電力系統的安全穩定運行[4]。因此先進傳感技術和提高能源電力環節全息感知能力對于助力構建數字與系統深度融合的新型電力系統具有重要意義。

現有的電壓測量技術可分為接觸式和非接觸式。傳統互感器、分壓器等接觸式測量方式需要直接與帶電體構成電氣連接，這將改變測量系統的拓撲結構且存在安全風險；同時接觸式測量對設備和線路絕緣具有破壞性，對傳感器安裝和維護工作帶來不便。非接觸式測量技術無需侵入導線絕緣層或電力設備內部，不與線路和設備有直接電氣連接，在精準測量電壓的同時還有利于電網安全穩定運行，高度契合即插即用的分布式傳感網絡要求[5-6]。本文介紹不同原理的傳感技術，對耦合電容式電壓傳感[7]，基于電流積分法的電壓傳感[8]、D-dot電場傳感[9]，基于電光效應[10]、壓電效應[11]和靜電力效應[12]等非接觸式電壓測量方法進行整理，總結分析各自的優缺點。目前基于耦合電容式電壓傳感在低壓線路測量領域應用較為成熟，但由于復雜現場環境下雜散電容變化不定且耦合電容難以準確計算，因此存在現場測量精度低、實用性不強的缺陷。基于電流積分法的電壓傳感可用于高壓電網，但測量精度有待進一步提高。基于新型耦合原理的電場傳感器，雖然滿足高精度、小型化等測量要求，但現有基于電場測量反演電壓的技術尚不成熟，同時存在現場應用部署困難及反演誤差較大的問題。

本文對不同傳感原理的非接觸式電壓測量方法進行具體分析，對各自的優缺點進行總結，并對未來電網智能感知的發展方向進行展望，有利于構建安全高效、清潔低碳、柔性靈活和智慧融合的新型電力系統。

1 電壓/電場傳感技術

1.1 耦合電容式電壓傳感器

電容分壓器的結構包含了外部瓷套和內部的若干電容器，其中電容部分起到降低接入母線高壓的作用。電容分壓器輸出端與中間變壓器的一次側相連，向變壓器輸入符合線性測量范圍的低壓，由中間變壓器降壓后輸出適當實測電壓[13]。為消除相位誤差，實現工頻處的低壓容性補償，補償電抗器通常與電容電壓分離器的低壓側相連接[14]。

但是，在高電壓等級下，長時間保持分壓器與輸電線或母線的電氣連接會導致事故風險的增加。在這一基礎上，耦合電容式電壓傳感器的研發實現了對高壓架空輸電線路的過電壓在線監測[15-16]。該設備憑借傳感器和架空導線間的雜散電容與傳感器分壓電容的分壓作用獲取輸電線路的電壓信號。輸電導線上的過電壓信號經過感應金屬板和匹配電阻，輸入同軸電纜，再進入外部的數據采集系統[17]。如圖1所示，傳感器感應金屬板和輸電導線耦合成的電容C1為雜散電容，位于高壓臂，大小與傳感器分壓比有著直接關聯，因而確定雜散電容C1的值是傳感器設計過程中的重要環節。感應金屬板下側的電容C2為定值電容，位于低壓臂。整個傳感器被內置于金屬殼中，以屏蔽非測量相對信號的影響。

圖1 耦合電容式電壓傳感器

由于沒有類似電磁互感器中的鐵芯等非線性材料，耦合電容式傳感器的測量動態范圍較廣，且該類傳感器的絕緣強度較高，可避免和系統間的鐵磁諧振，能額外起到載波通信的作用[18]。電容式傳感器能監測線路過電壓信號，但是要避免傳輸過程中的復雜電磁環境干擾，要實現信號的遠距離傳輸，輸出的過電壓信號仍需經過有源處理[19-20]。

在輸電線路復雜電磁環境下，被測電路的相鄰線路乃至其他距離相對較遠的電路都會對傳感器造成不同程度的耦合影響。相比之下，相距較遠線路的影響程度更小，在解耦算法中可用綜合影響因子代替，實現原有算法的精度優化。其次，基于精密半導體技術，可設計低壓臂薄膜電容器，實現這類傳感器件的小型化與微型化[21-22]。

