基于電極振動式電容傳感器的高壓直流驗電裝置設計與研發

程 旭，陳 勇，裴星宇

（1.廣東電網有限責任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000；2.廣東電網有限責任公司直流配用電研究中心，廣東 珠海 519000）

1 高壓直流驗電裝置整體設計

本文設計的高壓直流驗電裝置系統由驗電主機、驗電從機以及上位機3部分組成。停電維修前，對換流站的高壓直流設備進行測試，應將測試主機安裝在可以自由伸縮的絕緣棒上進行安全防護，并將絕緣棒調整到規定的長度，然后使裝置的驗電主機靠近被測高壓帶電體，此時驗電裝置的主機和被測試的帶電體未發生直接接觸，通過這種措施來提高驗電操作的安全性。裝置驗電器主機上的電極式振動電容傳感器輸出交流電壓信號，通過信號處理變換電路計算得到有效的測量值。當主控系統判斷有高壓存在時，控制聲控報警原件發出帶有電壓的報警信號。同時，通過近場通信模塊把采集到的數據發送給驗電從機，驗電從機則同時可以得到聲音及光電報警的提示，并將測得的電壓值進行可視化顯示。主探測器和從機之間保持雙向通信[1-4]。

2 高壓直流驗電裝置驗電主機設計

高壓直流驗電裝置驗電主機結構如圖1所示，主要由傳感器及驅動電路、信號處理電路、主控制器、聲光報警單元、ZigBee無線通信單元、可伸縮絕緣桿等組成。驗電主機的硬件模塊由模擬和數字電路兩部分組成，其中數字電路主要由短距離ZigBee無線通信電路與主控制器電路組成，模擬電路則由電源電路和信號處理電路組成。

圖1 高壓直流驗電裝置驗電主機結構

驗電主機傳感器采用一種基于傳統電極振動式電容傳感器的密封式封裝結構。信號處理電路包含電壓信號調理（降壓）和信號濾波兩部分。控制部分主要選用功能資源相匹配的單片機。ZigBee無線通信模塊主要采用TI公司的CC2530芯片，該芯片集成了處理器模塊和無線通信模塊。

電極振動式電容傳感器在振動電容式傳感器結構的基礎上，采用新型金屬電極式密封封裝結構。結構部分示意如圖2所示。其中，1為暴露在高壓直流環境中的金屬探針，用于外部高壓直流電磁感應。6為與金屬探頭連接的感應電極片金屬，材質為銅箔。7為交流信號采集用的振動電極，它是一塊與6相同形狀、相同材料和面積的感應板，兩者共同構成一個動態并聯電容器。4為提供激勵信號的信號線。3為正常工作時驅動振動電極激發運動的振子，驅動信號為正弦信號激發。振動電極7采集的交流信號通過輸出信號連接8輸出。9為前端信號處理單元。2為感應電極與振動電極之間的密封間隙，用于滿足機械強度高、擊穿電壓高以及電性能穩定性好的要求。整體封裝基板采用環氧玻璃纖維板，擊穿電壓高，電氣性能穩定。

圖2 電極振動式電容傳感器封裝結構剖面圖

采用電極振動式電容傳感器使驗電裝置可以在各種惡劣的室外環境工作，有效解決了灰塵和濕度對傳感器性能的影響。振動電極與感應電極片采用相對安裝的方式，可以有效解決現有電容式傳感器在測試工作時必須相對被測物體距離近這一問題。電極型密封式封裝結構則直接避免了電離子電流對測量精度的影響，消除了傳感器的零點漂移問題，進而有效提高了傳感器的電場檢測能力[5]。同時測試人員在驗電操作時使用可伸縮式的絕緣棒驗電裝置主機直接進行驗電操作，從而保證了測試人員的人身安全。絕緣保護桿由環氧樹脂和玻璃纖維制成，能有效實現操作人員與被測高壓設備的電氣絕緣[6]。

