電場傳感器的直流驗電器系統(tǒng)設計

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摘要:為了對高壓直流輸電(HVDC)的傳輸線進行可靠的帶電狀態(tài)檢驗，提出并設計了一種基于微機電系統(tǒng)(MEMS)電場傳感器的非接觸式直流驗電器系統(tǒng)。MEMS電場傳感器用于測量DC電場。為了實現(xiàn)對電場信號的采集和處理，設計了以32位嵌入式微處理器為核心的非接觸式直流驗電器系統(tǒng)。通過聲光預警模塊實現(xiàn)有電提醒，簡化驗電作業(yè)的操作復雜性。該系統(tǒng)的應用可以準確檢測直流輸電線路的帶電狀態(tài)信息，并在檢測到輸電線路帶電時及時報警，具有操作簡單，抗干擾能力強，電池壽命長達23h的特點。

關鍵詞:微機電系統(tǒng)(MEMS)電場傳感器;直流電場;直流驗電系統(tǒng);COMSOL仿真軟件

0引言

特高壓直流輸電(ultrahighvoltagedirectcurreut，UHVDC)具有線路傳輸能力強，損耗低，交流系統(tǒng)兩側無需同步運行，系統(tǒng)故障造成的損耗小等優(yōu)點［1～3］。隨著HVDC在電力工業(yè)中的使用越來越多，其在電網(wǎng)中傳輸?shù)碾娔艿谋壤苍谠黾?。這導致人們越來越關注直流傳輸?shù)谋Ｗo、監(jiān)測和檢測。根據(jù)電力線安全工作規(guī)程的規(guī)定，在進行傳輸線的操作和維護之前，必須檢查傳輸線是否仍然通電。高電壓等級的直流輸電工程有兩個基本特征:高設備結構參數(shù)和高工作參數(shù);同時，超高壓直流輸電線路還具有塔高，塔頭大，絕緣子串長的特點。再加上高空作業(yè)的原因，傳輸線周圍的空間場強越來越高，對驗電器的抗干擾能力和可靠性的要求也相應提高［4］。運用傳統(tǒng)的驗電設備來驗電，需要電力作業(yè)人員背著設備爬上鐵塔，進行接觸式的驗電。這不但極大地增加作業(yè)人員的勞動強度，而且操作復雜困難，具有一定的危險性。目前，國內(nèi)對直流驗電器的研究報道很少，主要是針對交流輸電線路的。夏善紅老師團隊在微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanicalsystem，MEMS)結構的電場傳感器方面做了大量的研究，首先提出一種新的基于絕緣體上硅(silicononinsulator，SOI)的微機電系統(tǒng)的電場傳感器敏感結構［5、6］，其電場敏感芯片得到了許多的應用;輸電線路工頻電場的測量［7、8］，一種能為帶電作業(yè)人員提供安全報警的預警系統(tǒng)［9］，地面中對大氣電場的測量［10］，空間三維電場的測量［11］。

本文在分析直流輸電線路徑向平面的電場強度分布特征的基礎上，結合MEMS傳感器的相關原理，提出并設計了一種基于MEMS電場傳感器的直流驗電器。

1、系統(tǒng)方案

驗電系統(tǒng)的主要構成有:MEMS電場傳感器、供電模塊、STM32處理分析模塊、聲光預警模塊、藍牙無線通信模塊等。MEMS電場傳感器感應電場強度信息相相應大小的電壓信號，利用STM32系列微處理器進行處理，控制預警模塊以聲光預警和發(fā)送數(shù)據(jù)的形式為現(xiàn)場作業(yè)人員提供直流高壓線路的詳細與準確的帶電狀態(tài)信息。而且還能夠?qū)y得的電場強度信息發(fā)送給監(jiān)測裝置。MEMS電場傳感器及其電路模塊都集成在高壓探頭中。信號處理電路對在直流電場下MEMS電場傳感器產(chǎn)生的電信號進行I/V轉換，鎖相放大，濾波和AD采樣，再將信息發(fā)送到中央處理芯片。中央處理芯片將對獲得的信號進行數(shù)據(jù)處理分析，以確定輸電線路的帶電狀態(tài)信息。

2、MEMS電場傳感裝置設計

2．1直流輸電線路電場分析

HVDC傳輸線在其周圍產(chǎn)生不同交流特性的電場，并且空間中的離子場和由線電荷產(chǎn)生的靜電場彼此疊加并耦合。高壓直流輸電線通常使用多分裂導體，并且可以通過Marktenberg方法分析表面電場。該方法計算簡單，各種分割線表面電場分析非常準確［12～14］。

基于該計算方法，在將地球視為零電位表面而不考慮其他環(huán)境因素的理想情況下。導線類型為6×720，子導線半徑為1．81×10－2m，分裂半徑為0．45m，根據(jù)公式等效為半徑0．355m，正負極之間的距離為22．5m，兩導線與地面間的距離為35．5m，額定電壓為±800kV的直流輸電線路。采用COMSOL仿真軟件仿真計算了雙極直流輸電線路的電場分布，并根據(jù)計算出的結果繪制直流輸電線路的電場分布云圖。

