面向临电预警的多电极电场矢量传感器系统设计与试验

杜肖，谢青洋，和学豪

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

电力行业是国民经济的基础能源产业，为保障电力系统的安全、稳定的运行，电力工作人员需要定期对带电设备、输电线进行监测及维护[1-2]。然而电力工程临近带电作业施工现场环境较为复杂，施工机械与带电设备及导线的距离难以测量，操作人员作业时稍有疏忽便有可能致使机械与带电体安全距离过小，导致事故发生，因此临电预警技术对于保障电力工作人员人身安全起到至关重要的作用。

传统的电力现场安全预警方法主要是基于测距的危险预警技术[3]。文献[4]基于有限元法建立了一套可移动机械器具带电作业的三维有限元模型，实测最小安全距离，对预警系统进行了验证。文献[5]通过三维模拟电荷法，建立了人员进入交直流并行线路的体表混合电场计算模型，准确预测了高压输电线路带电作业电场环境。文献[6]提出了基于毫米波雷达与视觉融合的输电线预警算法，让输电预警装置可测量机械装置与输电线路的距离，以实现临电预警。然而现有预警技术均存在精度不够、适用范围窄等问题。近年来，电场测量技术的飞速发展且安全性愈加受重视，电场传感器精度要求逐渐提高、使用环境愈加复杂，同时兼顾成本低、抵抗力强等需求[7-9]。随着测量装置的发展，将精密电场传感器与穿戴领域结合，开发多应用场合精密临电预警安全帽，更大程度保护电力从业人员安全，受到行业关注。

临电预警安全帽使用频率高，要求功能可靠、功耗低。由于现场作业环境电场来源组成复杂，目前标量电场测量方式不能包含电场方向特征信息，使得测量精度受限。同时，传统的电压测量技术虽能在传统电压测量技术在一定频率范围内具有较为稳定的信号输出，但往往受限于设备体积、昂贵造价、安装环境等缺陷，难以实现广泛的应用[10-11]。因此本文基于多维立体层面电场耦合计算原理，获得极板输出与场源间的关系，提出一种实现极高精度多场合矢量电信号采集处理的全对称弧面矢量电场传感器，搭建完善的电场测量系统，以满足临电预警安全帽的实际生产需求。

1 电场耦合感应原理

电场具有方向特性，任意测点任意时刻的电场E的方向为其正电荷qt所受合力F的方向，即：

由于无法直接定义测点位置处电场方向的特性，因此，如何在标量电场基础上，增加矢量信号采集与分析能力，是构建完全意义矢量电场传感器的关键。单导体电场与电势的耦合感应模型可表示如下：

2 多电极矢量电场传感器设计

2.1 三维矢量电场计算原理

电力工作人员周围的电场分布可以堪称多维方向电场分量的合成，即E=E1+E2+E3+…+En。为了方便信号合成与方向判断，各矢量电场敏感电极需呈现完全对称分布，即各对位极板的立体角间隔为θ=4π/n。因此，电场传感器设计需要满足以下几点要求：

①单维感应极板能够充分感应各方向维度的电场分量；

②多维矢量感应模块对空间电场实现全覆盖感应；

③可实现矢量信号同步采集与合成。

基于上述考虑，本文设计了一种全对称弧面结构的电场传感器，如图1所示。

图1 全对称弧面场矢量传感器结构

所设计的全对称弧面传感器可实现球形整体在正交坐标体系下的等面积划分，记Csi+Cdi=Ci(i=1－n)为单个极板对地杂散电容与对导线分布电容之和，以对位极板S1－S2为例，x方向的信号输出传递式如式（3）所示：

式中Cm1、Cm2分别为正交对位极板S1－S2的互电容大小；C1、C2为S1、S2极板对地杂散电容与对导线分布电容之和；Cd1为第一极板与电势源导体构成的分布电容；Rm为输出阻抗。

最终x方向上的信号输出比例系数由C1、Cd1、C2、Cd2共同决定，一旦传感器结构尺寸参数确定下来，经过现场标定过后其比例系数便可以确定Hx。同理可求得Hy和Hz，Hx、Hy、Hz为传感器的差动输出矩阵函数项。根据式（4），可求得电场分量Es1-s2、Es3-s4、Es5-s6，由此可得到场源各个方向上的电场信号分量大小：

通过式（5）～（9）式即可计算到测点位置处的矢量电场信息。

式中，β表示传感器角度偏转角。

将各电极获取的信号，通过比较器等放大电路实现电场信号合成，形成新的信号累积阵列，实现多维电场信号的矢量集成处理。

2.2 三维矢量电场信号集成处理技术

多电极的输出显著提高了信号处理的复杂度，通过差分放大、比较、累加以及矢量合成来实现信号采集，对各分量进行分层求解，可以实现所设计传感器的分级处理，如图2所示。首先，根据传感器各极板的初始感应信号S1－Sn，提取对位电极组对应的矢量信号分量，通过差分放大电路，得到多组差分电场信号US1－S2(t)－US(n-1)-Sn(t)；随后，通过比较器等放大电路实现电场信号合成，形成新的信号累积阵列；最后，逐层对相邻电场进行矢量求和，逐级累积放大比较，实现多维电场信号的矢量集成处理。