驗電裝置主機中控制器根據采樣得到的交變電壓進行有效值計算后，與報警閾值比較，判斷系統帶電與否。裝置設定3級保護閾值，根據不同的保護閾值設定不同的報警頻率，保護電壓閾值越高，聲光報警燈閃的頻率越高。另外在告警與不告警判斷之間增加了滯環處理，防止當采樣電壓值在邊界處時存在系統在帶電與不帶電狀態之間來回切換的情況[7-10]。

驗電裝置主機控制器驗電判斷算法流程如圖3所示，其中U_alarm1為一級保護，U_alarm2為二級保護，U_alarm3為三級保護，U_alarm1＞U_alarm2＞U_alarm3。傳感器通過AD采樣測量得到的電壓值進行有效值計算得到電壓U。當U＞U_alarm1時，聲光報警發出20 Hz報警；當U_alarm1＞U＞U_alarm2時，聲光報警發出10 Hz報警；當U_alarm2＞U＞U_alarm3時，聲光報警發出5 Hz報警；當U＜U_alarm3-U0時，裝置取消聲光報警，以此實現高壓驗電功能。

圖3 驗電裝置主機控制器驗電判斷算法流程

3 高壓直流驗電裝置驗電從機設計

高壓直流驗電裝置驗電從機主要負責與主機通信，根據通信內容及時發出帶電狀態報警提示，將驗電數據傳給上位機，驗電從機結構如圖4所示，由控制電路、ZigBee無線通信模塊、顯示模塊、GPRS無線通信模塊以及聲光報警模塊組成。ZigBee無線通信模塊負責與主機通信；顯示模塊用于顯示驗電狀態及驗電裝置狀態信息（正常、故障）；聲光報警模塊可以通過聲光報警器及時表征驗電狀態；GPRS無線模塊實現從機與上位機之間的通信，各模塊通過控制電路進行連接。

圖4 高壓直流驗電裝置驗電從機結構

4 高壓直流驗電裝置通信模塊設計

目前，廣泛應用的驗電裝置一般由絕緣操作棒以及驗電裝置的本體部分組成，當驗電裝置工作時，驗電裝置的本體部分即可根據測量結果發出是否帶電的聲光報警提示。但是，驗電裝置現場環境多變，可能有相對較高的噪音或強光。當驗電裝置在高處或者距離較遠時，驗電裝置主體發出的報警信號可能會受到干擾，從而令識別報警產生影響，進而對測試產生錯誤的判斷。因此，保持驗電裝置主機與從機之間的實時雙向通信就顯得尤為重要。

本裝置采用ZigBee無線通信實現驗電主機與驗電從機的通信，裝置通信結構如圖5所示。

圖5 高壓直流驗電裝置無線通信結構

5 結 論

為解決現有的直流驗電裝置存在的驗電器聲光檢測不易觀察判斷導致存在誤判可能、適應惡劣天氣能力不佳以及傳感器測量存在零漂等問題，本文設計了一種基于電極振動式電容傳感器的高壓直流驗電裝置，驗電裝置驗電時，驗電頭和被測量的帶電物體保持一定的安全距離。裝置驗電器主機上的電極式振動電容傳感器輸出交流電壓信號，通過信號處理變換電路計算得到有效的測量值。當主控系統判斷有高壓存在時，控制聲控報警原件發出帶有電壓的報警信號。同時，通過近場通信模塊把采集到的數據發送給驗電從機，驗電從機則同時可以得到聲音及光電報警的提示，并將測得的電壓值進行可視化顯示。本裝置不僅可以判斷是否帶電，還能夠量化其大小，判斷被測設備是否帶電，同時還可以得到被測試高壓帶電設備的具體電壓等級，從而使測試人員得到的測試結果更加準確。采用非接觸式驗電，有效防止運檢人員誤操作引起的觸電危險，保護驗電系統和操作人員的安全。

他將節足拿至眼前，望了望整齊平滑的切口，心中既痛且惱，道：“天葬刀，果然名不虛傳！小生今天，倒要好好討教一二！”言罷，身軀猛地彈起，節足大展，朝著天葬師撲下。