新型電場傳感器應用于輸電線電場測量*

唐立軍， 彭春榮， 顧植彬， 常亞東

(1．云南電網有限責任公司 電力科學研究院，云南 昆明 650217；2．中國科學院 電子學研究所 傳感器技術國家重點實驗室，北京 100190)

應用技術

新型電場傳感器應用于輸電線電場測量*

唐立軍1， 彭春榮2， 顧植彬2， 常亞東1

(1．云南電網有限責任公司 電力科學研究院，云南 昆明 650217；2．中國科學院 電子學研究所 傳感器技術國家重點實驗室，北京 100190)

基于高性能的微電子機械系統(MEMS)工頻電場傳感器系統開展了高壓架空輸電線下電場測量應用研究。為了獲得電場分布規律，基于模擬電荷法，建立了輸電導線的二維電場計算通用模型。傳感器系統核心敏感芯片基于電荷感應原理，采用MEMS技術加工制作。在0～1 000 kV/m工頻電場范圍內，傳感器系統的總不確定度為1.53 %，分辨力達到了20 V/m。仿真與測試結果表明：35 kV與10 kV輸電線下的電場計算結果與傳感器系統的測量結果偏差分別為6 %和10 %，并與傳統的Narda EFA—300電磁場分析儀測量結果具有較好的一致性。

電荷模擬法； 工頻電場； 微電子機械系統； 電場傳感器

0 引 言

高壓輸電線路地面電磁場強度是確定線路最小對地高度及規劃線路走廊寬度的重要依據[1]。高壓輸電線路下的電磁環境受到越來越多的關注，特別是高壓線下的電場強度，已成為環境保護和電磁兼容技術領域中不可忽視的問題[2]。

電磁場理論發展到現在，計算方法很多。常用的電磁場數值計算方法包括有限差分法、有限元法、邊界元法以及模擬電荷法和模擬電流法[3,4]。有限差分法和有限元法二者都是對封閉的場域進行網格劃分，不宜用來求解開域問題。邊界元法雖然能夠處理開域問題，但是邊界元法的系數矩陣階數比較高，而且是非對稱的滿陣，為線性方程組的求解帶來困難。模擬電荷法和模擬電流法適合求解開域的靜態場問題，在工程中有很廣泛的應用。

經過多年的發展，目前常用的測量電場的方法主要有電容式電場傳感器[5]、場磨式電場傳感器以及光學式電場傳感器等[6,7]。電容式電場傳感器如德國Narda公司EFA—300體積大，空間分辨力低，價格昂貴；場磨式電場傳感器主要用于直流電場測量；光學式電場傳感器由于溫度問題，目前主要還處于研究試驗階段。隨著微電子機械系統(MEMS)技術的發展，國內外多家研究單位相繼報道了多種MEMS微型電場傳感器[8～15]。與傳統的電場傳感器相比較，MEMS電場傳感器具有體積小、功耗低、成本低、易批量生產等優點。

為此，本文采用模擬電荷法對輸電線路進行建模和場強計算，仿真計算35 kV輸電線路三角形布置的電場分布隨導線高度、線距變化規律，并采用高性能的MEMS工頻電場傳感器系統在輸電線下進行現場測試。仿真與測試結果表明: 35 kV與10 kV輸電線下電場計算結果與測量結果偏差不大于10 %，并與傳統的Narda EFA—300電磁場分析儀測量結果具有較好的一致性。

1 輸電線下場強基本理論與仿真

1.1 輸電線路建模與場強計算

為了便于理論分析，對高壓輸電線路下場強計算問題做以下簡化和處理：

1)輸電導線是無限長光滑圓柱型導體，線徑相同，彼此與大地間平行。

2)輸電線半徑r?h(架設高度)，則高壓輸電線上的等效電荷可視為線電荷，其位置為輸電導線的幾何中心。

3)忽略輸電線路桿塔、橫擔和弧垂的影響，將輸電線視為無限長直平行導線，其產生的電場為二維場，如圖1所示，計算平面取垂直于輸電線最低點的垂面。

圖1 高壓輸電線路計算模型

4)本文主要研究地面附近大約0～3 m高度內電場分布情況，在這個范圍內，避雷線對電場分布的影響很小，忽略不計。

模擬電荷法采用鏡像原理考慮大地對計算點P場強的影響，如圖2所示。設大地為良導體，電位為零，帶電量為Q的導線1與P點的距離為L，則導線1的鏡像載有均勻電荷-Q，且與P點的距離為L′。

圖2 等效電荷鏡像原理

在已知電壓等級情況下，求出各模擬電荷的電位系數，列出矩陣方程

(1)

式中P為n×n階電位系數矩陣，Q為模擬電荷電量列向量，Q為輸電線路電位列向量。由上式可得

Q=P-1U

(2)

