瞬态电场测量系统的研制与试验

李鹏程，窦小晶，何 卓，高 磊，乌鹏涛

（西北电网有限公司西安输变电运行公司，西安710075）

瞬态电场测量系统的研制与试验

李鹏程，窦小晶，何 卓，高 磊，乌鹏涛

（西北电网有限公司西安输变电运行公司，西安710075）

0 引言

电场强度是高电压技术中一个非常重要的参数。随着计算机技术的发展，很多高压电场问题都可以采用合适的算法进行计算。但在有些场合，现在的计算方法却难以应用或不适用了。随着大量电子产品在电力系统中的应用，电磁兼容问题以及人们对所生存环境周围的电磁场问题的关心，使得电场的测量成为必需。为了测量高压瞬变电场，需要研制能测量空间瞬变电场的传感器。由于光纤可以隔离高压电信号而不会引入畸变，因此，在高压电场测量中，采用光纤作为信号的传输媒体[1]。

1 空间电场测量的基本原理

电场测量系统的工作原理是利用电场探头在电场中提取信号，利用光纤传输系统将此信号无畸变地送到记录或测量设备上。球型电场探头有如下优点[2]。

1）可以很容易计算其表面电荷与电场强度的关系。

2）可以估算探头对被测电场的影响。

3）球内空间利用率高，可以把尺寸做的比较小，对电场的畸变较小。

4）球形和其他形状相比，具有较大的曲率半径，表面光滑无尖角，在其表面引起电晕的场强仅3倍于被测场强，所以比起其他型式的探头所能测量的最大场强要大些。

本文所研制的球形电场探头为电容式探头，如图1所示。

设探头中心所在的空间点为O，探头放入电场前该点的电场强度E0（无畸变场强），当把探头放入电场中点O之后，空间电场将在静电感应的作用下在两半球壳的外表面感应出电荷。设半球壳表面积为A，球表面电荷的面密度为δ，则半球壳的总表面电荷为：

可以证明，球形探头放入电场之后，探头半球壳上的表面电荷量与电场强度成正比：

其中K为比例系数。这些感应电荷将在取样电容Ck两端产生一个微小的电压：

通过测量取样电容两端的电压Uk就可以得到E0(t)，这就是电容式探头测量的基本原理。

通过推导计算[3]，得出在均匀电场中感应电压为

非均匀电场中，球形探头半径趋于0，或相比空间距离可以忽略不计时

无论在均匀场中还是在非均匀场中，采用球形探头进行电场测量时，所测空间的电场强度都与探头内取样电容两端电压成正比，因此通过测量该电压值就可以达到测量空间场强的目的。

在实际应用中，K值是通过实验标定而得到。

2 电场测量系统设计

2.1 系统技术要求及原理

由于要将测量设备置于电场中，所以所用的设备要符合空间电场的测量要求。对于空间电场的测量主要有如下技术要求。

1）该测量系统为测量操作冲击产生的空间暂态电场而设计，因此，系统的动态特性和带宽要求比较高；

2）测量时，测量系统应该尽可能小地影响被测电场的场强分布，因此探头的尺寸要尽可能的小，引起的电场畸变不会太大；

3）由于测量的是高压电场，电磁干扰严重，因此测量系统的抗干扰性能要优越；

4）高压环境下测量时，测量设备和人的安全要得到保证。

本系统采用的有源式探头由内置电源供电，使用高增益的放大器，有效地提高了测量精度和测量范围。

电场探头工作于高压侧，信号接收显示部分设备（计算机或其他接收设备）工作于低电位。为了保证低压侧人和仪器的安全，采用光纤传送设备。光纤传输系统除了可以解决高低电位隔离的问题外，还具有抗电磁干扰和抗共模干扰的特点，而且在远距离传输中，信号不会发生衰减。

所测量的电场测量系统原理图如图2所示，球形探头内的取样电容首先把场强信号转化成电压信号，调理电路把信号进行放大处理，通过设置阈值处理对雷电波、操作波进行采样和数据处理，获得所需数据，并通过光纤传输出去，用计算机上位机接收数据，并将采集得到的数据显示出来。

2.2 取样电容选择

取样电容是取样元件，采集电压信号传给下一级电路，由公式(5)可以看出，信号电压反比于取样电容的值，可见取样电容的选择对于探头的灵敏度和测量范围都起着重要作用。可以通过改变取样电容的值得到不同的灵敏度和测量范围。通过试验数据表明，取样电容在nF范围内。

2.3 高速A/D与FIFO的设计

对于雷电波而言，在上升阶段，或者对于操作波来说，如果有截波，那么就要求A/D具有很高的速度。微处理器此时已经不能与A/D采样芯片同步，因此在A/D与单片机之间需要高速数据缓存进行数据中转，以解决高速采集(A/D)与低速CPU之间的矛盾。本系统采用了IDT公司生产的先进先出存储芯片(FIFO)IDT7204，它是4k×9位的存贮芯片，具有双口输入输出、读写速度快和先进先出的特点，它的存贮时间为12ns，能满足高速数据传输的要求。本系统有源晶振选取的是20MHz，A/D采样率可达20Ms/s。采集及控制的具体电路如图3所示。

