面向臨電預(yù)警的多電極電場矢量傳感器系統(tǒng)設(shè)計與試驗

杜肖，謝青洋，和學(xué)豪

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

電力行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)能源產(chǎn)業(yè)，為保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定的運行，電力工作人員需要定期對帶電設(shè)備、輸電線進(jìn)行監(jiān)測及維護(hù)[1-2]。然而電力工程臨近帶電作業(yè)施工現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，施工機(jī)械與帶電設(shè)備及導(dǎo)線的距離難以測量，操作人員作業(yè)時稍有疏忽便有可能致使機(jī)械與帶電體安全距離過小，導(dǎo)致事故發(fā)生，因此臨電預(yù)警技術(shù)對于保障電力工作人員人身安全起到至關(guān)重要的作用。

傳統(tǒng)的電力現(xiàn)場安全預(yù)警方法主要是基于測距的危險預(yù)警技術(shù)[3]。文獻(xiàn)[4]基于有限元法建立了一套可移動機(jī)械器具帶電作業(yè)的三維有限元模型，實測最小安全距離，對預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了驗證。文獻(xiàn)[5]通過三維模擬電荷法，建立了人員進(jìn)入交直流并行線路的體表混合電場計算模型，準(zhǔn)確預(yù)測了高壓輸電線路帶電作業(yè)電場環(huán)境。文獻(xiàn)[6]提出了基于毫米波雷達(dá)與視覺融合的輸電線預(yù)警算法，讓輸電預(yù)警裝置可測量機(jī)械裝置與輸電線路的距離，以實現(xiàn)臨電預(yù)警。然而現(xiàn)有預(yù)警技術(shù)均存在精度不夠、適用范圍窄等問題。近年來，電場測量技術(shù)的飛速發(fā)展且安全性愈加受重視，電場傳感器精度要求逐漸提高、使用環(huán)境愈加復(fù)雜，同時兼顧成本低、抵抗力強(qiáng)等需求[7-9]。隨著測量裝置的發(fā)展，將精密電場傳感器與穿戴領(lǐng)域結(jié)合，開發(fā)多應(yīng)用場合精密臨電預(yù)警安全帽，更大程度保護(hù)電力從業(yè)人員安全，受到行業(yè)關(guān)注。

臨電預(yù)警安全帽使用頻率高，要求功能可靠、功耗低。由于現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境電場來源組成復(fù)雜，目前標(biāo)量電場測量方式不能包含電場方向特征信息，使得測量精度受限。同時，傳統(tǒng)的電壓測量技術(shù)雖能在傳統(tǒng)電壓測量技術(shù)在一定頻率范圍內(nèi)具有較為穩(wěn)定的信號輸出，但往往受限于設(shè)備體積、昂貴造價、安裝環(huán)境等缺陷，難以實現(xiàn)廣泛的應(yīng)用[10-11]。因此本文基于多維立體層面電場耦合計算原理，獲得極板輸出與場源間的關(guān)系，提出一種實現(xiàn)極高精度多場合矢量電信號采集處理的全對稱弧面矢量電場傳感器，搭建完善的電場測量系統(tǒng)，以滿足臨電預(yù)警安全帽的實際生產(chǎn)需求。

1 電場耦合感應(yīng)原理

電場具有方向特性，任意測點任意時刻的電場E的方向為其正電荷qt所受合力F的方向，即：

由于無法直接定義測點位置處電場方向的特性，因此，如何在標(biāo)量電場基礎(chǔ)上，增加矢量信號采集與分析能力，是構(gòu)建完全意義矢量電場傳感器的關(guān)鍵。單導(dǎo)體電場與電勢的耦合感應(yīng)模型可表示如下：

2 多電極矢量電場傳感器設(shè)計

2.1 三維矢量電場計算原理

電力工作人員周圍的電場分布可以堪稱多維方向電場分量的合成，即E=E1+E2+E3+…+En。為了方便信號合成與方向判斷，各矢量電場敏感電極需呈現(xiàn)完全對稱分布，即各對位極板的立體角間隔為θ=4π/n。因此，電場傳感器設(shè)計需要滿足以下幾點要求：

①單維感應(yīng)極板能夠充分感應(yīng)各方向維度的電場分量；

②多維矢量感應(yīng)模塊對空間電場實現(xiàn)全覆蓋感應(yīng)；

③可實現(xiàn)矢量信號同步采集與合成。

基于上述考慮，本文設(shè)計了一種全對稱弧面結(jié)構(gòu)的電場傳感器，如圖1所示。

圖1 全對稱弧面場矢量傳感器結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的全對稱弧面?zhèn)鞲衅骺蓪崿F(xiàn)球形整體在正交坐標(biāo)體系下的等面積劃分，記Csi+Cdi=Ci(i=1－n)為單個極板對地雜散電容與對導(dǎo)線分布電容之和，以對位極板S1－S2為例，x方向的信號輸出傳遞式如式（3）所示：

