高壓近電預警用工頻電場傳感單元設計與分析

周年榮，方正云，唐立軍，范良進，張文斌

（1.云南電網責任有限公司電力科學研究院，昆明 650217；2.重慶大學電氣工程學院，重慶 400044；3. 昆明理工大學機電工程學院，昆明 650504）

0 前言

在電力系統中，不管是對電力系統的設備運行狀態的檢測，還是在電力作業中為作業人員提供近電預警都離不開對電場的測量。目前對工頻電場的測量方法主要分為光學式的電場測量法和電學原理的電場測量法兩大類。光學式的電場傳感器有響應速度快，安全性高等優點[1]，但其感應單元所需的晶體材料比較特殊。電學原理的傳感器根據處于電場中的金屬極板會產生感應電荷的特性[2-3]，運用兩極板間引起的感應電流或感應電壓對空間的電場進行測量[4-5]，其測量單元有球形[6]、MEMS結構[7-8]、圓柱型[9]、平行板型[10-11]等。由于球型等形狀的電場傳感單元設計工藝比較復雜，加工比較困難，且空間占用大，不利于集成于便攜式電場測量設備中，在輸變電現場作業預警方面無法應用。平行板結構的電場傳感單元由于結構簡單，制作方便，體積小便于集成化而運用得較多[10-11]。限制平行板結構的電場傳感單元性能的主要因素為其不穩定的邊緣電容而引起的邊緣效應，因此，為了減小平行極板式工頻電場傳感邊緣效應對工頻電場畸變的影響，本文提出一種基于等位環結構的平行板工頻電場傳感單元，在仿真的基礎上對平行極板的直徑、極板間距以及等位寬度對畸變系統的影響，并實驗測試了這種新型結構對提高工頻電場傳感器的線性度及靈敏度的作用。

1 傳感單元測量原理

由高斯定理可知，在電場E中的金屬極板上會有感應電荷的產生，感應電荷的面密度為σ，其中ε為極板間介質的介電常數。被測電場強度的變化引起感應電荷的數量的改變，此關系可以表示為

式（1）中，Q(t)為極板的感應電荷量；E(t)為被測電場強度；S為感應極板的有效面積[12-13]。

感應單元的結構原理如圖1所示，上下極板分別與取樣電容Cs的兩端相連，極板的感應電荷在取樣電容Cs上產生的電壓信號U(t)作為輸出信號，其關系為

Cx為傳感單元固有電容，k為修正系數，其值與傳感單元的結構有關[14]，將式（1）代入式（2）為：

通過對采樣電容Cs兩端的電壓U(t)進行測量便可以得到該測量位置的電場強度[15]。式（3）建立了傳感單元輸出電壓和被檢測電場強度之間的關系，通過對傳感單元的輸出電壓信號的處理并進行運算就可以獲得電場強度的信息。

圖1 感應單元結構原理圖

2 傳感單元結構與參數設計

電場感應單元結構的設計如圖2所示，其由上極板、下極板和等位環三部分組成。由于平行板電容間存在邊緣電容，在外電場的干擾下電容邊緣電荷聚集的數量很難保證穩定，其電容不能保持穩定會給傳感器的測量帶來誤差，使傳感器的輸出不穩、靈敏度降低、輸出特性產生非線性。因此，在設計電場感應單元時為減小邊緣效應的影響，采用等位環的結構以消除兩極板間的邊緣效應。這種結構能使上極板邊緣電力線平直，上下兩個極板的電場基本均勻，而發散的邊緣電場發生在等位環外周，故不影響傳感單元兩電極間的電場，這樣以保證傳感器測量的準確性。

圖2 帶等位環的電場感應單元結構圖

電場感應單元用PCB印制電路板制作，利用一對圓銅盤作為平行板，中間的絕緣材料為環氧樹脂，這樣的制作工藝簡單，成本低，能夠保證各單元較好的一致性和穩定性。根據工頻電場測量標準（GBT12720—91），對電場感應單元的結構參數對電場強度的影響運用COMSOL仿真軟件進行建模仿真分析。在工頻電場E中分別改變電場感應單元的感應極板半徑r和間距d進行仿真，得到感應極板上的電場強度值E′max與原電場強度E進行對比，利用畸變系數γ=(E′max-E)/E表征該結構參數對原電場強度的影響程度，其仿真結果如表1、表2所示。

如圖3所示，利用感應極板上為E′=0.06E+E的電場強度等值線，確定不同半徑的傳感單元的等位環寬度k，此等位環可以排除94%的畸變電場的影響。通過仿真得到不同半徑的傳感單元的等位環的寬度，結果如表3所示，通過MATLAB曲線擬合其關系為：

