基于無線傳輸的球形空間瞬態電場測量儀研制

李文婷 龍兆芝 劉少波 張弛 耿志輝 魯非

摘要：針對以往研制的空間電場測量儀所測量的沖擊電場波形與實際沖擊電壓波形時間參數差異大，會對電場幅值測量帶來誤差等問題，該文對原有的電場測量儀結構進行改進，調整電場探頭內部的取樣電容量與采集卡入口阻抗進行匹配后，保證所獲取波形與實際電壓波形的一致性。同時將原有電場探頭數據傳輸模式由光纖傳輸模式改進成無線傳輸的模式，可以最大程度地避免電磁干擾，更適合于復雜現場環境下的電場測量。將改進后的電場測量儀在沖擊近似均勻電場、非均勻電場及工頻均勻電場下進行標定，標定結果表明其具有良好的線性度。所研制的球形電場測量儀可用于變電站內的線路過電壓監測，沖擊分壓器線性度輔助測量等多種場合，具有廣泛的實際應用價值。

關鍵詞：空間電場;取樣電容;阻抗匹配;無線傳輸

中圖分類號：TM83文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）04-0085-07

0引言

電場測量在諸多科學研究和工程技術領域都具有重要意義，特別是在電力系統、電磁兼容以及微波技術等領域具有廣泛應用。由于電場測量儀一般懸浮工作于空間電場中，與電力設備無直接的電氣連接，可以避免由于電氣連接所引入的耦合干擾，在高電壓下也不會產生電暈，數據一般通過無線發射器或者光線傳輸數據到PC機，能夠避免折反射對波形的影響，無需接地不會感應地網電壓抬升，因此目前廣泛應用于高壓電場測量中。

空間電場測量儀在高壓測量領域最初廣泛應用于工頻電場測量中，而隨著采集卡測量技術的不斷發展，電場測量儀也被逐漸應用于瞬態電場測量中。相比于工頻電場測量，測量瞬態空間電場要求采集卡具有更快的響應速度、較高的采樣率及垂直分辨率。傳統沖擊電壓測量一般采用沖擊分壓器獲得電壓信號，并通過二次測量端采集卡或示波器記錄測量波形。但在某些特定場合，由于試驗場地空間場地受限，不可能采用沖擊分壓器進行電壓監測，且由于分壓器的發熱效應也不可能長時間連續運行，此時只能采用電場測量儀進行監測。另外由于標準沖擊電壓分壓器的電壓等級難以提高，對于1000kV以上電壓等級的沖擊分壓器也需要采用其他輔助設備（如電場測量儀）進行線性度試驗研究。以往進行瞬態電場測量時存在的主要問題是電場波形與實際電壓波形吻合度差，本文針對該問題對測量儀進行了改進，保證了瞬態測量波形時間參數與電壓波形的一致性。

1球形瞬態電場測量儀工作原理

常用的空間瞬態電場測量儀為球形電場測量儀，其外部結構由兩個半球形的金屬外殼組成，兩半球外殼構成一個電容探頭，其工作原理如圖l所示。在變化的電場中電場測量儀的球形外殼會感應電荷，感應電荷的大小與球殼尺寸及所處電場強度相關，其關系式為

取樣電容兩端的電壓經采集卡進行A/D轉換后成為數字信號，經過光纖傳輸給上位機從而獲取測量波形。

圖2為以往研究者采用電場探頭測量得到的沖擊電場波形，從圖中可以看出在波尾部分100雎s時刻及以后所記錄波形電場值已經下降至0kV/m以下，該波形與實際的沖擊電壓波形具有一定的差距。圖3為典型的正極性沖擊電壓波形，電壓先迅速上升至峰值后再緩慢下降至0v，在整個時間范圍內其電壓值不會降到0v以下的位置;在100us時刻對應的波形幅值約為15%的峰值電壓，即該球形電場探頭所測波形失真，不能反映真實的沖擊電壓波形，會對電場測量引入較大的誤差。

2改進電場測量儀

2.1原有電場測量儀

為了分析電場測量儀所測沖擊電場波形失真的原因，對原有球形電場測量儀樣品進行分析，圖4（a）為其外觀圖，電場測量儀由上電極、有機玻璃絕緣塊、下電極及內部配套采集裝置組成，圖4（b）為其外觀尺寸圖。由于電場測量儀的電場/電壓比例系數與測量儀的取樣電容成反比，以往為了提高電場測量儀的靈敏度會將Cm設計得很小，原有的電場測量儀內部未額外并聯取樣電容，依據電場測量儀球殼外部尺寸及兩球殼間距離，可計算出球殼間感應電容量約為8.6pF。

