非接觸式電壓傳感器電極仿真分析*

張 偉，李曉建，梁軍生,2※

（1.大連理工大學(xué)遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116023；2.大連理工大學(xué)精密與特種加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116023）

0 引言

電壓測量應(yīng)用范圍廣泛，在電能計(jì)量、繼電保護(hù)、過電壓在線監(jiān)測以及智能設(shè)備控制等領(lǐng)域都有著重要影響[1]。為了實(shí)現(xiàn)電壓測量的電氣隔離，使電壓測量更為安全，線路電壓的非接觸測量最早應(yīng)用在高壓輸電線路上。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，對(duì)電壓測量的要求也越來越高。為了減小電壓測量對(duì)被測量系統(tǒng)的影響，很多中低壓環(huán)境開始使用非接觸的方式測量電壓信號(hào)，因而非接觸式電壓測量成為電壓測量發(fā)展的側(cè)重點(diǎn)，測量精度、響應(yīng)時(shí)間、安裝便捷程度、絕緣程度等方面的要求也不斷提高[2-6]。

目前在電力系統(tǒng)中，電壓測量主要采用電壓互感器，最主要原因?yàn)閭鹘y(tǒng)電壓互感器實(shí)現(xiàn)了高壓線路與測量線路的電氣隔離。傳統(tǒng)的電壓互感器為了實(shí)現(xiàn)電氣隔離，設(shè)計(jì)的體積較大，安裝困難，然而中低壓線路測量條件更為苛刻，測量要求也傾向于小型、便捷、數(shù)字化、智慧化。

近年來，電壓非接觸測量的研究取得了很多成果，王永強(qiáng)等[7]基于電容耦合原理，通過改進(jìn)前置電路，提高了輸入阻抗，從而使電壓信號(hào)測量相當(dāng)于理想電壓表，并實(shí)現(xiàn)了電器隔離測量物體表面電壓。李文寶等[8]根據(jù)傳統(tǒng)電容耦合式非接觸電壓傳感器原理，設(shè)計(jì)了拓?fù)渥儞Q的電場后耦合式電壓傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)線路電壓較為準(zhǔn)確的測量，能夠在瞬時(shí)下復(fù)現(xiàn)線路電壓波形。劉飛揚(yáng)等[9]對(duì)不同形狀以及不同材料的電容極板進(jìn)行了模擬分析，選擇出合適的耦合電極模型。但是上述成果并未提出一種穩(wěn)定抗干擾的前端電極結(jié)構(gòu)。

為此，本文提出了一種雙層屏蔽電極結(jié)構(gòu)，通過多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics對(duì)提出的新型電極進(jìn)行了建模仿真分析，選擇適用于線路電壓的新型感應(yīng)電極結(jié)構(gòu)，從而為設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的非接觸電壓傳感器提供了理論依據(jù)。

1 非接觸式電壓測量原理

傳統(tǒng)的電壓接觸式測量方法一般為將測量回路接入待測回路中，直接采集信號(hào)，與傳統(tǒng)方法不同的是非接觸式電壓傳感器原理為選用金屬板與待測電線耦合，在極板處成耦合電容，采集耦合極板上的感應(yīng)電壓信號(hào)。電壓非接觸測量原理如圖1所示。

圖1 電壓非接觸測量原理

測量回路與待測信號(hào)源之間通過傳感器感應(yīng)電極耦合，通過設(shè)計(jì)高阻抗的信號(hào)采集回路來采集耦合極板上微弱的感應(yīng)電壓信號(hào)。當(dāng)信號(hào)源回路的電壓信號(hào)為U，采樣電阻兩端采集到的電壓信號(hào)為Uo，則有：

式中：C1為耦合電容；C2為分壓電容；R為采樣電阻；A為后續(xù)采樣處理電路放大倍數(shù)。

當(dāng)測量系統(tǒng)采樣處理電路的等效輸入阻抗很大時(shí)，耦合阻抗可以忽略不計(jì)，測量系統(tǒng)輸出電壓與信號(hào)源電壓成正比，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)源的非接觸測量。

本文提出了一種更為穩(wěn)定的電極耦合方法，如圖2所示，用雙層極板與信號(hào)源形成耦合，外層極板接地形成屏蔽層并與內(nèi)層極板形成分壓電容，代替原有方案中感應(yīng)電極與地面的雜散耦合電容，讓系統(tǒng)前端電極與信號(hào)源的耦合更為穩(wěn)定。

圖2 雙層電極板結(jié)構(gòu)

