雙定子地面電場儀雷電監測技術的研究

王光東 ，施 勇 ，鄒 斌 ，黃 浩 ，朱 武

（1.國網上海電力公司崇明供電公司，上海 201250；2.上海電力學院 電子與信息工程學院，上海 200090）

雷電活動可以引起地面電場的顯著變化，對人類活動影響很大，尤其是建筑物、輸電線網等遭其襲擊可能造成嚴重損失。據國家電力部門的不完全統計，我國高壓輸電線路因遭受雷電襲擊而導致的電力系統跳閘次數，占電力系統總跳閘次數的40%～70%[1]，在我國西部等雷電發生概率更高的地方，雷電襲擊所造成的架空輸電線路跳閘率會更高。依照我國國家電力系統最近幾年電網安全運行狀況，在（110～500）kV電力設施故障中，雷電襲擊造成的電力部門跳閘事件所占比例達到輸送電系統總跳閘次數的首位，輸送電系統不正常停運次數排名第二。不僅如此，雷電襲擊輸電線路對電力系統運行的安全性、經濟性、可靠性和穩定性都有巨大的影響。因此，雷電監測預警系統的發展，對我國電網安全穩定運行具有重大意義[2-3]。

地面電場儀具有實時性好，準確度高、可靠性強、靈敏度高以及便于安裝等優點，能夠長時間對一定區域內的大氣場強進行實時監測，在我國雷電監測預警方面發揮著重要作用[4]。目前，地面電場儀采用旋轉式傳感器，其直流輸入阻抗非常大，易受干擾，傳感器輸出信號微弱，易發生泄漏，測量準確度不高。對此，針對地面電場儀系統，設計了一種新型雙定子結構差分式電場傳感器。

1 雙定子電場傳感器

大氣靜電場測量裝置是利用金屬導體在電場中會在其表面產生感應電荷的原理來測量電場強度。由于靜電場是一個緩變的量，為得到連續的電場測量值，需要采用動態法（場磨）測量，即讓導體在電場中交替地暴露和屏蔽。固定不動的感應導體稱為定子，對定子起交替屏蔽作用的運動導體稱為轉子，轉子與接地的電刷磨擦而接地。轉子旋轉時定子交替地暴露在大氣電場E中，或被接地屏蔽片所遮擋，E=0。此時定子交替充、放電，由此產生交變信號。

傳感器的原理決定了傳感器的輸出阻抗非常高，傳統的單定子傳感器易受空間游離電荷或其它電磁干擾，測量準確度難以提高。在此所設計的新型雙定子結構差分式電場傳感器如圖1所示。

圖1 差分式電場傳感器Fig.1 Differential electric field sensor

新型傳感器由1個轉子、2個定子和直流電機組成。轉子連接在直流電機的轉軸上，轉軸通過石墨碳刷接地。轉子由1個單層電路板構成，轉子均勻分為8個區域，其中A區不覆銅，B區覆銅；2組定子由雙層電路板構成，定子也均勻分為8個區域，其中C區正面覆銅，D區背面覆銅；正面覆銅部分連在一起，背面覆銅部分連在一起，正反面絕緣。

新型電場傳感器比傳統電場傳感器增加了1個定子葉片，其優點在于轉子旋轉時兩定子交替暴露在大氣電場中，在電場作用下定子上會感應出2路電流信號，它們大小相等、方向相反。同時，2個定子受到空間其它電磁波的影響，通過減法器電路可有效消除共模干擾，提高系統的測量準確性。

電機帶動轉子勻速轉動，定子交替地暴露和屏蔽，從而產生感應電荷。根據高斯定理，可得到感應電荷的大小與電場強度成正比，即：

式中：Q（t）為感應電荷，C；E為電場強度，V/m；ε0為自由空間介電常數，ε0=8.854×10-12F/m；S（t）為定子表面積，m2；電場方向由轉子指向定子時為正。當電機帶動轉子轉動時，定子上的感應電流可由感應電荷對時間的微分計算出，即：

