电力系统暂态过电压测量技术综述

穆舟， 江波， 赵伟， 谢施君

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院, 成都 610000； 2.清华大学 电机工程与应用电子技术系, 北京 100084)

0 引 言

自从19世纪电力系统诞生以来，电压就成为了反映电力系统运行状态的一个重要基础参量，伴随其诞生的，便是测量电压的技术手段。基于变压器的原理，第一台电磁式电压互感器诞生于1879年，用于测量电力系统工频电压[1]。我国第一台电磁式电压互感器由沈阳变压器厂仿制苏联技术，于1958年试制成功，自此，开始了电磁式互感器国产化历程[2]。至今，电磁式互感器依然是电力系统中唯一规模化投用的电压监测手段。基于电磁式电压互感器的电压测量技术，具有技术成熟、可靠性高等优势，但其只能准确测量工频电压，而若测量更高频或更低频电压，均会出现明显误差。随着电力系统电压等级不断提高，为降低电磁式电压互感器绝缘强度要求，以及避免电磁式电压互感器与电网之间可能出现谐振，电容式电压互感器应运而生。截至目前，电容式电压互感器主要用于测量电力系统中的工频电压[3]。

进入20世纪，暂态过电压的危害逐渐引起重视。受雷击、操作、谐振、电磁感应等因素影响，均可能引发电力系统内出现暂态过电压，且其会在一定范围内传播，引发电力设备绝缘失效，甚至击穿损坏电气设备。传统电力系统未配置暂态过电压监测系统，为应对可能的过电压危害，根据IEC 60060，电气设备的绝缘强度必须通过1.2/50 μs 和250/2500 μs 双指数标准波形的冲击耐压实验[4]。传统的针对暂态过电压的电力系统保护，主要依赖于变电站的阀型避雷器或浪涌保护器，合理的接地设计，各个断路器，以及输电走廊中装设的雷电屏蔽线等[5-7]。

随着电力系统的发展，电压等级逐渐升高，供电系统结构越发复杂，加之更多电力电子设备接入，现行的针对暂态过电压的防护日显不足，暂态过电压已逐渐成为制约电力系统可靠运行的重要因素。为保证电力设备绝缘拥有合理裕度，以及为电力系统加装更充分、有效的保护措施，对暂态过电压的准确测量成为关键和必须。20世纪初，分压器已经用于对冲击电压的测量；电阻或电容分压器是初期最常采用的分压手段，由于其具有良好的响应特性，至今仍普遍在实验室条件下用于测量冲击电压，并且常作为测量高电压的标准装置[8-10]。为克服纯电阻分压器和纯电容分压器的杂散参数和振荡等易出现的现象，又研发出了阻容式分压器，而且，基于阻容元件构建的更多种复合式分压器也相继出现[11]。随后，基于电容分压原理，可用于多种场合暂态过电压测量的技术小规模用于现场，其中包括变电站调试阶段采用的基于套管末屏的分压技术；用于测量开关开合时产生的高频电压的GIS传感器技术；以及可用于常规暂态过电压监测的非接触式电场传感器技术，等[12-14]。得益于20世纪70年代光学测量技术的发展，利用光学式电压传感器测量高电压的技术得以产生，并且突破了传统电工测量技术的频率限制，可在很宽频率带宽内获得很好的频带性能[15]。

按照与高电压带电体是否有物理接触分类，表1列出了现有的电压测量技术。

表1 电压测量技术Tab.1 High-voltage measurement techniques

文章拟全面梳理截至目前已有的实验室用和适用于现场的暂态过电压测量技术及其实现手段，并具体阐述其工作原理、性能特征以及适用场景等。

1 暂态过电压测量系统

一套完整的暂态电压测量系统可分为三部分：传感器单元、信号传输单元和信号采集及处理单元，其原理构成见图1[16]。

图1 高电压测量技术原理架构Fig.1 Schematic diagram of a high-voltagemeasurement technique

图1中，传感器单元将高电压按固定比例降低至可测量的电压等级，而它往往是决定高电压测量系统性能最关键的部分，也是暂态过电压测量技术研究的重点[17]。传统的电压传感方式基于电工原理，通过电阻或电容分压，将高电压成比例地降低为低电压信号。而非电工原理的电压传感技术，则主要是基于光学原理的电压测量技术，具体是通过对敞开式高压线路周围空间中的电场进行测量，来反映带电体上的高电压。