式中Cm1、Cm2分別為正交對位極板S1－S2的互電容大小；C1、C2為S1、S2極板對地雜散電容與對導(dǎo)線分布電容之和；Cd1為第一極板與電勢源導(dǎo)體構(gòu)成的分布電容；Rm為輸出阻抗。

最終x方向上的信號輸出比例系數(shù)由C1、Cd1、C2、Cd2共同決定，一旦傳感器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)確定下來，經(jīng)過現(xiàn)場標(biāo)定過后其比例系數(shù)便可以確定Hx。同理可求得Hy和Hz，Hx、Hy、Hz為傳感器的差動輸出矩陣函數(shù)項。根據(jù)式（4），可求得電場分量Es1-s2、Es3-s4、Es5-s6，由此可得到場源各個方向上的電場信號分量大小：

通過式（5）～（9）式即可計算到測點位置處的矢量電場信息。

式中，β表示傳感器角度偏轉(zhuǎn)角。

將各電極獲取的信號，通過比較器等放大電路實現(xiàn)電場信號合成，形成新的信號累積陣列，實現(xiàn)多維電場信號的矢量集成處理。

2.2 三維矢量電場信號集成處理技術(shù)

多電極的輸出顯著提高了信號處理的復(fù)雜度，通過差分放大、比較、累加以及矢量合成來實現(xiàn)信號采集，對各分量進(jìn)行分層求解，可以實現(xiàn)所設(shè)計傳感器的分級處理，如圖2所示。首先，根據(jù)傳感器各極板的初始感應(yīng)信號S1－Sn，提取對位電極組對應(yīng)的矢量信號分量，通過差分放大電路，得到多組差分電場信號US1－S2(t)－US(n-1)-Sn(t)；隨后，通過比較器等放大電路實現(xiàn)電場信號合成，形成新的信號累積陣列；最后，逐層對相鄰電場進(jìn)行矢量求和，逐級累積放大比較，實現(xiàn)多維電場信號的矢量集成處理。

圖2 多維差分電場耦合信號處理流程

設(shè)傳感器具有n對信號輸出，隨著信號處理層數(shù)的增加，等效電極維數(shù)將減少，可得到傳感器的集中處理信號，作為最終輸出信號比較器輸出或者反饋回前端電路達(dá)到平衡時有：

式（10）與式（11）給出了傳感器的矢量特征信息，通過上述方法可實現(xiàn)對所設(shè)計的電傳感器電場信號逐級處理，從而消除全對稱弧面?zhèn)鞲衅鳈z測信號的位置誤差，同時使得傳感器的矢量特征信息更加精細(xì)。

3 傳感器系統(tǒng)與實驗平臺設(shè)計

根據(jù)所測量傳感器的測試需要，為保證高精度、寬頻帶信號采集與處理需求，需對傳感器系統(tǒng)進(jìn)行針對性設(shè)計，實現(xiàn)針對復(fù)雜空間電場信號的采集、處理、通信等功能。

硬件處理電路部分主要由非侵入式矢量電場感應(yīng)探頭、信號采集單元、中心處理單元、無線通信模塊構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 矢量電場測量傳感平臺裝置

傳感器探頭采集到電場矢量信號后，傳遞到中心處理單元。中心處理單元是矢量電場測量傳感平臺裝置的核心，包括了信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)處理單元及供能單元。信號調(diào)理單元對信號實現(xiàn)電平抬升、緩沖跟隨、AD轉(zhuǎn)換等功能；FPGA和STM32作為數(shù)據(jù)處理與控制核心，主要對采樣觸發(fā)環(huán)節(jié)、緩沖跟隨、AD轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制。此外，通過通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速發(fā)送，而供能模塊則為上述模塊的協(xié)同運行提供電源支持。

實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，需要匹配對應(yīng)的硬件程序和上位機(jī)程序。因此面向電場測試數(shù)據(jù)量需要，結(jié)合一些平臺，完成對FPGA軟件端設(shè)計、微控器軟件端設(shè)計、通信協(xié)議設(shè)計、上位機(jī)解析軟件設(shè)計，總體系統(tǒng)程序邏輯如圖4所示。