1.2 基于電流積分法的電壓傳感器

圖2為一種新的電壓測量方法，該方法由電流傳感器、電容器外殼和積分器組成[23]。電流互感器可用于測量高壓電容器的電流，電流值可以反轉以計算一次側電壓的變化。

圖2 電流型電壓傳感原理示意圖

圖2中，U1為高壓母線電壓；C1、C2，…，Cn是高壓電容器；ic是電容器的電流；TA是精密電流傳感器；i2是電流互感器的二次側電流。電流電壓變換電路將電流信號轉換為電壓信號，然后通過差動放大電路將電壓信號放大到適當的值，電壓信號與高壓信號幅值的電壓信號相似，然后相位校正電路由相位校正電路微調，獲得副邊模擬電壓信號。

由于初級側電容器不消耗有功功率，因此該方法可用于高壓電網[24]。高精度小TA用作傳感器元件，即使電流信號很小，精度也符合標準要求[25]。但是，小TA的存在，也會影響變壓器的精度和角度比之間的差異[26-27]。

1.3 D-dot 電場傳感器

D-dot傳感器的電極與測量電阻相連，故感應電荷在測量電阻上產生的輸出電壓正比于測量空間的電場變化率。該傳感器的主要結構可簡化為一階RC電路，對幾赫茲至幾十兆赫茲的電壓信號可以通過調節電路參數實現測量。D-dot傳感器因其高頻瞬態響應能力，被廣泛應用于一些脈沖電力設備的瞬態電壓波形測量中。如圖3所示的簡化模型適用于所有模型結構的D-dot傳感器[28]。

圖3 D-dot探頭的測量原理

當D-dot傳感器與被測導體鄰近時，傳感器的金屬電極表面因為耦合感應產生電荷q[29]。取電極表面附近的一個封閉高斯面，在高斯表面上取一個微量元素dA，E(r，t)是被測點的電場強度，Aeq是傳感器的等效面積。根據高斯定理：

q=∮Aε0E(r，t)dA

(1)

傳感器的測量電阻Rm與被測導體處于公共接地，Rm和電極相連，有感應電荷流過時電阻上會產生電阻壓降Vo(t)。此外，被測導體和傳感器輸出電壓間的線性比例系數被稱為傳感器的等效面積Aeq，受被測電場強度矢量和電極法向分量的夾角及導體形狀的影響。傳感器輸出電壓Vo(t)和被測導體電位φ(t)的關系如下：

(2)

但在實際應用中，傳感器的放置會導致空間電場發生畸變，從而導致運行的穩定性受到影響且被測對象周圍的電場容易受環境的干擾[30-31]。所以將該非接觸式感知方法推廣到電網的測量和保護中去，還需要對電磁屏蔽、抗干擾等技術進一步研究，最終提高測量的準確性[32-34]。

1.4 基于電光效應的電場傳感器

電光效應是指某些透明晶體在外施電場作用下，介質極化強度產生變化，進而造成折射率變化的物理現象。電光電場傳感器通過電光晶體的光學各向異性將輸入的電信號轉化為光信號，經光纖傳輸后再轉換為電信號輸出。該類傳感器的主要原理基礎包括一次電光效應和二次電光效應，兩者對應的電致介質的折射率規律不同[5，35]。其中依據一次電光效應，即Pockels效應，制作的電壓傳感器使用更為廣泛，因為介質折射率的變化正比于外施電場，可以確保傳感器的線性度。基于一次電光效應的電壓傳感器拓撲結構主要分為集成式和體效應式兩類。

1.4.1集成式電壓傳感器

電光集成式電壓傳感器的光波導使用了鈮酸鋰晶體材料，由集成光學工藝制成，起到束縛激光在波導內傳播的作用。在光波導兩側的沉積電極施加電學信號時，波導會出現Pockels電光響應，原理如圖4所示。一般情況下，線偏振光由激光源產生，經偏振光纖傳輸后進入傳感器，在光波導中受到待測電場的相位調制，并攜帶相位信息。通過干涉效應，相位調制的偏振光會轉化為光強度信號。隨后，該信號經過單模光纖傳輸至光探測器，并轉換為反映被測電場強度的電信號[36-37]。傳感器的設計中，半波電場和靜態偏置點是主要參數。傳感器的半波電場決定了測量范圍，即待測電場的幅值范圍決定了傳感器半波電場的設計值。傳感器的靜態偏置點決定了輸入輸出特性的線性程度[38-39]。