高电压测量系统中的信号传输单元，负责将传感器单元输出的低电压信号传输至远端的信号采集及处理单元。低电压信号传输过程中，难以避免出现反射和衰减，因此，信号传输单元的相关性能也对整个测量系统的性能有影响。传统的电压信号传输方式，是采用同轴电缆作为传输媒介。同轴电缆自身对高频电压信号会有衰减作用；同时，高频电压信号在传输单元发生的反射，会造成原信号损失。因此，在同轴传输电缆的首、末端，均应配置阻抗匹配模块[18]。对高频电压信号的传输，现在也大量使用光纤。由于光纤对所传输信号的高保真性好，故多被采用在低电压信号的长距离传输上。根据需求，信号传输单元应该既可传输模拟信号，也能传输数字信号。

高电压测量系统中的信号采集及处理单元，是一个多功能综合体，具体包含有暂态过电压测量的触发、采样、信号储存、时间同步等功能；其信号处理部分，一般包含有去噪、过滤、偏置消除、波形参数提取等功能。在一些已有高电压测量系统中，信号采集与处理单元还配备有波形恢复算法，用以补偿传感器性能的不足。高电压测量系统的信号采集及处理单元设备，其带宽和采样频率都必须要足够高，以避免反映被测高电压的低电压信号发生畸变[19]。

2 暂态过电压测量技术

2.1 标准测量设备

目前，用于表征暂态过电压波形的，仅有标准雷电波和标准操作过电压波形，且它们已形成相应标准。根据IEC 60060-2以及与之等同的国家标准，为实现对冲击电压测量的量值传递，用于测量标准雷电波或标准操作过电压波形的标准器，要满足幅值测量不确定度小于1%、时间参数测量不确定度小于3%的要求[20]。冲击电压的标准测量设备，主要有电容分压器和电阻分压器两种类型。

(1)电容分压器。如图2所示，电容分压器利用串联的高压臂与低压臂电容来实现对高电压的分压[21]。

图2 电容分压原理Fig.2 Principles of the capacitive voltage divider

根据电路原理，图2所示电容分压器的输出电压U2，可由式(1)表示，即：

(1)

但电容分压器的性能，会受到杂散参数的影响，杂散参数具体包括电容器自身的寄生电感和对地电容，以及分压器入口处高压引线的寄生电感等。在这些杂散参数共同作用下，电容分压器的响应往往存在明显的振荡现象。

电容分压器多用于实验室中做冲击电压测量的实验场合。电容分压器的输入电阻很大，对高压电源的带载能力要求低，可用于大负载阻抗的高电压测量场合。同时，电容分压器受自身杂散电容影响较小。不过，电容分压器易出现振荡现象，对制造工艺与设计有较高要求，因此，用于快脉冲暂态波形测量的电容器常配合阻尼电阻使用，且在选材上，多采用高频下专用的低杂散参数电容器元件，并要保证其电容量等主参数对电压等级和温度变化均不敏感[22]。

早期的电容分压器，多采用串联式电容单元组成，其上臂、下臂都有独立的外壳做屏蔽。而现今的电容分压器内部，电容元件多采用叠装形式，并从叠装结构中合适的节点处引出输出端。20世纪70年代，德国人提出的集中元件式300 kV电容分压器，是采用单个压缩气体电容器做高压臂电容，该分压器的响应时间可做到低于50 ns。同轴型电容分压器于20世纪60年代由斯坦福大学提出，他们试验测试展现出其具有优良的温度稳定性和较强的抗干扰性，也不易受杂散电容参数影响；多用于纳秒级冲击电压测量，也可用于冲击电压标准器的研制[23-26]。

(2)电阻分压器。电阻分压器利用串联的高压臂和低压臂电阻器实现对高电压的分压。相比于电容分压器，电阻分压器对振荡有较强阻尼作用，且有更快的响应速度，常被用来作为测量冲击电压用的标准器。

电阻分压器的性能，明显会受到杂散参数影响。与电容分压器类似，电阻分压器的性能主要受制于线路寄生电感和对地分布电容的干扰。文献[27]给出了分别计及线路寄生电感和对地电容时，电阻分压器输出电压的误差，如式(2)和式(3)所示：

(2)

(3)

由上式可见，过大的寄生电感和对地电容，都会增大式(2)、式(3)等号右侧括号中第二项的误差，造成分压误差。将杂散电感和杂散电容量值控制在合理范围内，对电阻分压器能否实现准确分压性能格外重要。对一台具有稳定和良好性能的电阻分压器，其电阻元件必须具有无感或低感特性，并且要有良好的温度稳定性；同时，为抑制对地电容影响，电阻分压器往往还要配备良好的屏蔽结构和均压环[28]。另一方面，电阻分压器由于发热效应明显，测量过高电压时，会产生明显误差。电阻分压器有一定的输入阻抗，需要有特定负载要求的高压电源与之配合使用。综合考虑电阻分压器的响应时间与振荡问题，用于测量冲击电压的电阻分压器的电阻值，一般选在2 kΩ～20 kΩ之间[29]。