2.4 下位机软件设计

测量瞬态电场时，要事先设定一个阈值，这个阈值通常要稍大于正常工作时工频电场下在球壳两端感应的电压，这样不用传送采到的工频电场的数据。通过采样信息的比较，如果一旦采到的数据超过设定的阈值，说明出现操作波，这时候启动高速A/D的数据采集，当A/D完成采样，高速缓存全满后，启动单片机中断，执行中断响应程序，关闭A/D和FIFO的时钟电路，并将FIFO中的数据读入单片机。采集结束后把采到的数据记录下来并通过光纤传送到上位机，获得所需数据。上位机通过对数据处理和拟合，获得操作波产生的瞬态电场的波形，并且可以得到电场的峰值。数据采样流程如图4所示。

3 标定与试验

本文采用的标准电场装置，如图5所示，上下电极为金属圆盘，用3mm厚的铝板制成。电极边缘为近似的罗格夫斯基形状。采用这种结构有以下几个特点：首先，电极边缘采用罗格夫斯基形状，在一定的电极尺寸条件下获得均匀度最好的电场，减小了设备的体积，在两电极之间距离不大于电极有效直径时，电场的不均匀度将小于1%；其次，整个设备与地绝缘，能够采用对称电源，得放入电场中部的探头不受周围环境的影响；第三，电极之间的距离可调，可在有限电源电压的情况下获得更大的电场。

3.1 标定图片

进行标定的主要目的是检验所设计系统的线性度和稳定性。雷电冲击电压下标定试验的实验装置如图6所示（该雷电冲击电压发生装置产生的冲击电压是负极性的），系统标定雷电波形如图7所示，测量系统得到的波形如图8所示，系统现场应用如图9所示。

3.2 标定误差分析

探头放于平板电极下时，球外电场分布采用有限元数值分析软件ANSYS进行仿真。经过ANSYS分析计算可得到探头球外的电场分布如图10所示。由于平板电极下的电场分布呈对称分布，所以图中选取的是平板电极空间的一半。

测量时小球的引入还是令电场产生一定程度的畸变。利用标准电场发生装置进行测量探头的标定与无穷大空间下均匀场的理想情况是不同的，存在一定的误差。查阅相关资料发现，当极板间距为探头直径的20倍左右时，可以近似等效为无限大空间电场，极板间距为探头5.2倍时，测量误差小于3%[4]。本文所用的极板间距大概为探头直径的5倍左右，产生的误差在2%左右，满足测量要求。

4 结论

本文针对电场测量这一热点问题进行了研究，为了满足对瞬态电场的测量设计了一种新型的电场测量系统。

1）设计了一款有源数字式空间瞬态电场测量仪，可以通过改变采样电容和差分放大倍数，增大电场测量的适用范围和灵敏度；

2）在探头部分进行模拟信号的采集和数字化处理，采用光纤传输方式，增强了信号传输的稳定性，减小了信号的失真；

3）对所设计的测量仪进行了标定并进行现场应用，能够满足现场测量要求。

[1]卢斌先，王泽中，李成榕.500kV变电站开关操作瞬态电场测量与研究[J].中国电机工程学报，2004，24(4)：133-138.

[2]李清泉，刘健，李彦明.基于光纤的测量瞬态电场的球形传感器[J].传感器技术，2002，21(3)：14-16.

[3]解广润.高压静电场[M].上海：上海科学技术出版社，1987.

[4]王泽中，李成榕，李鹏，等.用球形三维电场探头测量变电站瞬态电场[J].华北电力大学学报，2002，29(3)：16-19.

Development and Test of Transient Electric Field Measurement System

LIPeng-cheng,DOU Xiao-jing,HE Zhuo,GAO Lei,WU Peng-tao
（Xi’an Power Transmission Operation Company,Northwest China Grid Company Limited,Xi’an 710075,Shaanxi Province,China)

This paper developed the measurement system with the MSP430microprocessors at the core,using high-speed analog-to-digital convert chips and high-speed memory.The spherical probe used in the system has the characteristics of small volume,low power-consuming,programmable,and measure scope adjustable.Test and calibration show the measurement system can satisfy the requirements of electric field measurements in power system.

transient electric field;spherical probe;electric field measurement

针对瞬态电场的测量，研制了一款以基于MSP430系列微处理器为核心，应用高速模数转化芯片与高速存储器的测量系统，所用球形探头具有体积小、功耗低、可编程和测量范围可调的特点。通过试验验证和改进，该测量系统能够满足电力系统中的电场测量要求。

瞬态电场;球形探头;电场测量

1674-3814（2010）08-0041-04

TM86

A

2010-07-27。

李鹏程（1979—），男，工程师，从事输变电运行与管理工作;

窦小晶（1981—），男，硕士，从事输变电运行与管理工作。

（编辑 冯 露）