圖4 集成式電壓傳感器

集成式電場傳感器的優勢在于體積小、對原電場的干擾程度低、測量頻帶寬、靈敏度高，使之可用于高壓強場的電場測量[37，40]。該傳感器的缺點主要有：1)在寬頻帶、高靈敏度的M-Z干涉傳感技術的應用中，強電場測量不同于射頻電場測量，不適合用外施電壓將靜態工作點調節到線性工作區的方法。集成式電壓傳感器使用無源方法取代了偏置電壓法以調節固有工作點，在實際生產和加工中難以實現固有工作點的精確控制[41]。2)采用金屬電極方案的集成電場傳感器，沉積電極的金屬離子在長時間的使用后可能出現擴散和滲透，進而導致光波導的損耗程度增大或傳感精度降低。3)波導的制作材料鈮酸鋰晶體的折射率和電光系數等光學性質具有溫度特性，需要引入光學溫度補償元件，但由于集成式電場傳感器的結構固定、體積微型化，增加補償元件以降低溫度等環境因素干擾有一定難度。

1.4.2體效應式電壓傳感器

由于Pockels效應，體效應傳感器中的塊狀電光晶體在外施電場作用下會發生雙折射現象，原理如圖5所示。偏振光穿過電光晶體，經電場調制后產生與電場成正比的偏振相位變化，并通過后置光學檢偏元件獲取偏振相位變化量，從而計算得出外施電場信息[42]。根據外加電場方向與通光方向之間的相對關系，可將體效應式電壓/電場傳感器調制方式分為兩類：縱向電光調制與橫向電光調制[5，43]。外加電場與通光方向平行時產生的電光效應稱為縱向電光效應，該調制方式稱為縱向調制；當外施電場方向與通光方向垂直時產生的電光效應則稱為橫向電光效應，該調制方式稱為橫向調制。

圖5 體效應式電壓傳感器

體效應式電場傳感器的優勢在于頻率測量范圍寬、可測電場強度高、光學元件可自由增減等[44]。其不足在于：1)由于傳感器晶體采用空氣作為輸入和輸出端光路的傳媒介質，輸入為經準直器轉換的平行光，在晶體電光效應調制后得到平行光，再經過準直器耦合輸出到光纖。由于該過程易受外部機械振動的干擾，為確保測量結果的穩定性，需要將測試系統固定在光學平臺上。2)電晶體的溫度系數在各方向上不相同，體現出各向異性，因而該傳感器的溫度適應性差，在實際應用中應加入溫度補償元件[41]。

1.5 基于壓電效應的電場傳感器

當電介質受到外力作用而應變時，正負電荷發生偏移，材料的兩個相對表面間出現電位差，該現象即為正壓電效應。當外力移除后，極化電荷也會消失[45]。同理，逆壓電效應則是指當對電介質施加與其極化方向相反的電場時，會導致電介質發生形變。當電場移除時，電介質的形變也會消失。在實際應用中，基于逆壓電效應的電場傳感器更為常見[46]。

基于逆壓電效應的電壓傳感器利用晶體/聚合物/多晶體材料的逆壓電效應[5，47-48]，將施加于晶體上的電壓信號轉換為材料的形變/位移信號，再進一步通過其他方式對此形變或位移進行檢測，可實現對外施電壓的傳感與測量。利用材料的逆壓電效應進行電壓傳感的關鍵在于壓電材料電致位移或形變的檢測[49-50]，主流的電壓傳感拓撲結構有基于逆電壓-光檢測的電壓傳感器和其他基于逆壓電效應的電壓傳感器。

1.5.1基于逆壓電-光檢測的電壓傳感器

如圖6所示，具有逆壓電效應的石英晶體多與各類光纖如橢圓芯雙模光纖聯用，可通過檢測光纖中的相關光相位變化對形變進行測量[5]。在利用高壓電系數的多晶體壓電陶瓷進行電光信號轉換的電壓傳感器中，多利用壓電陶瓷與特種光纖，如光柵類器件聯用，將壓電陶瓷的形變轉化為光柵的形變，導致光柵中心波長變化，進一步通過附加測量儀器或光柵自解調的方式對光纖光柵中心波長變化信號進行解調，從而對外加電壓進行量測[51]。由于具有高度的定制自由和成熟的制作技術，目前成本最低、應用最廣的光學器件為光纖光柵。