制造标准电阻分压器的电阻元件，一般采用具有高电阻率和高稳定温度性能的卡玛丝，并采用特殊方式绕制，以形成低感电阻单元[30-34]。通过国际比对，采用上述技术手段制成的标准电阻分压器，其测量不确定度可做到小于1%。

金属膜电阻本身具有较小寄生电感，同时还具有天然的抗集肤效应能力，对提高电阻分压的准确度有本征优势，故常被用于制造电阻分压器。将金属膜电阻封装在同轴屏蔽腔体内，能够获得响应时间小于1 ns的电阻分压器[35]。

制作电阻分压器的电阻器，还可以采用无机盐溶液作材料，制成所谓“水电阻”。这种溶液的电阻，由于具有本征的低杂散电感特性，适用于实验室环境下构建水电阻分压器，以测量高电压等级的快速脉冲电压。

由于溶液电阻对温度极为敏感，因此水电阻分压器需要配备良好的散热装置[36-37]。

2.2 阻容分压器

以电阻器和电容器的组合制作分压器，不仅可有效阻尼分压器的振荡效应，还可以减少杂散电容对高电压测量的影响，因此，阻容分压器获得了大量应用。电阻器和电容器可以串联或并联，进而可分别形成阻容串联式分压器或阻容并联式分压器。

(1)阻容串联式分压器。阻容串联式分压器具有高阻抗负载特性，可用于测量高至UHV电压等级的快速暂态过电压。阻容串联式分压器的基本电路结构如图3所示[38]。

图3 阻容串联式分压器结构Fig.3 Structure diagram of the series-connectedcapacitive-resistive voltage divider

图3中，R1和R2分别是高低压臂上串接的电阻，C1和C2分别是高低压臂上串接的电容，R是匹配电阻。

只计及分压器本体，分压比可表示为：

(4)

根据式(4)，阻容串联式分压器的分压比可分为高频分压比和低频分压比。高频条件下，式(4)可简化为：

(5)

而在低频下，式(4)则可简化为：

(6)

良好的阻容串联式分压器，要求其高频分压比与低频分压比应相等，如此，可致使该分压器从低频到高频都能保持稳定的分压比，并且还保持有低振荡的优势。

对阻容串联式分压器，Zaegnl提出了一种最优参数设计原则[39]。在其设计方案中，要在分压器高压输入端串接一个较大阻值的阻尼电阻Rd，用以阻尼高压引线造成的振荡。而高压臂的每个电阻电容串联单元中的电阻值R1，由式(7)计算获得，即：

(7)

式中L1为高压臂的寄生电感值；Ce为分压器的对地电容值。研究结果表明，对额定电压高于1 MV的阻容串联式分压器而言，R1的取值应在400 Ω～1200 Ω之间。

相对于采用串接阻尼电阻Rd去阻尼高压引线造成的振荡，Feser又提出了一种以降低电阻值的方式，来使分压器阻抗与引线阻抗相匹配，以抑制振荡的方式。研究发现，如此制成的阻容串联式分压器更适合于测量高频高电压，且还能减小分压器的时间常数[40]。Feser提出的设计模型，也称低阻尼阻容串联式分压器，其原理电路如图4所示。

图4 低阻尼阻容串联式分压器的原理结构Fig.4 Structure diagram of the series-connectedlow-damped voltage divider

串接阻尼电阻的最优参数设计，使阻容串联式分压器适用于负荷电容较大情况下标准冲击电压的测量。低阻尼分压器可用作负荷电容，其也适用于所有试验电压波形的测量，特别是对具有高频成分的冲击截波电压的测量[41]。

(2)阻容并联式分压器。如图5所示，在电阻分压器基本结构基础上，为每个电阻并联一个电容，即得到阻容并联式分压器。给每个电阻并联电容，可减小杂散电容对测量的影响，也可平均电阻上的电压分布，有助于提高测量准确性[42]。因此，设计良好的阻容并联式分压器，拥有良好的幅频特性和线性度，可用于测量从直流到很宽频率范围内的电压波形。与串联式阻容分压器的设计相反，并联式阻容分压器在低频时，明显呈阻性分压比；而高频时，则呈容性分压比。

图5 阻容并联式分压器结构Fig.5 Structure diagram of parallel-connectedcapacitive-resistive voltage divider

为保证具有良好的响应特性，并联式阻容分压器中每个单元电容器的电容量，应至少是对地电容量的三倍。因此，阻容并联式分压器的电容量往往较大。在现场应用时，阻容并联式分压器多用于高压直流系统的电压测量。

