电容式交变电场传感器与工频电场检测试验研究*

汪金刚，林 伟，李 健，毛长斌，何 为，王 平

(1.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044;2.重庆电力试验研究所，重庆401123;3.重庆电力公司北碚供电局，重庆400700)

0 引言

在电力工业中，精确地测量电力设备周围空间电场与变化，对电力设备的设计制造和安全运行有重要的意义，如高压电力设备的绝缘结构优化;并且随着电压等级的提高，不仅输变电设备本身的电场分布成为研究的热点，电力系统电磁兼容问题也引起人们重视，对其进行研究也需要电场测量。同时，除电力系统电磁兼容问题外，很多其他领域也存在电磁兼容问题，都需要对工频电场进行测量［1，2］。

关于电场测量有很多方法，电荷法是通过对小球在电场中捕获的电荷来计算电场，具有很大的局限性［3］。文献［4，5］分别采用压电陶瓷和压电石英感知电场大小，实现了对工频电压的测量。已有的产品能够实现空间电场的准确测量，但结构复杂，价格昂贵，难以大面积推广使用。采用电容式交变电场传感器设计的电场检测装置，结构简单，测量准确，成本低廉，实用性强，在场强较高的情况下，实现准确测量，用于变电站间隔电场测量，线路、配电房等电场警示，带电作业防止误闯带电区域警示。

1 交变电场传感器原理

处于交变电场中的传感器，在其表面会产生感应电荷，在传感器的电极间接入测量电容器后，电容器上产生的电压便可作为测量信号［6，7］。

一维球型传感器的结构如图1所示，将一中空的金属球壳分成两部分，通过绝缘物质将其连接在一起，就构成了电容传感器;分隔后的上半球面和下半球面为传感器的2个电极。

图1 球型传感器结构示意图Fig 1 Spherical sensor

球型传感器放入电场后，球壳上的表面电荷量与球心处的电场强度E0(t)成正比

其中，K为比例系数。这些感应电荷将在取样电容CM上产生一个微小的电压为

将式(1)代入式(2)可得

通过测量取样电容上的电压UM(t)就可以得到E0(t)，这就是电容式传感器测量的基本原理［1］。

若在传感器的2个电极间接入测量电容CM，由式(2)可知，在均匀电场中该测量电容上的电压UM1(t)

在实际设计当中，盒型、平行板结构交变电场传感器制作简单，运用的较多。据文献［7～9］，对矩形结构可近似地将其最大对角线长度的一半作为其等效半径。在均匀场下标定的这些结构的电场传感器，在同样条件下，与球型传感器一样，用于测量非均匀电场时的误差仍然很低，只从球型结构的1%增加到不足2%。

2 电场测量装置设计

2.1 硬件设计

采用交变电磁场传感器来检测高压工频电场，系统工作场合为高压输电线附近或变电站内，这些场所电磁环境复杂，条件恶劣，因此，对系统的抗干扰性要求高。另外，测量装置应尽量减小对被测电场的场强分布的干扰。为了满足高压工频电场测量的需要，设计了高压工频电场测量装置，型号为EM1。装置以C8051F020单片机为信号处理和控制核心，由传感器、测量电路、单片机综合分析电路、输出电路四部分组成，系统的原理框图如图2所示。

图2 系统原理框图Fig 2 Principle diagram of system

交变电场传感器将电场信号转换成与待测电场相对应的电压信号，然后，测量电路对电压信号进行滤波放大和信号调理;调理后的信号送入单片机进行A/D转换，A/D转换得到的数据根据推导计算公式进行综合处理，获得电场实测值，由单片机控制输出电路将待测电场值进行液晶显示，并结合GB 16203—1996配置了声光报警系统。

2.2 软件设计

工频电场测量系统的工作流程如图3，开机后，系统进行初始化，对各个工作单元进行自检;然后，单片机片内的A/D转换单元根据定时器的控制开始对信号处理，单元输出的电压信号进行A/D转换;转换结束后，对数据序列进行滑动平均滤波处理，并进行进一步均值处理计算，得到单位时间的平均场强和该时间内的最大、最小值。计算平均场强的单位时间可以预设，一般为30 s。获得场强值后，由LED显示电路显示结果，同时结合国家标准进行场强警示。

图3 主程序流程Fig 3 Flow chart of main program

3 传感器固有电容选择与线性度分析

3.1 电容选择原则

当传感器的几何结构确定之后，其固有电容值Cx也随之确定，接入测量电容CM后，系统测量既可以取CM两端的电压，也可取电流信号。忽略取样电容、传感器固有电容的电阻与信号处理回路的影响，可以得到测量回路的戴维南等效电路如图4所示。