在此所設計的傳感器金屬感應片半徑R=80 mm，內徑r=30 mm，感應片厚度H=1.6 mm；直流電機轉速M=3375 r/min，電場傳感器有4個定子葉片，因此當轉子旋轉時感應信號頻率f0為225 Hz。當傳感器從完全遮蔽到完全暴露，可以計算出定子表面積隨時間變化，即：

由式（2）可以推出感應電流為

代入傳感器設計參數，就可以得到感應電流

I=34.404E

式中：I為感應電流，pA。由此可知感應電流的大小僅與電場強度成正比。

2 雷電監測儀的信號處理

雙定子傳感器輸出阻抗高，輸出信號微弱，需要對輸出回路進行等電位屏蔽和抗共模處理，測量系統的信號處理原理如圖2所示。

圖2 信號處理流程Fig.2 Signal processing flow chart

傳感器輸出信號首先通過等電位屏蔽防止微弱信號泄露，兩路定子感應電流信號經過I/V轉換器進入減法器電路，消除共模干擾，提高系統精度。信號通過放大和帶通濾波之后與光電開關產生的同步信號作相干檢測。然后通過低通濾波器，由模數轉換器對信號進行采樣。

2.1 前置電路的設計

由于傳感器輸出阻抗高，輸出信號微弱，前置電路要實現對傳感器輸出信號的等電位屏蔽，同時實現I/V變換，前置電路如圖3所示。

圖3 前置電路Fig.3 Pre-amplifier circuit

傳感器感應電流為pA級交流信號，前置放大器選用低偏置電流的放大器AD549。放大器A1，電阻Rf和電容Cf實現I/V變換，放大器A2對輸入信號屏蔽線進行有源等電位屏蔽，消除信號的泄露[5]。定子傳感器感應輸出電流為i，其直流輸出阻抗為Ri，輸出電容與屏蔽電容的等效電容為Ci，由圖3可得放大器的反饋阻抗Zf和輸入阻抗Zi分別為

假設前置放大器的反饋系數為F，則

由式（7）可知，1/F特性曲線存在1個零點，設其頻率為f1；存在1個極點，設極點頻率為f2，則

根據反饋放大器理論，當反饋系數的倒數曲線與開環特性曲線相交速率為40 dB時，系統不穩定，反饋系數的倒數曲線與開環特性曲線相交速率為20 dB時系統穩定。當系統反饋電容Cf為零時，系統只有1個零點，不存在極點，反饋系數倒數曲線與放大器開環曲線相交速率為40 dB，系統不穩定；當系統反饋電容Cf不為零時，系統有1個零點和1個極點，反饋系數的倒數曲線與放大器開環曲線相交速率為20 dB，系統穩定。放大器閉環相交特性曲線如圖4所示，保證了前置放大器的穩定性。

圖4 放大器閉環相交特性曲線Fig.4 Characteristic curve of amplifier closed loop

2.2 信號放大電路

雙定子感應信號經I/V轉換器轉換為電壓信號，由于傳感器輸入阻抗非常高，雙定子在感應被測電場外，同時易受外界干擾，對定子感應的兩路交流信號作減法運算，消除共模干擾。系統采用兩級放大，第1級采用儀表放大器INA828，得到雙定子的差分信號，其增益可以通過外接電阻R的大小設定；第2級采用OPA227精密放大器對信號放大。所設計的信號放大電路如圖5所示。輸出電壓U為

圖5 信號放大電路Fig.5 Signal amplifying circuit

2.3 帶通濾波器的設計

當地面電場儀在安裝在電氣設備附近時，由于傳感器探頭的高輸入阻抗特性，50 Hz工頻及其諧波信號必然會對探頭產生一定的干擾，同時在空間還存在的其它干擾信號。在此針對這種寬頻帶的干擾存在情況，設計了窄帶帶通信號濾波器，減小干擾信號影響，提高系統的信噪比，達到提高系統測量的準確性和可靠性。