(3)通用型阻容复合式分压器。在对暂态过电压实施的实际测量中，也有人采用一些复合式阻容分压器。如上文所述，阻容并联式分压器常用于对直流高电压的测量。但随着直流电力系统的发展，各种暂态电压实验会加载在直流电力系统上，这就要求分压器至少应从直流到雷电波之间都拥有良好、稳定的测量性能。而阻容分压器的电阻分压比与电容分压比难以做到高度吻合，影响分压器测量宽频高电压的准确度。针对于此，文献[43]提出了一种如图6所示的通用型分压器构建方案。可见，该分压器由两条支路并联而成，一条是纯电阻支路，另一条则是阻容串联式支路；Cg表征每个高压臂电阻和电容单元的对地杂散电容。

对图6所示的这种分压器，试验表明，通过良好的参数选择，并采用给电阻加装屏蔽的设计，在直流到标准雷电波的频带范围内，可使其刻度因数的波动被控制在1%以内，能表现出良好宽频效应[44]。

图6 通用型分压器原理结构Fig.6 Structure diagram of universal voltage divider

2.3 套管末屏技术

如图7所示，高压电气设备的套管绝缘系统，多采用多层电容芯子设计，以均匀绝缘系统内的场强。如果将最外层的电容屏(末屏)悬空，将高压线与末屏之间的电容作为高压电容，利用末屏的外接口，外接一个定值电容做低压电容，则可形成一个电容分压器。

图7 套管末屏电压测量系统Fig.7 Bushing tap high-voltage measurement system

理想情况下，该分压器的分压比如式(8)所示，即:

(8)

式中CH为电容末屏与套管中央高压导杆之间形成的电容值，该电容值在常见套管上一般处于200 pF～800 pF量值范围[45]；CL为外接电容的电容值，作为电容分压器的低压臂，其常见的设计如图8所示。即：外接电容多采用多电容同轴圆柱并联的结构设计，旨在抑制寄生电感影响；而保护单元旨在在幅值过高的暂态电压侵入低压臂时，使末屏接地，保护外接电路[46]。

图8 多电容同轴圆柱并联结构的外接电容设计Fig.8 Schematic diagram of external coaxial connected capacitances

基于套管末屏形成的电容分压结构，依然受制于杂散参数的影响。除了对地杂散电容和寄生电感以外，另一主要杂散参数是电容屏绝缘系统自身的电阻。该测量系统也可等效为一个结构复杂的阻容分压器，见图9[47]。

图9 基于套管末屏的分压器等效电路Fig.9 Equivalent circuit of bushing tap based voltage divider

基于套管末屏的暂态过电压测量系统的频率上限，一般只能达到MHz数量级，可用于电力系统操作过电压、雷电过电压等暂态过电压的测量。但基于安全考虑，套管末屏技术通常仅在调试变电站设备阶段使用，而长期工况下，相关高压电气设备的外绝缘末屏是接地的，不适用于暂态过电压测量。

2.4 GIS传感器

GIS作为电力系统中承担高电压等级母线快速开断的设备，在其开合瞬间，往往会形成明显的暂态过电压现象，尤其是特快速的暂态过电压(VFTO， Very Fast Transient Overvoltages)[48]。为测量该类暂态过电压，基于GIS结构，有微分积分法和电容分压器法两种测量方式。

微分积分法是20世纪90年代出现于GIS电压测量应用上的，其原理如图10所示[49]。

图10 基于微积分法的GIS电压测量原理Fig.10 Schematic diagram of GIS measurement system based on caculus

高电压信号先经微分电路后，再由积分电路恢复其原始波形。一般而言，GIS的高压母线与盆式绝缘子内环形电极之间形成微分电容，其与后端电路中的微分电阻Rd共同构成微分电路。积分电路则由一个积分电阻Ri与积分电容Ci构成，也可采用有源或无源混合积分器。如果积分环节的时间常数为Ti，则该测量系统的稳态分压比为：

(9)

式中Cd为微分电容。

微分积分法受杂散参数影响较大。微分环节易受对地杂散电容的影响，会增长系统响应时间。针对于此，一般会在环形测量电极外设置屏蔽电极。而积分环节易受元器件自身寄生电容与电感的影响，从而可能造成严重的过冲或振荡。因此，积分环节电路应采用特制的高频专用元器件。

微分积分法毋须对原GIS进行改造，并且高频响应良好，加之经过良好设计，可用于测量VFTO[50]。但该方法的低频响应较差，且分压比一般较大，不适用于测量幅值过低的暂态过电压[51]。

而GIS中测量暂态过电压更常用的，是电容分压法。如图11所示，在GIS内部设置一个感应电极，GIS腔体中央的高压传输线与感应电极之间的空间电容作为高压臂电容，利用GIS腔体上的窗口再构造或外接低压臂电容，也可形成一个电容分压器。