图2 多维差分电场耦合信号处理流程

设传感器具有n对信号输出，随着信号处理层数的增加，等效电极维数将减少，可得到传感器的集中处理信号，作为最终输出信号比较器输出或者反馈回前端电路达到平衡时有：

式（10）与式（11）给出了传感器的矢量特征信息，通过上述方法可实现对所设计的电传感器电场信号逐级处理，从而消除全对称弧面传感器检测信号的位置误差，同时使得传感器的矢量特征信息更加精细。

3 传感器系统与实验平台设计

根据所测量传感器的测试需要，为保证高精度、宽频带信号采集与处理需求，需对传感器系统进行针对性设计，实现针对复杂空间电场信号的采集、处理、通信等功能。

硬件处理电路部分主要由非侵入式矢量电场感应探头、信号采集单元、中心处理单元、无线通信模块构成，如图3所示。

图3 矢量电场测量传感平台装置

传感器探头采集到电场矢量信号后，传递到中心处理单元。中心处理单元是矢量电场测量传感平台装置的核心，包括了信号调理单元、数据处理单元及供能单元。信号调理单元对信号实现电平抬升、缓冲跟随、AD转换等功能；FPGA和STM32作为数据处理与控制核心，主要对采样触发环节、缓冲跟随、AD转换进行控制。此外，通过通信模块实现数据快速发送，而供能模块则为上述模块的协同运行提供电源支持。

实现硬件系统的协调工作，需要匹配对应的硬件程序和上位机程序。因此面向电场测试数据量需要，结合一些平台，完成对FPGA软件端设计、微控器软件端设计、通信协议设计、上位机解析软件设计，总体系统程序逻辑如图4所示。

图4 电场监测系统整体框架

在整体设计框架中，FPGA端软件负责变频采样控制、实时数据存储及板间数据通信功能，CPU微控制器端软件主要实现信号采样、板间数据通信、驱动无线通信、触发电平感知、参考电平输出功能。

4 实验论证

为检验电场传感器测试系统的实际测量性能，搭设三相模拟输电线路。三相输电线路平台搭建使用导线铜柱长为2 m，直径为6 mm，高度为2.5 m，导线线间距为1 m，传感器装设高度在0.5～2.5 m范围内可调。将调压器、变压器、冲击浪涌发生器进行配合，通过衰减比为1000:1的高压探头TekP6150显示实时激励。同时各极板连接线为SMA(Sub Miniature version A)同轴电缆。分别开展稳态测试、暂态测试检验传感器的输出特性以检验电场传感器的灵敏度、动态响应范围。现场测试图如图5所示。

图5 现场测试图

4.1 稳态测试

通过调压器在0～20 kV电压有效值范围内按1 kV步进电压施加激励，并在各电压等级下完成多次重复测试。

由于传感器为三通道信号输出，且传感器三对位极板输出代表中心测点处的三维电场分量。因此采用同一测点分步测量法，分别以标准电场感应探头以及矢量电场感应探头作为信号输入。计x、y、z方向上的电压输出分别为US1－S2，US3－S4，US5－S6。稳态实验检验传感器三维电场与电源的输入输出关系，测试结果如图6所示。

图6 线性度测试结果

其中Uexc为激励电压、Uvec为标量电压、Esca为矢量合成场强。研究三者之间的线性度关系，得到如式（12）和式（13）的表达式：

其中，Esca的单位为V/m，式中系数常数项及其标准偏差均为单位为km-1。式中，Uvec单位为V。从线性拟合结果可以看出，无论是x、y、z各方向电场分量还是合成电场，均与实际电场源有着较好的一致性响应。传感器的动态响应范围为14.2 kV/cm，灵敏度大小为7.860 mV/(kV/cm)。

4.2 暂态测试

传感器暂态测试由冲击浪涌发生器作为试验电源，设置峰-峰值Vpp在0～12 kV内，施加1.2/50 μs标准过电压测试波形。实验目的为检验高频情况下传感器的信号跟随性能。设置多段频率信号，得到如图7所示的幅频响应情况。

图7 传感器高频动态响应情况

从测试结果可以看出，所设计的全对称弧面传感器具有较好的跟随性。通过与TekP6150进行标准比对可以发现，三维电场分量信号相比标准源信号的延时小于0.56 μs。

在不同频段激励源下，所设计的传感器增益偏差均小于3 dB，能保证MHz级别的宽频带稳定输出。这将满足临电预警实践中，对于场强检测的宽频带需求。

5 结束语

本文介绍了一种全对称弧面矢量电场传感器，可作为多应用场合精密临电预警安全帽的电场测量探头。该传感器基于电场耦合计算原理，实现多维电场的矢量计算。实验结果表明，所设计的传感器的动态响应范围能够达到14.2 kV/cm，灵敏度大小为7.860 mV/(kV/cm)，同时具有MHz级别的宽频带信号稳定采集能力。能够满足临电预警中对复杂环境场强精密检测的需求。在后续工作中，将结合穿戴领域知识考虑所设计的电场传感器在安全帽上的组装工艺设计及集成应用结构，以完成多场合高精度临电预警安全帽的制备。