為確定球形電場測量儀的引入是否對原有電場進行了畸變，在ANs0FT中進行仿真計算，平板電極尺寸及平板電極間距完全按照以往試驗條件設置，在間距為1m的兩平行極板中心放置半徑為5cm的球形探頭，兩平行電極之間的電場分布云圖如圖5所示。仿真結果表明當極板距離（1m）為探頭半徑（5cm）的20倍時，電場探頭對原電場的影響非常小，實際電場極性也不會發生改變。因此所測電場波形失真的原因并非由電場探頭對空間電場的畸變造成。

2.2電場測量儀工作原理

對原有電場測量儀所測波形做進一步分析，可以看到波頭部分快速上升與實際電壓波形較為一致，波尾部分下降速度明顯快于實際電壓波形。對電場測量儀的工作原理進行分析：電場測量儀由外部感應球殼，內部并聯取樣電容及配套測量用采集卡構成。當電場探頭置于空間電場中時，在外部球殼上感應出電荷Q（t）在取樣電容Cm上會產生感應電壓Uk，該電壓上升到峰值后再經過采集卡人口電阻足泄放，因此采集卡會獲得一個先上升后下降的電壓，其放電原理圖如圖6所示。其中波形下降的時間常數與R1值和Cm及c1值相關，其放電時間常數為

該樣品球形電場測量儀內部無并聯取樣電容，則球形電場測量儀的取樣電容CM為兩球殼間的感應電容，電容量為8.6pF。對測量儀內部配套采集卡的輸入阻抗進行測量，得到其輸入電阻/電容為0.484MΩ/33.128pF，根據以上參數計算回路放電時間常數為20.18us，即電壓降至0.37Uk時所需時間為20.18us。而實際標準雷電沖擊電壓波形（1.2us/50us）的半峰值時間約為50us，波尾部分下降到0.37Uk時間約75us，由此可以看出原球形電場探頭內部的取樣電容和采集卡構成的放電回路時間常數過小可能是造成電場波形測量失真的原因。為了獲取準確的電場波形，需要在電場探頭內部實現阻抗匹配，具體實現方法即調整原放電回路的時間常數，與標準雷電壓波形的放電時間常數保持一致。

2.3增大電場測量儀內部取樣電容

由于采集卡內部阻抗固定，球殼間的感應電容一定，為了增加測量回路的時間常數，只能增大取樣電容的大小。真實待測雷電壓波形波尾部分下降時間常數約為75us，為將電場測量儀回路放電時間參數調整與實際待測電場波形一致，需要將原有電場測量儀回路放電時間常數由20.18us增加至75us，即需要將在原有測量回路額外并聯2.72倍原有放電回路電容（Cm+C1）的取樣電容，需額外并聯取樣電容為Cm1，=2.72x（8.6+33.128）pF=113.5pF。

在原有電場測量儀內部并聯113.5pF電容后，經實測電場波形不再出現電場值降至0kV/m以下情況，電場波形時間參數與電壓波形吻合度較好。進一步增大電場測量儀內部并聯電容后，發現電場波形的時間參數并不會進一步增大，仍然與真實電壓波形保持一致，即只要保證電場測量儀內部測量回路放電時間常數≥待測雷電波形時間常數，就可以保證電場測量儀能夠真實地反映待測波形。圖7為對電場測量儀內部并聯額外的電容后，電壓波形和電場波形的對比圖。從圖中可以看出電場波形與電壓波形有良好的—致性，波頭/波尾時間參數一致性。

由于改進后的電場測量儀要用于高電壓等級沖擊電壓線性度的測量，最高待測沖擊電壓會超過1000kV，而球形電場測量儀配套采集卡人口電壓僅為±2.5v，為了拓展電場測量儀的電場測量范圍，需要盡量減小電場/電壓比例系數，最終在球殼內部并聯3.5nF電容，此時該球形電場測量儀的理論電場/電壓比例系數為0.056945v/（kV/m）。

2.4改進電場測量儀數據傳輸方式

原有的電場測量儀基于光纖進行數據傳輸，但在現場試驗遠距離數據傳輸時，過長的測量光纖存在布線困難且容易被損壞的情況，最佳的傳輸方式為無線傳輸。因此將原有的球形探頭內部測量采集卡設計為無線傳輸模式：在球形電場內部設置獨立的無線路由，通過IP設置可實現電場測量儀與筆記本電腦中軟件的通信。電場測量儀內部采集卡具有較大的存儲深度，在單次試驗時采集卡迅速捕捉放電電壓信號后轉變為數字信號保存，再通過局域網數據傳輸模塊傳輸給PC機，在PC機中完成數據讀取及參數計算工作，其具體工作流程如圖8所示。

在進行沖擊電場測量時，電場測量儀內部采集卡采樣率設置為150MS/s，單次采樣時間設置為300us，單次試驗數據量為45k個采樣點。經實際測試整套測量系統數據傳輸速度快，單次試驗結束后，所有的數據可迅速完成傳輸，并可在1s內完成數據繪圖。

改進后的球形電場測量儀內部電路如圖9所示，包括：取樣回路、A/D采集卡、MCU數據微處理器、局域網數據傳輸模塊、電源開關、鋰電池、局域網數據接收單元，整體設計緊湊。