图11 基于GIS的电容分压器原理示意图Fig.11 Schematic diagram of GIS measurement system based capacitive dividing

图12是表征GIS传感器特性的等效电路。该等效电路中包含有传输单元和数据采集单元的等效电路部分，同时，还充分考虑了会对GIS传感器性能造成明显影响的高压臂、低压臂的寄生电感。

图12 基于电容分压的GIS传感器等效电路Fig.12 Equivalent circuit of GIS measurement system based capacitive dividing

为保证GIS传感器的宽频响应特性，基于对图12所示电路模型传递特性的分析可知，提升高频截止频率的关键在于要减小寄生电感L1；而降低低频截止频率的关键，则应增大低压臂电容C2的电容值。

根据感应电极的安装方式，基于电容分压法的GIS暂态过电压测量技术可分为两种。第一种相应形成的测量方法，被称为环形电容探头分压法，如图13所示，其测量电极是环状的，并嵌入在GIS的盆式绝缘子内。对于电压等级较低的GIS，测量电极一般采用双层环形结构，用聚合物薄膜做绝缘，其中，内层测量电极与高压导杆之间形成高压臂电容，而双层测量电极之间形成的电容则为低压臂电容。而对于高压GIS，由于GIS盆式绝缘子在结构上与低压GIS存在差异，一般内侧测量电极嵌入在环氧树脂内，而由法兰盘作为外侧的测量电极。该设计的优点在于，其内嵌的环形电容方便使用，毋须改造；但由于其电极尺寸较大，波的传播易发生振荡。

图13 环状感应电极式GIS传感器Fig.13 Schematic diagram of ring-type GIS measurement system

而第二种相应形成的常用测量方法，被称为锥形电容探头分压器法，如图14所示。其中，一个截面为锥形的电极被安装在GIS腔体的手窗内，与腔体通过绝缘膜材料隔开[52]。高压传输线与圆盘电极之间的空间电容作为高压臂电容，圆盘电极与腔体外壳之间的电容作为低压臂电容。该锥形探头采用同轴设计，杂散电感低，但必须对GIS腔体进行改造。

图14 锥形电容探头分压器法的原理结构示意Fig.14 Schematic diagram of cone-type GIS measurement system

由于GIS窗口的空间有限，信号采集单元往往要被设置在数十米之外，并利用长同轴电缆相连。而过长的电缆，会带来过大的等效电容效应，从而影响测量性能；且信号读取设备的入口电容，也会影响宽频信号的传输[53]。因此，一方面，电缆多选用高频电缆，并尽可能减小长度；另一方面，在信号采集单元入口要增加补偿措施，一般加装二次分压器。

为进一步降低GIS传感器的低频限制，日本OKABE研究团队对第二分压器进行了优化设计[54]，具体用阻容分压器后接缓冲器作为整体构成的二次分压器。利用该设计，他们使基于GIS传感器构成的测量系统的低频限制可降低至5 Hz。

文献[55]指出，在分压器输出与电缆之间设置一个缓冲器放大器，完全可能将低频限制降至1 Hz及以下。文献[56]介绍了一款在GIS传感器后配置一个输入阻抗高达0.04 TΩ的阻抗转换器，其作用是可将低频限制降至0.003 Hz。

另一种可降低测量高电压低频限制的方法，是增大低压臂电容器的电容量值。如上文所述，低压臂电容多由测量电极与腔体之间的杂散电容共同构成。而通过增大测量电极面积、减小绝缘层厚度以及使用高介电常数的绝缘材料，均可增大测量电极与腔体之间的杂散电容值，从而降低分压器的频带下限。

限制高电压测量系统高频性能的主要因素，是线路中存在寄生电感。采用锥形探头设计可有效减少寄生电感值，文献[57]提出了一种如图15所示的锥形探头设计原则。

图15 基于锥形电容探头的低电感GIS传感器低压臂设计Fig.15 Design of low voltage arm of low inductance GIS sensor cone-type capacitance probe

该设计可为信号通路提供连续的波阻抗，进一步提高锥形探头的测量性能；该设计应遵循式(10)，即：

(10)

基于该设计，H.Murase研制出一种GIS 电压测量系统，其方波响应波头时间达到了350 ps， 频率上限拓宽到了1 GHz。

2.5 基于空间电场效应的高电压测量技术

文献[58]中提出一种如图16所示的高电压测量技术。它将定值电容封装在一个椭圆球形的金属壳内，而金属壳(也称为高压探头)与大地之间的杂散电容与定值电容形成了一个电容分压结构。由于对地杂散电容一般小于10 pF，高压探头对大地依然是高电位，因此，将利用光纤，并将其封装在高压探头内，来获取并传输高电压信号。