2 感應(yīng)極板的模擬對(duì)比分析

2.1 通電長直導(dǎo)線仿真分析

對(duì)于線路電壓非接觸測量系統(tǒng)，前端感應(yīng)極板與信號(hào)源穩(wěn)定耦合是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。劉飛揚(yáng)等[9]中對(duì)方形、圓形以及套筒型極板進(jìn)行了模擬分析，并確定了單層圓筒極板作為最終選擇。但是單層極板耦合當(dāng)收到外界其他信號(hào)源干擾時(shí)就會(huì)變得不穩(wěn)定。為了證明雙層極板電極的耦合穩(wěn)定性，利用多物理場耦合軟件COMSOL Multiphysics，建立了不同結(jié)構(gòu)的電容極板模型，并添加了干擾信號(hào)源進(jìn)行對(duì)比仿真。首先進(jìn)行了單一通電長直導(dǎo)線與兩條通電長直導(dǎo)線周圍電場分布的模擬對(duì)比。導(dǎo)線均為220 V通電導(dǎo)線。導(dǎo)線橫截面以及軸向截面電場分布如圖3所示，可以看出，單一通電長直導(dǎo)線周圍電場分布為強(qiáng)度向周圍逐漸減小。當(dāng)存在其他信號(hào)源時(shí)會(huì)引起單一長直導(dǎo)線周圍電場分布變化，電場變化隨干擾源位置的不同而變化。

圖3 單一導(dǎo)線與雙長直導(dǎo)線徑向截面電場云圖

2.2 單層電極仿真分析

對(duì)線路電壓進(jìn)行測量時(shí)，周圍難免會(huì)存在其他干擾信號(hào)源，因此感應(yīng)極板與帶測量線路耦合的穩(wěn)定性以及抗干擾程度成為非接觸測量系統(tǒng)準(zhǔn)確穩(wěn)定測量的關(guān)鍵因素。為對(duì)比分析各種類型極板的抗干擾程度與穩(wěn)定性。本文建立了材料為銅、直徑為1.8 mm、長度為300 mm的通電導(dǎo)線模型，分別放置了圓形以及圓筒形極板進(jìn)行模擬，考慮到安裝空間的限制，選用圓形極板半徑為10 mm，厚度為0.1 mm，距離通電導(dǎo)線10 mm，導(dǎo)線投影過圓心。圓筒電容極板內(nèi)徑10 mm，厚度為0.1 mm，通電導(dǎo)線位于圓筒極板圓心處。為了分析單層極板與導(dǎo)線耦合穩(wěn)定程度，在距離信號(hào)源導(dǎo)線40 mm處添加了另一條帶電長直導(dǎo)線作為干擾信號(hào)源。

通過仿真對(duì)比分析，導(dǎo)線為220 V通電長直導(dǎo)線，仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出單層電容極板耦合時(shí)，圓形極板在與導(dǎo)線平行的直徑處獲得最大電勢，并在垂直方向上逐漸減小。由于圓筒形極板在垂直于通電導(dǎo)線的切面與導(dǎo)線等距，因此在該切面上獲得相同的電勢，且感應(yīng)電勢在圓筒形電極軸向的變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于平板電極和圓板電極。所以對(duì)于單層極板耦合，圓筒形電極板可以獲得相對(duì)更穩(wěn)定的耦合電容。除此之外，從圖中可以看出當(dāng)感應(yīng)電極周圍存在其他干擾信號(hào)源時(shí)，無論是圓形極板還是圓筒形極板都會(huì)受到干擾信號(hào)源的嚴(yán)重影響，導(dǎo)致與待測信號(hào)源耦合出現(xiàn)偏差，影響測量結(jié)果的穩(wěn)定性。

圖4 單層極板對(duì)比仿真云圖

2.3 屏蔽電極仿真分析

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，提高前端感應(yīng)電極對(duì)干擾信號(hào)的抵抗程度是提高測量系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要一環(huán)。因此提出了雙層圓筒形電極結(jié)構(gòu)，外層接地作為屏蔽層，并與內(nèi)層電極形成分壓電容，內(nèi)層電極與導(dǎo)線耦合具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)層電極與通電導(dǎo)線耦合電容C1與雙層電極的電容C2分別為：

式中：ε為內(nèi)層電極與內(nèi)部導(dǎo)體之間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；l為內(nèi)層極板長度；Ra為導(dǎo)體截面半徑；Rb為內(nèi)層電極板內(nèi)徑；Rc為外層屏蔽電極板內(nèi)徑。

則耦合電容與分壓電容均可定量計(jì)算，提高了設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。

2.3.1 單層屏蔽電極仿真分析

為分析屏蔽層電極結(jié)構(gòu)內(nèi)部感應(yīng)電勢的穩(wěn)定性，對(duì)其進(jìn)行了干擾模擬分析，并對(duì)比了屏蔽層不同長度對(duì)內(nèi)層電極耦合的影響，內(nèi)層電極模型如圖5所示，設(shè)置電極長度為70 mm，電極內(nèi)徑10 mm，設(shè)置為接地，導(dǎo)線為220 V通電導(dǎo)線，并在距信號(hào)源導(dǎo)線中心40 mm處設(shè)置干擾信號(hào)源（220 V導(dǎo)線）。