表1中，不同半徑下的傳感單元的電場畸變系數變化小，說明感應極板面積的變化對感應電場強度的畸變程度的影響較小，但是為了便攜性，傳感單元選擇較小的半徑。從表2中可知，隨著感應極板間距的增加，傳感單元的電場畸變系數也增加，感應極板間距的改變直接影響感應電場強度的畸變程度，因此在設計傳感單元的感應極板間距時應盡量選擇較小的極板間距。在生產制作時，根據表3中仿真得到的數據與工廠工藝水平參數制作1.6 mm厚的PCB的傳感單元，實物如圖4所示。

圖3 傳感單元的等位環的寬度確定

圖4 傳感單元實物圖

表1 感應極板半徑r對畸變系數γ的影響

表2 感應極板間距d對畸變系數γ的影響

表3 感應極板的半徑r與等位環寬度k的關系

3 不同參數的傳感單元測試試驗

3.1 傳感單元固有電容的影響

根據（GBT12720—91）工頻電場測量標準，搭建工頻電場測試平臺。測試平臺由調壓器、高壓實驗變壓器、平行板裝置三部分組成。在平行板裝置的上層和下層之間產生單相均勻工頻電場，將沒有接采樣電容的傳感單元放在平行板裝置的中心位置。通過示波器進行讀取傳感單元的輸出信號的峰值；通過調壓器調整電場強度，并記錄變壓器的輸出電壓值；完成調壓后，讀取傳感單元的輸出值；測試完所有的傳感單元。各單元的試驗數據和擬合結果如圖5所示，其試驗結果分析如表4所示。

表4 各傳感單元測試結果分析

圖5 各傳感單元試驗結果擬合分析

從圖5可以看出各傳感單元的測量值都具有良好的線性關系，在場強超過200 kV/m后各傳感單元都還沒有達到飽和狀態，最優的5號傳感單元線性度達到1.6025%，有較大的靈敏度系數。從表4中可以看出隨著傳感單元的感應面積的增加，1到5號傳感單元的靈敏度系數不斷增大，最大達到248 mV/(kV·m-1)，而6、7號傳感單元的靈敏度下降，其原因還在研究中。

3.2 采樣電容的配置

在沒有接采樣電容的傳感單元進行了工頻電場測試試驗后，選擇性能較好的5號傳感單元連接不同的采樣電容進行測試分析。測試過程與工頻電場測試試驗相同。試驗測試結果如表5所示。

從表5中可以看出，在接不同的采樣電容的時候，傳感單元具有不同的靈敏度系數，均有一定的線性度。當采樣電容比較小時，傳感單元的靈敏度系數較大，但是其輸出信號過大，無法進行信號處理，不利于電場測量；在200 kV/m的高場強下輸出信號波形畸變嚴重，傳感單元的測量性能不佳。而在較大的采樣電容下，傳感單元的靈敏度系數變小，輸出信號也隨之減小，其輸出信號波形的畸變也較小。因此，根據試驗情況和設計需要等綜合分析，實際的采樣電容Cs值的選擇為3.3 nF。

表5 接不同采樣電容的5號單元的測試結果

4 結束語

本文利用一種新型的等位環結構解決了平板電容式電場傳感單元的感應極板存在邊緣效應的問題，且對設計制作的傳感單元進行了電場標定試驗研究，仿真及標定測試實驗結果表明：

1）在兩感應極板的間距不變時，感應極板面積的增大對極板上的電場畸變影響不大，畸變系數維持在0.9左右。在感應極板的感應面積一定時，極板間的間距對電場的畸變影響較大，隨著間距的增加，極板上電場的畸變系數也增大。

2）為屏蔽平板電容邊緣94%畸變電場的影響，等位環的寬度隨感應極板的半徑的增加而減小而趨于平穩，其關系可擬合為k=8.35r-0.3584。

3）采樣電容對平板電容傳感單元的線性度與靈敏度系數的影響不可忽略，采樣電容的增大使傳感單元的靈敏度系數減小，相對較大的采樣電容具有較好的線性度。

4）感應極板半徑為16 mm，等位環寬度為3.05 mm，極板間距是1.6 mm結構參數的5號傳感單元在采用3.3 nF的采樣電容時，其線性度可達0.3586%，靈敏度系數為30 mV/(kV·m-1)；在場強為200 kV/m時，其輸出信號的峰峰值達到6.149 V。