图16 基于空间电场效应的测量技术原理图Fig.16 Schematic diagram of measurement system based on space electric field effect

由于直接利用空气绝缘，该测量技术对绝缘要求较低，且具有仅通过直接挂接就实现安装的优势。不过，如此形成的电容分压器中，对地的杂散电容易受环境影响，一定程度上会影响测量准确度。

2.6 基于电工原理的非接触式电场传感技术

对于开放式的高压导体，其高电压会在周围空间产生电场。如果高压线周围受到空间尺寸远小于高压线上暂态过电压等效波长的电场的影响，则其满足静电场效应原则，即：如此条件下，其周围空间的电场强度与高压线上高电压之间的关系如式(11)所示：

E0(t)=k0U0(t)

(11)

因此，对开放式高压传输线周围空间的电场进行测量，也可获得高压线上高电压的相应信息。电场传感器的原理结构及接线如图17所示，即：电场作用下，感应电极板上会感应出电动势，两电极之间可接电阻或形成容性连接，从而将空间电场转换为感应电极上可测量的电压信号[59]。

图17 电场传感器示意图Fig.17 Schematic diagram of electric field sensor

图17中的采样电路单元具有高输入阻抗，采用它，旨在改善传感单元的低频响应特性。典型的采样电路如图18所示。其中，Cs为两块测量电极构成的电容，C2为采样电容，R1为用于抑制电路可能发生振荡的阻尼电阻；Ria为放大器的输入阻抗；Rf为放大器反馈电路的阻抗。一般而言，放大器输入阻抗很高、输出阻抗很小，既可以实现良好的低频响应，又能满足传输线路阻抗匹配的要求。

图18 电场传感器采样电路Fig.18 Sampling circuit of electric field sensor

典型的电场传感器采用平板设计，也可是球形的，其带宽可覆盖几赫兹～数MHz频率范围[60]。

基于微机电系统(MEMS)技术，也可实现对电力系统电场的测量，常用的设计原理如图19所示。图19中，上方屏蔽电极会在机械装置下做机械式往复式水平位移，如此，感应电极上会感应出相应变化的电压信号，经连接测量电路便可进行测量。

图19 MEMS电场传感器原理图Fig.19 Schematic diagram of MEMS electric field sensor

基于MEMS技术制成的高电压测量传感器，具有灵敏度高、成本低的优势。不过，传感器的尺寸目前还较大，且易畸变被测电场，即不适于测量狭小空间区域的电场。

如果对图17所示的原理示意图做进一步拓展，将测量电极与高压电缆之间的空间电容视作高压臂电容，并再构建一个低压臂电容，则可形成一个电容分压器，如图20所示。该项技术也称基于空间杂散电容的分压器技术。其中，低压臂电容可由外接的多个电容器并联所组成，也可以是由中间加有薄绝缘材料的双层电极构成。测量极板的输出，也需要加装采样电路，以改善该电容分压器的低频响应特性。

图20 空间电容分压器示意图Fig.20 Schematic diagram of voltage divider based on space capacitance

该项技术本质上与电容分压器原理相同，因此其性能也与电容分压器类似，适用于交流高压线路或开放式开关动作造成的冲击电压的测量。常用的感应电极为平板式，而对感应电极做特殊设计，该电场传感技术也可用于开放式线路VFTO的测量[61]。

上世纪80年代末，就有人利用微分电容分压器(D-DOT)技术对电场进行测量。随后，该技术也用于电力系统的电场测量，以测量线路上的暂态过电压。该技术原理如图21所示，传感器中间为一圆盘电极，周围环绕一圈绝缘材料，Rm为中央电极与地之间的电阻；电极与电阻之间的电位，即为传感器的输出[62]。

图21 D-DOT电场传感器原理图Fig.21 Schematic diagram of D-DOT electric field sensor

该传感器的输出电压与被测电场之间的关系为：

(12)

式中a为高压导体的半径；r是传感器相对于高压导体的位置矢量；A为感应电极的面积；Ψ(t)为感应电极的电位。由此可见，这种传感器实质是一个微分电路，因此，需要在其后再接一个积分电路单元，以恢复波形。基于这款传感器形成的测量系统的等效电路，如图22所示。

图22 D-DOT电场传感器等效电路Fig.22 Equivalent circuit of D-DOT electric field sensor

图22中，Cm和Cs分别为感应电极对高压导体和大地的电容；Rx和Cx分别为积分电路的电阻和电容。而实际用于电力系统电压测量的D-Dot技术，多采用多个电极并联结构的差分式传感设计，具体用两个电极的电位差作输入电阻为Rm的差动放大器的输入，形成宽频带自积分传感器，并用PCB板构建多个并联的双电极输入电路，以增强传感器的性能。