圖5 接地電極仿真云圖

從仿真結(jié)果可以看出接地電極與信號(hào)源導(dǎo)體之間的電勢在導(dǎo)體徑向上逐漸減小，等值線變得密集，且當(dāng)外部存在干擾信號(hào)時(shí)，極板外部電場變化很大，但接地電極與信號(hào)源導(dǎo)體之間的電場不受外部干擾信號(hào)的影響，電場分布與無干擾信號(hào)時(shí)一致性較好。

2.3.2 雙層電極仿真分析

接地電極內(nèi)部電勢穩(wěn)定且在存在外部干擾信號(hào)的情況下能保持穩(wěn)定，因此把感應(yīng)電極放置在接地屏蔽層內(nèi)部，使其耦合不受外部干擾源的影響，從而使感應(yīng)電極上的信號(hào)穩(wěn)定抗干擾，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖7所示。設(shè)置內(nèi)層感應(yīng)電極內(nèi)徑2 mm，長度為50 mm，分別設(shè)置內(nèi)徑5 mm，長度50 mm和70 mm外層接地屏蔽電極進(jìn)行對(duì)比，信號(hào)源導(dǎo)線放置在內(nèi)層電極中心，干擾信號(hào)導(dǎo)線距離信號(hào)源導(dǎo)線40 mm。

圖6 屏蔽電極仿真分析

圖7 所示為感應(yīng)電極軸向電壓變化，可以看出，屏蔽電極和內(nèi)層感應(yīng)電極等長時(shí)，在內(nèi)層電極邊緣處出現(xiàn)較大的電勢差，耦合不穩(wěn)定。當(dāng)屏蔽層電極為70 mm時(shí)，可以看出內(nèi)層感應(yīng)電極上電勢差較小，且感應(yīng)電極板上電勢不受外部干擾影響。

圖7 感應(yīng)電極軸向電壓變化曲線

2.3.3 雙層電極填充仿真分析

非接觸電壓測量系統(tǒng)電極的安裝支撐也是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，對(duì)70 mm電極內(nèi)部空氣域采用PVC材料填充支撐，并進(jìn)行仿真分析，模型及仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 PVC填充電極仿真

3 實(shí)驗(yàn)測試分析

3.1 感應(yīng)信號(hào)采集

根據(jù)仿真分析結(jié)果，設(shè)計(jì)制作了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的銅電極以及測量回路如圖9所示，利用精密變阻箱模擬接觸電阻變化，采用大阻值精密電阻對(duì)電阻兩端感應(yīng)電壓進(jìn)行采樣，利用六位半數(shù)字萬用表進(jìn)行感應(yīng)信號(hào)的采集存儲(chǔ)。

3.2 信號(hào)處理及分析

將六位半數(shù)字萬用表采集到的電壓信號(hào)存儲(chǔ)至上位機(jī)，并進(jìn)行濾波降噪處理，結(jié)果如圖10所示。可以看出，處理后的感應(yīng)信號(hào)隨接觸電阻變化線性度較好，且50 Hz感應(yīng)信號(hào)輸出穩(wěn)定，可以看出采用的雙層屏蔽電極結(jié)構(gòu)能有效地采集到隨接觸電阻變化的感應(yīng)電壓信號(hào)。

圖10 處理后感應(yīng)信號(hào)

4 結(jié)束語

本文介紹了運(yùn)用電容耦合原理對(duì)線路電壓進(jìn)行非接觸式測量的原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為了能獲得穩(wěn)定抗干擾的感應(yīng)電極結(jié)構(gòu)，利用仿真軟件COMSOL Multiphysics對(duì)不同形狀電極板進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)圓筒形電容極板耦合更為穩(wěn)定，并提出在圓筒形電極基礎(chǔ)上添加屏蔽層電極結(jié)構(gòu)，用兩極板的耦合電容代替雜散電容，使電容可定量計(jì)算，增強(qiáng)了感應(yīng)電極的抗干擾能力；將屏蔽電極內(nèi)部采用PVC材料填充，對(duì)耦合無影響且有利于電極的定位安裝。對(duì)于雙層屏蔽電極進(jìn)行了實(shí)物制作并測試，結(jié)果證明該電極可以有效地反應(yīng)線路電壓信號(hào)，證實(shí)了該電極結(jié)構(gòu)的可行性。為線路電壓測量系統(tǒng)前端的感應(yīng)電極設(shè)計(jì)提供了重要參考。