圖6 基于壓電陶瓷與光纖光柵的電壓傳感器

1.5.2其他基于逆壓電效應的電壓傳感器

在利用逆壓電效應對電壓/電場的傳感測量中，可將2個極化方向相反、兩端固定的壓電聚合物層狀結構疊加成電容的上電極，外加固定的電容下電極組成壓電式的電場測量裝置[5]。當外加電場變化時，壓電聚合物發生彎折，上述電容結構中上電極結構發生變化，導致電容極板結構變化，電容值發生變化，通過測量實時電容值來進行反向計算，從而獲取外加電場信息[52]。此外，也有研究者提出利用逆壓電—壓阻效應等其他方式對逆壓電材料的位移或形變進行檢測，利用壓阻效應將位移或形變轉化為電阻等待測量，實現電壓或電場的傳感，但目前此類研究仍在探索階段，離實際運用還有一定的距離[53-54]。

基于逆壓電效應的電壓傳感器具有高度定制自由性和成熟的制作技術，然而目前針對該類電壓傳感器的相關研究中，對正弦電壓測量頻帶范圍最多達100 kHz，對目前電網電壓信號測量來說，此測量頻段仍然不夠完善，對相關寬頻帶、全電壓種類的傳感器測試研究亟待完善。

1.6 基于靜電力效應的電場傳感器

金屬材料在電場中會受到靜電力而產生形變或位移。基于MEMS(微機電系統)技術，可以實現傳感器的小型化。小型化場磨機是典型的MEMS電場傳感器。由于該靜電力與外部電場相關，因此可以通過監測由于靜電力產生的形變或者位移實現電場的測量[55]。最早國外研究人員提出結合激光位移傳感器和靜電力耦合測量原理實現電場測量[56-59]。RONCIN等人[58]研發了一種基于靜電力耦合的MEMS電場傳感器，如圖7所示，金屬薄膜在待測電場中受靜電力產生位移，然后采用激光位移傳感器測量薄膜的位移量，從而可以確定待測電場強度大小。CHEN等人[59]在此基礎上對MEMS結構做了進一步改進，有效提升了傳感器的分辨率等性能參數。該類MEMS電場傳感器由于需要復雜光學系統輔助測量，往往體積較大，且電場測量的分辨率和靈敏度較低。

(a)原理圖

(b)實物圖

2018年奧地利學者KAINZ等人[57]提出基于靜電力和光通量耦合測量原理的MEMS電場傳感器。該傳感器的原理如圖8所示，通過多孔陣列結構在電場中受靜電力將電場轉化為位移變化，再通過LED光源和光敏電阻實現位移轉化為光通量，最后轉化為電信號的測量[57]。該MEMS電場傳感器無需驅動源，可實現電場無失真測量，但是無法測量高頻電場，存在帶寬和測量范圍限制。

圖8 基于靜電力和光通量耦合的MEMS電場傳感器

2021年清華大學胡軍、韓志飛等人[60]提出一種基于靜電力和壓阻耦合的MEMS電場傳感器。該傳感器結構通過金屬薄膜的靜電力將外部電場轉化應變，再利用壓阻材料將應變轉化為可測量電信號。該傳感器可實現強電場測量，但是低頻電場測量的效果還有待提高。LI J等[61]近年來在這方面也做了探索性研究，但是測量性能還有待進一步提升。

基于靜電力效應的MEMS電場傳感器具有體積小、成本低、采用微細加工技術易于集成等優點，同時，該傳感器在分辨率和靈敏度方面具有高性能。這些類型的電場傳感器可以執行交流和直流電場測量。然而，這種類型的傳感器受到機械結構頻率響應的限制，并且在高頻測量中具有局限性。此外，傳感器中的振動部分也對傳感器的使用壽命提出了挑戰。