根据电力系统高压导体电场测量的应用场景，D-DOT传感器还可分为两种设计：平板型和套管型。平板型传感器如其他非接触式技术一样，测量时，要放置于测量目标导体的下方。而对于有套管的高压导体，可采用套管型传感器，即传感PCB板中心具有通心圆孔，可嵌套在套管上，当然，该传感器对于绝缘有着更高的要求。

上述电场传感器对工频电压激励、标准雷电波激励和标准操作过电压波形激励等，均能展现出良好的频响特性。其中，利用MEMS技术、通过多组正负极性传感器并联的设计，能实现上百兆的带宽，完全满足线路VFTO的测量需求[63]。

非接触式电场传感器技术，是利用电工原理对空间电场进行测量，实现了传感器与高压部件的分离，因此安全性好，安装与调试方便，不需要断开高压线路，且成本较低。但是，非接触式电场传感器在测量目标为开放式的导电体情况下，存在不可避免的相间耦合影响问题[64]。如图23所示，以A相电场传感器为例，其测量的电场是A、B、C三相电压共同形成的，是如式(13)所示的空间复合电场。

图23 三相高压传输线相间耦合示意图Fig.23 Schematic diagram of phase coupling of three-phase high voltage transmission line

EA-z=EaA-z+EbA-z+EcA-z

(13)

对于三个电场传感器，则有：

(14)

式(14)展示了非接触电场传感器的耦合问题，其中K为耦合系数。为了给单个传感器解耦，获取各个单相真实的电压波形，必须获取9个耦合系数。

获取耦合系数矩阵的最理想方式，是将三相线路停电后，给其中的一个单相施加电压激励，则可获得耦合矩阵中一列的数据；三相分别如此施加激励，便可获取完整的耦合系数矩阵。但是，在变电站鲜有三相停电的机会，鉴于此，相关研究人员提出了适用于500 kV及其以上电压等级的变电站的非接触式高电压测量简易解耦法，具体基于高压变电站结构上的对称性，并直接利用工频稳态电压去获取耦合系数矩阵[65]。

2.7 非接触式光学传感器

20世纪70年代，光学材料和相关技术的发展，促进了基于光学材料特性的电场测量技术的产生和不断进步。利用光学材料对电场具有的敏感性，可实现对空间电场的准确测量。如此，与上节所介绍的原理相仿，可实现对高压线上高电压的有效测量。

可用于电场测量的光学原理与方法众多，而对电力系统电场的测量，常利用Kerrs效应和Pockels效应[66-67]。 Kerr效应体现的是，在介质中，光线折射率与电场强度平方成正比。不过，Kerr效应对电场的灵敏度较低，应用于电力系统，往往去测量绝缘油内的场强。对电力系统高压线路电压的测量，最常利用的是Pockels效应，其主要特点之一，是某些晶体的电光相位延迟与激励电场的强度成正比。目前主要应用的晶体有铌酸锂(LN)、硅酸铋(BSO)和锗酸铋(BGO)等[68]。运用于电力系统电场测量的光学传感器，现在主要采用集成光学传感器(IOES)技术来制作，由其搭建的测量系统如图24所示。激光从光源发出后，通过保偏光纤达到传感器。传感器利用Pockels光学原理，根据电场强度对光进行相位调制，经干涉，再转换成光强度信号，后经输出光纤传输至光电转换器转换成电信号，再加以测量。

图24 光学电场传感器测量系统Fig.24 Measurement system of optical electric field

基于光学传感器搭建的测量系统的传递函数，一般可用式(15)表示，即：

Uout=A×[1+b×cos(φo+φ(E)]

(15)

MZI-IOES技术从上世纪90年代发展至今，其原理在于制成的传感器将入射光分为两束，分别经过电场的相反调制后，在传感器末端再耦合，将电场信号转换成光强信号。MZI技术最初用于射频电场测量。20世纪90年代，英属哥伦比亚大学将MZI-IOES技术用于了变压器套管出线的高电压测量[69]。清华大学研制的单屏蔽电极MZI-IOES技术，其测量场强范围高达1200 kV/mm, 可测量纳秒级暂态波形，频带覆盖1 MHz～100 MHz的较宽频率范围[70]。不过，MZI-IOES技术存在着静态偏置点不稳定和热稳定性差等问题。