求解得到等效電荷Q，則不同輸電線路單位長度線電荷在空間某一點所引起的電場強度可以用疊加原理求得，表示為

(3)

式中 (x0,y0)為計算點P的坐標，(xi,yi)為輸電導線i的坐標，m為輸電導線數目，Qi為導線i的等效電荷(i=1,2,…,m),則在計算點處合成場強為

(4)

如果實際輸電線路為分裂導線，則通常從整體上簡化線路為圓柱導線，那么導線的截面為圓，其等效半徑Ri的計算公式如下

(5)式中R為分裂導線半徑；n為次導線根數；r為次導線半徑。

1.2 輸電線路電場仿真

在研究分析架空輸電線路電場強度計算原理的基礎上，可以得到輸電線路場強大小與輸電線路布置方式、高度、距離等因素之間的關系。本文以35 kV輸電線路為例，對不同的高度、線間距離分析線下電場強度變化情況。采用如圖3所示的單回3相輸電線路模型，H1,H2分別為導線高度，D1,D2為線路之間水平方向距離。

圖3 單回3相輸電線路

采用Matlab軟件進行仿真分析，圖4 為線下合成電場仿真計算結果。由圖4可發現：隨著兩水平導線之間距離減小，線下的合成電場值減小，合成電場分布由“馬鞍形”逐漸變成“鐘形”；隨著三角頂點處導線與兩水平導線之間距離減小，合成電場值減小，合成電場分布中心點處的電場值減小幅度增大；隨著導線離地距離減小，電場值增大。

圖4 35 kV輸電線路上三角布置電場仿真結果

在上述輸電線下電場強度計算仿真的基礎上，開展基于MEMS敏感芯片的工頻電場測試系統的線下電場測量應用研究。

2 基于MEMS敏感芯片的工頻電場測試系統

MEMS電場敏感芯片是中國科學院電子學研究所研制的創新產品，其感應原理如圖5所示[15]。在芯片正上方施加電場En，當屏蔽電極在感應電極(+)和感應電極(-)之間周期性水平左右振動時，調節感應電極周圍電場發生變化，引起其表面的感應電荷量發生周期性改變，產生與被測電場成正比的交變感應電流，經過I/V轉換后輸出交變電壓，通過測量交變電壓計算出被測電場大小。

圖5 MEMS電場敏感芯片感應原理

基于MEMS敏感芯片的工頻電場測試系統主要包括傳感器探頭(MEMS電場敏感芯片，前置放大電路),驅動電路,NI無線信號采集卡、電源模塊以及上位機等。MEMS電場傳感器探頭如圖6所示。NI無線信號采集卡將探頭的輸出信號和驅動電路的激勵信號采集后以無線方式發送到上位機進行信號解調。數據無線傳輸保證了MEMS電場傳感器探頭與地隔離，測量不受地電勢的影響，提高了測量的準確性，也提高了系統的安全性。

圖6 MEMS電場傳感器探頭

在0～1 000kV/m電場范圍內，MEMS工頻電場測試系統線性良好，其總不確定度為1.53 %，分辨力達到了20V/m。

3 仿真與測試結果對比

采用文中的輸電線路電場仿真方法和MEMS工頻電場測試系統分別對35,10kV輸電線路的電場分布進行仿真計算和測試，主要仿真測試輸電線路正投影下水平面上與輸電線路垂直方向±10m范圍內的電場分布，仿真測試離地高度1.8m。另外，仿真測試結果與Narda公司的EFA—300電磁場分析儀的測試結果進行對比。

由于實驗選擇的35kV輸電線路為上字塔不對稱三角形布置方式，所以，在輸電線路兩側進行電場測試。圖7(a)為35kV輸電線下電場分布計算與測試結果。MEMS工頻電場測試系統除了在+2m處有一個較大的抖動外，其他測試點均與理論模擬結果以及NardaEFA—300的測試結果相一致，測量最大偏差為6 %，測試結果也真實地反映了線下兩側電場不對稱情況。

圖7 輸電線路計算與測試結果

由于10kV輸電線路呈上三角形布置，左右對稱，所以,只仿真測量其右側的電場分布情況。圖7(b)為10kV輸電線下電場分布仿真與測試結果。仿真結果與測試結果也具有較好的一致性，在測試區間內，MEMS工頻電場測試系統的最大偏差約為10%，曲線趨勢和大小真實反映出了輸電線下電場分布特征。

4 結 論

本文首先基于模擬電荷法建立了輸電線下的電場分布計算模型，并仿真計算了35kV輸電線路在不同的高度、線間距離條件下電場的分布規律。然后介紹了高性能MEMS工頻電場測試系統，在0～1 000kV/m電場范圍內，系統線性良好，總不確定度為1.53 %，分辨力達到了20V/m。仿真與測試結果表明：35kV與10kV輸電線下的電場計算結果與系統的測試結果的偏差分別為6 %和10 %，并與傳統的NardaEFA—300的測試結果一致性良好，說明高性能的MEMS工頻電場測試系統可用于輸電線下的電磁環境測量。

[1] 羅 杰,黃小慶,何 杰,等.輸電線路在線監測WSNs優化部署研究[J].傳感器與微系統,2014,33(8):52-55,64.