图4 测量回路的戴维南等效电路Fig 4 Therenin equivalent circuit of measuring module

图4中，针对取电压信号的处理电路，考虑传感器固有电容Cx的影响，对式(3)进行修正。等效电压源US(t)与传感器固有电容值及在电场中的感应电荷量相关

考虑传感器固有电容Cx的影响时，均匀场中测量电容器两端电压为

由式(5)可以看出:传感器的固有电容Cx越大，对测量电路的影响越大。因此，要获得符合信号处理电路要求的取样电压值UM(t)，应对传感器固有电容的大小进行分析，才能正确选择取样电容。文献［1］所采用的半径为3 cm，绝缘板的厚度为2 mm的球型探头，经计算可得其探头的固有电容为2.3 pF。经过计算，本设计的传感器本身的固有电容为10 pF。取样电容为纳法级，远大于传感器的固有电容，因此，可以近似忽略传感器固有电容对测量电压的影响。

3.2 不同CM时线性度分析

电场测量装置设计好后，利用其进行传感器测量电容CM的进一步确定，使得装置在要求测量场强范围内，具有良好的线性度。

PMM8053A电磁场测量仪具有很高的准确度，在50 Hz，1 kV/m时的相对误差为±0.5 dB。采用PMM8053A电磁场测量仪测出选定点的标准电场强度值;然后，依次在本文设计的高压工频电场测量系统(EM1)传感器两端并联不同的测量电容，在选定点进行测量，分别读取测量值，结果如图5。测量过程中应注意使EM1工频电场测量系统的传感器高度与PMM8053A电磁场测量仪测量时的高度保持一致，固定为1.5m;在读数过程当中，应尽量避免人体邻近效应对电场的干扰。

图5 不同CM下测量数据的线性度对比Fig 5 Linearity comparison of measured data between different CM

从图3可以看出:在不同测量电容下，传感器具有一定的线性度。

当CM值为零时，测量线性度较好，但传感器输出信号过大，不利于测量。当CM值较小时，对低场强具有较好的测量性能，而对电场强度较大时性能不佳;相反，当CM值较大时，在场强较大时有较好的测量性能，场强低的位置的测量结果为零，无法分辨。因此，根据试验情况和设计需要等综合分析，实际CM值的选择为20 nF。

4 高压电场测量试验研究

以PMM8053A电磁场测量仪的测试数据为标准，检验了EM1系统的电场测量性能，主要包括:

1)对系统校正后，在陈家桥变电站500 kV输电线下进行了电场对比测量。试验环境:晴天，温度为25℃，湿度为69%RH，传感器高度为1.5 m;

2)在河南500 kV祥符变电站220 kV开关间隔进行了试验，检验校正后的系统测量效果。试验环境:晴天，温度为18℃，湿度为34%RH，传感器高度为1.5 m。

图6为500 kV输电线电场测量数据对比，图7是220 kV开关间隔的电场测量数据对比。

图6 500 kV输电线电场测量数据对比图Fig 6 Comparison chart of the measured data on 500 kV transmission line

图7 220 k V开关间隔的电场测量对比Fig 7 Comparison chart of the electric field measuring in 220kV switch yard

1)从数据折线图走势来看，两者基本一致，表明EM1在强电场环境中能准确测量电场。

2)EM1的测试数据与作为参照的PMM8053A电磁场测量仪的测试数据相关度很好，平均误差小于5%;在电场较低时，仍然有一定的误差，最大误差为11.2%。

5 结论

研究了电容式电场传感器测量原理，根据测量需要和线性度分析设计了电容式交变电场传感器，使用该传感器进行了电场测量装置的研究。在500 kV输电线路和220 kV开关间隔下进行了高压工频电场测量试验，结果表明:在较高电场(＞1 kV/m)区域，EM1装置测量结果具有较好的线性度和准确度，可以用来作为电场环境监测预警、电力检修时走错间隔预警。

［1］蒋国雄，杨建中.工频电场测量和一种新型探头的研究［J］.高电压技术，1985，11(4):1－5.

［2］Meek JM.Measurement of electric field at electrode surface［J］.Electron Letters，1965，1(4):110－111.

［3］刘 健.基于球型电场探头的空间电场光电测量系统的研制［D］.西安:西安交通大学，2002.

［4］Bohnert K B，Randle H，Frosido G.Field test of interferometric optical fiber high-voltage and current sensors［C］∥Proc of SPIE，1994:16.

［5］Varttaneourt GH，Carignan S，Jean C.Experience with the detection of faulty composite insulators on high-voltage power lines by the electric field measurement method［J］.IEEE Trans，1998，13(2):661－666.

［6］王立峰.一种新型集成静电场微型传感器的研究［D］.南京:东南大学，2006.

［7］Misakian M，Fulcomer P.Measurement of nonuniform power frequency electric fields［J］.IEEE Trans On Electrical Insulation，EI，1983，18(6):657－661.

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［9］傅艳军.110kV变电所工频电场测量与分析［D］.上海:上海交通大学，2005.