CI-IOES技术的光传输与相位调制，与MZI-IOES技术是相类似的。不过基于CI-IOES技术制作的传感器中，两条光路的光学场互相耦合，以此将相位信息转换为光强度信息。相比于MZI-IOES，CI-IOES有着天然的光学偏置特性，但其传递函数过于复杂。为用于电力系统的电场测量，文献[71]将光的输出端配置一个2×2的定向耦合器。该技术拥具有简单的传递函数和稳定的静态偏置，在实验室内，其对雷电冲击暂态过电压展现出了良好的测量准确度。不过，该技术目前依然存在热稳定性较差问题。

CPI-IOES技术利用钛扩散晶体的特性，将入射光源分成TE或TM两个模式的光。如图25所示，两束光在外电场下受到不同的相位调制，入射的线偏振光变为输出的椭圆偏振光，其相位差与电场强度成正比关系。因此，可通过对两束光相位差的测量来获得电场强度值[72]。虽然CPI-IOES的灵敏度低于MZI-IOES，但由于其具有偏置点稳定和温度稳定等优点，可用于测量变电站暂态过电压的潜力备受关注。例如，清华大学根据该原理研制的适用于变电站暂态过电压监测的基于钛扩散的LiNbO3晶体光学式传感器，其方波响应时间已做到低至4 ns，而且其在工频、标准雷电波和纳秒电压波形的测量上都展现出了良好的频率响应特性，上限截止频率甚至可达到6.2 GHz, 并且同时还展现出良好的温湿度稳定性[73]。重庆大学利用双晶体结构提高光学传感器的温度稳定性，具体通过串联两块光轴反向的LiNbO3晶体，使自然双折射在两块晶体中产生的相位差互补，从而实现了消除受温度影响的目的。他们的研究表明，该技术在-10 °C～60 °C温度范围内的相对误差不超过5%[74]。

图25 CPI-IOES传感器原理Fig.25 Principles of CPI-IOES sensor

该技术除拥有非常优异的测量性能外，还与电场传感器一样，由于实现的使非接触式测量，故其还拥有很高的安全性和使用灵活性。但非接触式测量方式所带来的耦合问题，同样存在于该技术当中，因此在现场运用时，必须配合采用合适、有效的解耦方法和技术手段。

3 评论

对高电压测量系统的评定，目前仅有工频、操作过电压与雷电过电压有标准波形可以比对。而针对更宽频电压测量能力的评估，一般都采用时域的方法。具体而言，对测量系统的频率上限，可以用过方波相应的上升时间tr，根据式(16)进行计算，即：

(16)

而对频率下限，则可通过直流响应进行评估，所依据的关系如式(17)所示，即：

(17)

式中τ1为直流激励下响应波形衰减的时间常数。

上述所梳理、归纳的各种高电压测量技术，可归类为接触式和非接触式测量技术。其中，接触式高电压测量技术，其由实验室校准获取的测量性能参数，在移至现场时并不会出现严重差异。而非接触式高电压测量技术则不然，用做现场应用时，必须还要再进行现场校准。

不同的高电压测量技术和方法，有着不同的性能特性，并且有不同的适用场景。测量的暂态过电压可分为SFO(慢波头过电压，Slow Front Overvoltages), FFO (快波头过电压，Fast Front Overvoltages)和VFTO。其中SFO以操作过电压为典型代表，而雷电过电压则是FFO的典型代表。VFTO尚无典型的波形定义，其波形重要特征在于其波头时间小于100 ns。测量的对象主要分为具有封闭结构的GIS和开放式结构的AIS、传输线等。其中，目前分压器技术和套管末屏技术的设计性能主要是针对SFO和FFO的准确测量。GIS的微积分与电容分压传感器经过良好设计，在GIS内可获得良好的宽频效应，其测量带宽可覆盖SFO到VFTO。而基于空间电场效应的高电压测量技术以及基于电工原理的非接触式测量技术的研发设计测量带宽主要覆盖SFO和FFO，受制于其原理的局限性，它们目前尚不能测量具有金属封闭结构的GIS等设备。而非接触的光学传感器由于其优异的性能，可用于开放式高压设备的SFO、FFO和VFTO测量。目前也出现了通过将光学传感器安装至GIS腔体结构上，实现对GIS母线暂态过电压测量的技术。

4 结束语

目前在电力系统中，仍普遍装设电磁式或电容器式电压互感器，以用于对工频电压的监测。电阻分压器和电容分压器多作为实验室中测量冲击电压的标准器。GIS手窗式技术，仅在近年新生产的GIS设备上才有安装。套管末屏技术，出于安全考虑，一般只在变电站的调试阶段使用。还有一些其他的高电压测量技术，仅在现场有很小规模的实验性布置。因此，目前电力系统尚未铺设和建立规模化的暂态过电压监测系统，而这正是为确保电力系统的安全可靠运行所迫切需要尽早解决的问题。