[2] 胡順仁,曾 鋒,趙 紅,等.特高壓輸電塔實時監測系統的數據傳輸方法研究[J].傳感器與微系統,2012,31(9):42-45.

[3] 孟 毓,張永隆,肖鑫鑫.上海地區典型220 kV架空線線下場強的研究[J].電網技術，2010，34(6):38-43.

[4] 陳 楠,文習山,劉 波,等.高壓輸電導線三維工頻電磁場計算與測量[J].電網技術，2011，35(3):160-164.

[5] 姚 境,汪 沨,胡 凱,等.傳感器在高壓輸電線路絕緣子檢測中的應用[J].傳感器與微系統,2010,29(10):1-3,8.

[6] 汪金剛,林 偉,李 健,等.電容式交變電場傳感器與工頻電場檢測試驗研究[J].傳感器與微系統,2010,29(9):21-23,26.

[7] 方奕庚,彭春榮,方東明,等.微型折疊式三維電場傳感器[J].傳感器與微系統,2016,35(5):1-4.

[8] 席 潔,陳 明,弟 寅,等.測量電場的鈮酸鋰光傳感器綜述[J].傳感器與微系統,2013,32(3):4-6,14.

[9] 王 宇,方東明,陳 博,等.基于旋轉諧振結構的單芯片二維電場傳感器[J].傳感器與微系統,2016,35(2):103-105,112.

[10] Bahreyni B,Wijeweera G,Shafai C,et al.Analysis and design of a micromachined electric field sensor[J].Journal of Micro-electro-mechanical Systems,2008,17(1):31-36.

[11] 陳中偉,肖 華,吳功平.高壓巡線機器人電磁傳感器導航方法[J].傳感器與微系統,2006,25(9):33-35,39.

[12] Peng Chunrong,Chen Xianxiang,Bai Qiang,et al.A novel high performance micromechanical resonant electrostatic field sensor used in atmospheric electric field detection[C]∥Proc of 19th IEEE Conf on MEMS,Istanbul,Turkey,2006:698-701.

[13] 聞小龍,彭春榮,方東明,等.基于共面去耦結構的空間三維電場測量方法[J].電子與信息學報,2014,36(10):2504-2508.

[14] 楊鵬飛,彭春榮,張海巖,等.SOI微型電場傳感器的設計與測試[J].電子與信息學報,2011,33(11):2771-2774.

[15] Yang Pengfei,Peng Chunrong,Zhang Haiyan,et al.Design and testing of a SOI electric-field microsensor[J].Jounal of Electro-nics & Information Technology,2011,33(11):2771-2774.

[16] 封滟彥,俞集輝.超高壓架空輸電線的工頻電場及其影響(一)[J].重慶大學學報，2004，27(4):10-14.

唐立軍 (1985-)，男，工學碩士，工程師，主要從事電網自動化檢測及測試技術、多源信息融合技術方面的研究工作，E—mail：tlijun@foxmail.com。

New type of electric field sensor for electric field measurement of transmission line*

TANG Li-jun1, PENG Chun-rong2, GU Zhi-bin2, CHANG Ya-dong1

(1.Electric Power Research Institute,Yunnan Power Grid Co Ltd,Kunming 650217,China；2.State Key Laboratory of Transducer Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

Electric field measurement under high voltage overhead transmission using a high-performance MEMS electric field sensor is presented.To study the distribution of electric field under high voltage overhead transmission lines,based on the charge simulation method,a generic model for two-dimensional electric field calculation is established.To measure the electric field distribution,a novel measurement system of wireless transmission based on high-performance MEMS electric field sensing chips is introduced.Tested in ambient air conditions,the minimum detectable field of the system is approximately 20 V/m,with an uncertainty of 1.53 % in working frequency electric field range 0～1 000 kV/m.The simulation and test results show that the deviation between the calculation results and the test results of the system for electric field under 35 kV and 10 kV transmission lines is 6 % and 10 %,respectively,and the plotted curves of the system are consistent with traditional Narda EFA—300 electromagnetic field analyzer.

charge simulation method(CSM); power frequency electric field; micro-electro-mechanical system (MEMS); electric field sensor

2016—06—21

國家“863”計劃資助項目(2015AA042602)；中國南方電網有限責任公司科研項目(K—YN2014—186,YNKJXM00000293)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0154—03

TM 937

A

1000—9787(2017)06—0154—03