3電場測量儀的刻度標定

3.1沖擊電場標定

為了保證電場測量儀測量瞬態沖擊電場的測量準確度，將電場測量儀內部配套采集卡的采樣率設計為150MS/s，垂直分辨率為12Bit，采集卡前置衰減檔位包括1：1檔、10：l檔及100：1檔，采集卡入口電壓為±2.5v，根據待測電場大小可選擇合適的衰減檔位進行測量。

對原有電場探頭樣品進行內部測量阻抗匹配后，在實驗室內搭建了近似均勻的平板電極電場，在沖擊電壓下對電場測量儀的比例系數進行了標定。采用型號為SMR7.7/500的500kV標準電阻.分壓器進行標定試驗，其幅值測量不確定度為10x 10^-2（K=2），時間參數測量不確定度為l 5x10^-2（k=-2）。將電場測量儀通過絕緣帶懸浮固定于平行極板中心位置。試驗中正負極性各選取5個電壓校準點，以獲得球形電場測量儀的線性度。

表1為正極性下不同沖擊電壓下電場測量儀與標準分壓器測量波形的數據對比。從表中可以看出，經改進后的電場測量儀所測電場的時間參數與分壓器所測參數具有較好的一致性。表2為不同電壓下電場測量儀線性度試驗數據，其中單個電壓下的數據為在該電壓下重復測量5次后求取平均值的試驗數據，在100-480kV/m電場范圍內，電場探頭測量線性度在1.2%以內，如圖10所示。

根據該電場測量儀的外形尺寸參數可計算出在均勻電場下其理論電壓/電場比例系數K值為0.056945v/（kV·^-1），理論計算值與實際標定值非常接近，具有微小差別的原因可能在于電場探頭球徑尺寸的測量誤差及實際搭建的平板電極電場并非絕對的均勻電場。理論值和實際值之間的差別較小，表明該球形電場探頭在沖擊電場下的標定數據結果是可靠的。

電場探頭的實際使用條件多為非均勻空間電場，因此在空間非均勻電場中也對其進行了標定試驗。將球形電場探頭布置于沖擊電壓發生器本體與測量用沖擊分壓器中間位置，將球形電場測量儀用絕緣支撐桿支撐，環絕緣支撐桿高度為1.26m，絕緣支撐桿位于發生器及測量分壓器中間位置，絕緣支撐桿距離分壓器縱向距離為2.2m。表3為其標定試驗結果，從100～480kV范圍內置于空間非均勻場中的球形電場探頭的測量線性度為1.2%，如圖11所示。試驗結果還表明該球形探頭在非均勻電場中的線性度與在均勻電場中的線性度基本一致，可以作為沖擊電壓輔助設備應用于復雜現場環境中。當球形電場測量儀用于測量空間非均勻電場時，由于所處位置不同時其電場系數會發生改變，在實際使用時應該進行實時標定。

3.2工頻電場標定

為了驗證該球形電場測量儀在沖擊電場標定數據的準確性，將該球形電場探頭送至陜西電科院環境保護實驗室內進行了工頻電場的標定，其標定電場范圍為5～20kV/m，標定結果如表4所示。與表2比較可知，在工頻電場與沖擊電場下，電場探頭的比例系數非常接近，存在微小差別的原因是由于在實驗室內所搭建的沖擊電場并非絕對均勻電場，而陜西電科院環境保護實驗室標定用的工頻電場更加均勻。在準確度要求不高的情況下，該球形電場測量儀在現場試驗中可同時用于沖擊電場測量及工頻電場測量。

4結束語

對原有的空間瞬態球形電場測量儀進行了改進，在球殼內部兩端額外并聯了合適容量的取樣電容后，實現了取樣電容與內部采集卡間的阻抗匹配，保證了所測電場波形與真實電壓波形的一致性。將電場測量儀數據傳輸設計成無線傳輸模式，可以滿足復雜環境下數據傳輸的要求，適用范圍更廣，經過在實驗室內的標定試驗表明：

1）在沖擊電壓近似均勻場下和非均勻場下球形電場探頭的線性度特性一致，在500kv范圍內，其線性度為1.2%。

2）在近似均勻沖擊電場下，實際標定電場系數與理論計算值相差值小于1%，造成該差別的原因可能在于球殼尺寸的測量誤差及所搭建的標定用沖擊電場并非絕對均勻電場。

3）在工頻電場下實際標定電場系數與沖擊近似均勻電場下標定的電場系數一致性好。

經過改進后的球形電場測量儀所測波形與實際沖擊電壓波形吻合程度好，測量線性度良好，通過調整電場測量儀的放置位置，選擇合適的前置衰減檔位，可以在很寬的量程范圍內實現沖擊高電壓下的電場測量，后續可作為很好的沖擊電壓輔助測量設備用在高電壓等級沖擊電壓線性度研究中。