窄帶帶通濾波器的中心頻率設置在225 Hz，為了得到較高信噪比的測量信號，放大器A1，電阻R1，R2，R3，R4，R5與電容 C1，C2組成二階帶通巴特沃茲帶通濾波電路；放大器 A2，電阻 R6，R7，R8，R9，R10與電容C3，C4組成二階帶通巴特沃茲帶通濾波電路。通過級聯構成四階巴特沃茲帶通濾波器電路，電路如圖6a所示。

放大器A1和放大器A2采用AD823，電路參數如下：

R1=2.32 MΩ，R2=10.2 kΩ，R3=1.02 MΩ，

R4=205 kΩ，R5=3.48 kΩ，R6=2.19 MΩ，

R7=9.63 kΩ，R8=958 kΩ，R9=209 kΩ，

R10=3.52 kΩ；

C1=C2=6.8 nF，C3=C4=7.5 nF。

根據選擇參數，帶通濾波器-3dB的寬度為10 Hz；-40 dB信號寬度為200 Hz，對測量信號沒有衰減，其幅頻特性如圖6b所示。

圖6 225 Hz帶通濾波電路及其頻率特性Fig.6 225 Hz bandpass filter circuit and its frequency characteristics

2.4 同步相敏檢波電路判斷電場極性

所設計的同步相敏檢波電路由開關電容模塊電路構成，電路設計如圖7（a）所示。傳感器轉子旋轉時有槽型光藕產生同步脈沖信號，同步脈沖信號送到儀用開關電容模塊的16腳，當16腳為邏輯“1”時，開關接13腳，此時放大器A1為同相跟隨器；當16腳為邏輯“0”時，開關接14腳，放大器A1實現反相放大功能，且放大倍數為-1。該相敏檢波器輸出原理如圖 7（b）所示。 運算放大器 A2，電阻 R3，R4，R5和電容C1，C2構成有源二階低通濾波器，消除信號諧波，得到與電場成比例的直流電壓。

圖7 同步相敏檢波電路及解調原理波形Fig.7 Synchronous phase sensitive detection circuit and demodulation principle waveform

3 測量系統標定

為了驗證測量系統的性能，采用DW-P303-1ACD高壓電源來模擬電場。該高壓電源輸出電壓為0～30 kV連續可調，電壓調整率＜0.1%，將高壓電源連接在上下2塊平行極板上，保持平行板距離不變，調節高壓電源的輸出電壓，就可以得到需要的場強。將電場傳感器置于電場中，雙定子傳感器感應差分電流信號，經放大、濾波、相敏檢測后，在主控制器STM32控制下，由模數轉換器ADS7812進行采樣，對采樣數據進行處理得到測量結果，實現系統的標定。

調整高壓電源的輸出，給平行板的上下極板間加0～20 kV電壓，平行板的距離為0.4 m，模擬場強為0～50 kV/m。經多次標定，擬合最優曲線對系統參數進行修正，在模擬電場下地面電場儀測量結果見表1。

表1 雙定子地面電場儀測量結果Tab.1 Measurement results of differential ground electric field instrument

由表可知，測量電場值與模擬電場強度大小基本一致。經實際計算，測量場強的分辨率能夠達到10 V/m，線性調整度在1%之內。

4 結語

所設計的新型雙定子差分式電場傳感器，通過差分放大器對信號處理，能夠有效消除共模干擾；窄帶帶通濾波器消除了工頻干擾及其它空間電磁干擾。采用有源等電位屏蔽技術減小了高阻信號源微弱信號的泄露，提高了系統的測量精度和抗干擾能力。采用高穩定直流高壓電源建立模擬電場，對系統進行標定。測量結果表明，在（-50～50）kV/m場強范圍內，系統的分辨力達到10 V/m，線性度＜1%。