圖4 電場監(jiān)測系統(tǒng)整體框架

在整體設(shè)計框架中，F(xiàn)PGA端軟件負(fù)責(zé)變頻采樣控制、實時數(shù)據(jù)存儲及板間數(shù)據(jù)通信功能，CPU微控制器端軟件主要實現(xiàn)信號采樣、板間數(shù)據(jù)通信、驅(qū)動無線通信、觸發(fā)電平感知、參考電平輸出功能。

4 實驗論證

為檢驗電場傳感器測試系統(tǒng)的實際測量性能，搭設(shè)三相模擬輸電線路。三相輸電線路平臺搭建使用導(dǎo)線銅柱長為2 m，直徑為6 mm，高度為2.5 m，導(dǎo)線線間距為1 m，傳感器裝設(shè)高度在0.5～2.5 m范圍內(nèi)可調(diào)。將調(diào)壓器、變壓器、沖擊浪涌發(fā)生器進(jìn)行配合，通過衰減比為1000:1的高壓探頭TekP6150顯示實時激勵。同時各極板連接線為SMA(Sub Miniature version A)同軸電纜。分別開展穩(wěn)態(tài)測試、暫態(tài)測試檢驗傳感器的輸出特性以檢驗電場傳感器的靈敏度、動態(tài)響應(yīng)范圍。現(xiàn)場測試圖如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場測試圖

4.1 穩(wěn)態(tài)測試

通過調(diào)壓器在0～20 kV電壓有效值范圍內(nèi)按1 kV步進(jìn)電壓施加激勵，并在各電壓等級下完成多次重復(fù)測試。

由于傳感器為三通道信號輸出，且傳感器三對位極板輸出代表中心測點處的三維電場分量。因此采用同一測點分步測量法，分別以標(biāo)準(zhǔn)電場感應(yīng)探頭以及矢量電場感應(yīng)探頭作為信號輸入。計x、y、z方向上的電壓輸出分別為US1－S2，US3－S4，US5－S6。穩(wěn)態(tài)實驗檢驗傳感器三維電場與電源的輸入輸出關(guān)系，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 線性度測試結(jié)果

其中Uexc為激勵電壓、Uvec為標(biāo)量電壓、Esca為矢量合成場強(qiáng)。研究三者之間的線性度關(guān)系，得到如式（12）和式（13）的表達(dá)式：

其中，Esca的單位為V/m，式中系數(shù)常數(shù)項及其標(biāo)準(zhǔn)偏差均為單位為km-1。式中，Uvec單位為V。從線性擬合結(jié)果可以看出，無論是x、y、z各方向電場分量還是合成電場，均與實際電場源有著較好的一致性響應(yīng)。傳感器的動態(tài)響應(yīng)范圍為14.2 kV/cm，靈敏度大小為7.860 mV/(kV/cm)。

4.2 暫態(tài)測試

傳感器暫態(tài)測試由沖擊浪涌發(fā)生器作為試驗電源，設(shè)置峰-峰值Vpp在0～12 kV內(nèi)，施加1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)過電壓測試波形。實驗?zāi)康臑闄z驗高頻情況下傳感器的信號跟隨性能。設(shè)置多段頻率信號，得到如圖7所示的幅頻響應(yīng)情況。

圖7 傳感器高頻動態(tài)響應(yīng)情況

從測試結(jié)果可以看出，所設(shè)計的全對稱弧面?zhèn)鞲衅骶哂休^好的跟隨性。通過與TekP6150進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)比對可以發(fā)現(xiàn)，三維電場分量信號相比標(biāo)準(zhǔn)源信號的延時小于0.56 μs。

在不同頻段激勵源下，所設(shè)計的傳感器增益偏差均小于3 dB，能保證MHz級別的寬頻帶穩(wěn)定輸出。這將滿足臨電預(yù)警實踐中，對于場強(qiáng)檢測的寬頻帶需求。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種全對稱弧面矢量電場傳感器，可作為多應(yīng)用場合精密臨電預(yù)警安全帽的電場測量探頭。該傳感器基于電場耦合計算原理，實現(xiàn)多維電場的矢量計算。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的傳感器的動態(tài)響應(yīng)范圍能夠達(dá)到14.2 kV/cm，靈敏度大小為7.860 mV/(kV/cm)，同時具有MHz級別的寬頻帶信號穩(wěn)定采集能力。能夠滿足臨電預(yù)警中對復(fù)雜環(huán)境場強(qiáng)精密檢測的需求。在后續(xù)工作中，將結(jié)合穿戴領(lǐng)域知識考慮所設(shè)計的電場傳感器在安全帽上的組裝工藝設(shè)計及集成應(yīng)用結(jié)構(gòu)，以完成多場合高精度臨電預(yù)警安全帽的制備。