2 電場反演電壓方法

2.1 基于電場逆問題的電壓反演方法

已知導體電壓和空間位置、介質等邊界條件，推導計算導體周圍空間電場分布成為電場正問題求解。已知導體周圍空間電場信息和邊界條件，反演計算導體的電壓則是電場逆問題。電場逆問題是正問題的逆向過程，是在源-場模型的基礎上利用數值計算方法獲取導體電壓。電場逆問題求解在生物[62]和地球物理[63]等電磁場計算領域應用較多，并且在電力領域用于絕緣子診斷[64]和電磁環境[65]等方面計算評估。重慶大學汪金剛研究團隊在電場逆問題的輸電線路電壓測量方面開展大量研究[66-67]，提出基于模擬電荷法的電壓反演算法模型，并通過D-dot電場傳感器進行測試驗證[68]。重慶大學劉淮通針對電場逆問題求解的病態性問題，提出基于粒子群算法蠕蟲算法的改進措施[69]。

電場逆問題求電壓涉及復雜矩陣逆運算，因此計算時間長、效率低，不利于電壓實時監測，且電場逆問題求解存在的病態性問題，容易出現解不存在或者不唯一的問題。除此之外，實際現場環境下空間場源關系與理論場源模型存在差距，因此電場逆問題的求解電壓法在現場還需進一步優化和改進。

2.2 基于電場積分法的電壓反演方法

基于電場積分法的電壓反演方法通過測量導體到已知電位的電場線上的多點電場信息，借助離散數值積分方法[70]計算導體的電壓。電場積分法最早在分布式光學電壓互感器中應用，文獻[71-72]利用多個小型的光學電場傳感器以陣列的方式測量介電屏蔽腔內的三點電場信息，利用數值積分法計算高壓電極到接地電極間的垂線上的電場積分值以求解電壓。重慶大學汪金剛等人提出將積分應用至輸電線路[73-74]，文獻[75-76]提出基于電場積分法的輸電線路電壓反演方法，在線路鉛垂線上布置多個D-dot電場傳感器并積分計算線路電壓。文獻[77]提出了一種固定節點的Gauss型積分算法，在保證電壓反演精度的前提下有效優化電場傳感器的布置位置。

現有的電場積分法避免了電場逆問題求解法的計算復雜和病態性問題，但是需要在線路下方鉛垂線上布置多個電場傳感器。由于實際架空線路高度較高，在線路下方懸空布置電場傳感器幾乎無法實現，并且電場傳感器之間間隔較遠的布置方式對同步通信也帶來挑戰，因此現有積分法測量方式雖然在理論上可行，但是考慮現場情況難以實現。因此還需研究電場積分的進一步改進方法，以實現積分反演的現場應用。

3 結論與展望

本文對智能電網中非接觸式電壓/電場傳感技術的原理和優缺點及電場反演電壓的方法進行了介紹。涉及的非接觸式電壓/電場感知技術包括耦合電容式電壓傳感，基于電流積分法的電壓傳感，D-dot電場傳感，基于電光效應、壓電效應和靜電力效應的電場傳感等。

非接觸式電壓/電場測量方法與傳統的接觸式測量方法相比較，具有更高的安全性，且在尺寸、性能上具備優勢，應用價值高。基于耦合電容式電壓傳感原理簡單、應用成熟，但耦合電容不易計算且測量精度受其影響較大。基于電流積分法的電壓傳感不改變電網原有結構和接線方式，但對獲取波形的保真度還不夠。電場傳感技術具有成本低、易生產、可微型化等特點，但電場反演電壓的方法還有待進一步優化。

需要在兩個層面推動非接觸式感知技術在智能電網中的應用。一是器件層面，探索新的耦合機制、研制新的傳感材料、發現新的拓撲結構，這有助于提升現有的電場傳感器的測量靈敏度和分辨率，進而滿足電壓反演測量的要求。二是電場反演電壓技術層面，結合智能算法實現傳感位置尋優，用優化積分方法降低反演誤差。

隨著先進傳感材料技術、微/納米傳感技術和計算機科學技術的發展，非接觸式電壓/電場傳感技術將會獲得長足的進步，相信在不久的將來智能傳感技術不再局限于變電站和換流站使用，而是將在長距離的輸配電線路上實現廣域傳感和測量。