其為正負極性的兩種靜電場的相互疊加耦合，兩極導線外側場強大，地面電場矢量總體垂直于地面，但是在導線的投影間距內(nèi)的電場矢量有所不同。大地作為良導體使地面場強與忽略大地影響的情況有較大的增強。(b)為直流輸電線地面附近的電場強度分布，在兩極導線中心位置的電場強度低，在兩極導線投影位置的電場強度高，從中可以得到，為了達到更好的驗電準確性，驗電時應從正下方靠近輸電線路。

2．2傳感器選擇

與傳統(tǒng)的現(xiàn)場研磨電場傳感器相比，中國科學院開發(fā)的MEMS電場傳感器芯片探針，具有使用壽命、功耗低、體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點［16～19］。其測量范圍可達到±100kV/m，分辨率達到20V/m，并在輸電線下的電場測量中得到一定的應用［8］。因此，MEMS電場傳感器可以滿足本文系統(tǒng)設計所需的傳感器要求。

MEMS電場傳感器測量直流傳輸線的靜電場，并且驗電器系統(tǒng)通過金屬殼屏蔽離子場以測量靜電場。MEMS電場傳感器芯片的傳感原理。為了提高感應效率，屏蔽電極和傳感電極設計在同一結構層中。屏蔽電極接地，感應電極連接檢測電路。在芯片正上方施加電場E，當屏蔽電極在感應電極(+)和感應電極(－)之間左右振蕩時，使得感應電極周圍的電場發(fā)生變化，導致表面感應電荷量周期性變化，產(chǎn)生交流感應電流［9，10］。

3、系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3．1信號處理電路

MEMS電場傳感器感應出電場以產(chǎn)生交變電信號，并且信號轉換和處理系統(tǒng)分別處理由電場信號產(chǎn)生的交流電流量。信號轉換和處理電路如圖3所示。轉換為相同頻率的電壓信號，將其輸入到電壓跟隨器，通過信號預處理電路獲得放大，并鎖定鎖相放大器以輸出可測量的信號，以消除干擾量。最后進入A/D采集得到所需信號的值。

3．2控制器電路

系統(tǒng)主控制電路的處理芯片采用STM32系列高性能Cortex—M3核心型號STM32F103RBT6微控制器?？赏ㄟ^串口與藍牙模塊進行通信，將測量的電場強度信息發(fā)送到監(jiān)護人員的設備。處理控制器處理MEMS傳感器信號，當電場強度超過2．5kV/m時，控制聲光報警模塊進行有電提醒。

3．3系統(tǒng)程序設計

當初始化完成時，系統(tǒng)的主程序首先進入自測狀態(tài)，并且電場信號由MEMS傳感器收集并傳輸?shù)娇刂破?。控制器?zhí)行數(shù)據(jù)分析處理并確定警告是否提前。測量的直流電場強度以不同頻率的聲音和燈光閃爍表現(xiàn)出來。

3．4驗電系統(tǒng)實際應用

為了驗證所設計的非接觸式直流驗電器的可行性，在實驗室中進行了實際的驗電器測試。在測試中，使用1210高壓發(fā)生器產(chǎn)生直流高壓，并且通過導線模擬直流傳輸線。試驗使直流高壓發(fā)生器產(chǎn)生5～30kV的高壓，將所設計的直流驗電裝置放置于導線正下方70cm處，預先設置直流高壓發(fā)生器的電壓，再接通電壓開關，對其帶點狀態(tài)進行檢測。

4、結束語

1)針對直流輸電線路檢測中存在的問題，提出并設計了一種基于MEMS電場傳感器的非接觸直流檢測系統(tǒng)。MEMS電場傳感器用于檢測直流輸電線路的空間電場，提高了系統(tǒng)的檢測精度，實現(xiàn)了直流輸電線路的非接觸式檢測。

2)所設計的直流驗電系統(tǒng)集成電場測量與驗電結果預警于一體，整個驗電系統(tǒng)結構緊湊，相對傳統(tǒng)的驗電器具有良好的便攜性;系統(tǒng)采用低功耗的電場感應芯片和微控制器，擁有2400mAh鋰電池，可連續(xù)工作23h，保證了整個系統(tǒng)的續(xù)航能力。

3)本文所述直流輸電線路驗電系統(tǒng)在地面便能對直流輸電線路進行驗電操作，降低了電力作業(yè)人員的勞動強度，簡化了驗電作業(yè)的操作過程，更有效地保證了作業(yè)人員的人身安全，具有良好的應用前景。

4)該裝置還可用于石化、紡織、氣象等領域的靜電場測量。

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作者：唐立軍 周年榮 方正云 范良進 張文斌 單位：云南電網(wǎng)責任有限公司電力科學研究院 昆明理工大學 機電工程學院