CN102116807A - 一种能够对电场畸变校正的三维工频电场测量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种能够对电场畸变校正的三维工频电场测量方法及其装置，方法中涉及采用三个电容式感应电压传感器的三对电极板分别垂直于三维坐标方向，构成三维组合的电容式感应电压传感器探头，在均匀电场产生装置中，测量当外加电场方向与X轴、Y轴及Z轴一致时的三个感应电压值及与其对应的电场；然后求得畸变影响因子 λ 。装置中涉及所述三维组合的电容式感应电压传感器探头及后续信号处理电路的构成。本发明提高了传感器的测量精度；实现了远程测量数据的采集；具有体积小、重量轻、便于安装携带的特点；测量精度误差在5%左右；适用于输电线路附近、变电站、高压开关、生活小区等附近的电场测量。

Description

一种能够对电场畸变校正的三维工频电场测量的方法及装置

技术领域

本发明属于电力系统工频电场测量领域，涉及一种能够对电场畸变校正的三维工频电场测量的方法及装置。

背景技术

近年来随着输电线路电压等级的提高，输变电设备周围的电场分布和电力系统电磁兼容等问题已越来越引起人们的重视，因此有关工频电场传感器测量系统已经成为研究的重点。

对于电场测量主要有小球法、电容充电法以及各种电位平衡的方法，都是以测量电位分布来达到测量电场的目的，所以它们较难准确地测量空间电场。电荷法是通过小球在电场中所捕获的电荷来计算电场的，它在实际测量中具有很大的局限性，也不适应于测量空间的电场分布。而电容探针法一般只用于测量电极表面的电场。近年来发展的声学法虽然具有很多特点，但它不适合于测量空间的暂态电场。对于这些电场测量都有相应的局限性。目前来看，行之有效的测量空间暂态电场的方法是球形传感器法和Povkels Effect法。二者相比，前者具有结构简单，价格便宜的特点。

针对目前电场测量的检测现状，主要需考虑以下四个问题：

（1）一次测量能同时得到三个方向的电场。

（2）为尽量减小传感器由于空间占位性而产生的畸变效应,需传感器体积尽可能小；但传感器体积过小，测量精度降低。所以需要在传感器体积与测量精度之间选择合适的体积大小。另一方面可以从传感器的形状上考虑，以减小由于传感器体积大小引起的畸变效应。

（3）测量点常处于高电位和强场区域,故测量系统的传感器与后级信号处理部分应隔离良好，减少由于连接线、探头和输出设备组成的信号传输通成为发射源,而对被测区域的电场产生干扰；以及空间电磁场在这些设备产生的电磁感应现象,将导致测量结果严重偏离真实值。

（4）测量系统应能测量瞬态场，如间隙放电、变电站开关操作等,同时能兼顾低频和高频的测量，要求响应速度快、频率响应范围宽。需要传感器响应速度快、灵敏度高。

发明内容

为克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种能够对电场畸变校正的三维工频电场测量方法，另一目的是提供一种能够对电场畸变校正的三维工频电场测量装置。

为实现上述目的而采用的技术方案是这样的，即一种能够对电场畸变校正的三维工频电场测量方法，包括以下步骤：

a)、在均匀电场产生装置中，建立三对分别垂直于三维坐标方向的电容式感应电压传感器，分别测量：当外加电场方向与X轴、Y轴及Z轴一致时的三个感应电压值                                                及与其对应的电场

；由于三对电极的测量值是相互间都会产生影响的，感应电压与外界电场强度的大小成正比，是一个线性的关系，并满足矩阵形式，即

式中λ为畸变影响因子；E为电容式感应电压传感器处的原始电场值；U为电容式感应电压传感器的感应电压，

为畸变影响因子矩阵，由于是在均匀电场产生装置获得的关系，E、U值都可获得，从而可以求得λ；

b）、然后用单电容式感应电压传感器进行实际的工频电场测量，将步骤a）中获得的畸变影响因子λ带入公式，即得实测三维工频电场的感应电压值。

一种能够对电场畸变校正的三维工频电场测量装置，其特征是包括探头部分和数据处理中心，其中：

探头部分由组合的电容式感应电压传感器、放大电路、滤波电路、高速数据采集器、中央信息处理器、GSM数据通信模块和电源电路构成；

所述组合的电容式感应电压传感器用于现场采集电场信号，由呈正六面布置在空心球体表面的、表面相互绝缘的三对平板电极构成，每对电极的输出端与放大电路的输入端连接；放大电路对采样信号的放大，其输出端与滤波电路的输入端相连，滤波电路对信号进行滤波处理，其输出端与高速数据采集器输入端相连;高速数据采集器用于将采集到的模拟信号转换成数字信号，其输出端与中央信息处理器的输入端连接；中央信息处理器接收数字信号，并进行存储，其输出端与GSM数据通信模块的输入端连接；GSM数据通信模块将数据通过通信网络发送到数据处理中心；电源电路为现场装置分别为放大电路、滤波电路、高速数据采集器、中央信息处理器、GSM数据通信模块提供电源；

数据处理中心由GSM通信模块，数据处理软件和PC机构成；数据处理软件根据接收的数据对信号进行处理，依据公式

，通过对λ的引入校正测量数据，以获得真实的实际电场值，式中λ为畸变影响因子；E为电容式感应电压传感器测得的现场原始电场值；U为电容式感应电压传感器的感应电压；其中λ采用以下的方法获得：

在均匀电场产生装置中，将上述电容式感应电压传感器，分别测量：当外加电场方向与X轴、Y轴及Z轴一致时的三个感应电压值

及与其对应的电场

；由于三对电极的测量值是相互间都会产生影响的，感应电压与外界电场强度的大小成正比，是一个线性的关系，并满足矩阵形式，即

式中λ为畸变影响因子；E为电容式感应电压传感器处的原始电场值；U为电容式感应电压传感器的感应电压，

为畸变影响因子矩阵，由于是在均匀电场产生装置获得的关系，E、U值都可求得，从而求得λ。

本发明内容进一步说明如下：

1) 根据空间三维电场的特点，设计了一个由三个电容式传感器集成的、每对电极板表面与三维坐标分别垂直的探头，可以同时测量空间区域三维方向的电场强度分量，所述传感器探头由呈正六面布置在空心球体表面的、表面相互绝缘的三对圆形铜平板电极构成，如图（1）所示。

基于MAXWELL方程和电场感应理论，当传感器探头在均匀电场下，假设电极的表面积为S，当球面上感应电荷的分布不再变化时，球外电场将达到稳定分布。外部空间电场的电势分布满足拉普拉斯方程。从而可得：

假设两端的电容为C,则

2）电场畸变分析及校正，任何一种导体处在某一电场中，电场就会引起该导体表面电荷的移动。同样导体上所带的电荷也产生一个场，这个电场叠加在原来的电场上，改变了导体附近的整个电场，这时导体周围的场称为“畸变场”。从探头空间占位性、不同材料、测量电极间耦合等方面分析了电场测量时引起的畸变量大小。结果表明在探头横向上探头越大，距离越近引起的电场畸变增加量越大；在探头纵向上探头越大，距离越近引起的电场畸变减小量越大；对于在铜球体附近电场增大量大，而塑料球体和树脂球的电阻抗高，在球体附近电场变化不明显；由于极间耦合效应主电极与副电极间产生的电场畸变较大，副电极与副电极之间由于电极所感应的电荷量较少，产生畸变量相对较小。采用影响因子矩阵对电场测量时引起的畸变进行校正。

在电场测量试验中，上述组合的电容式感应电压传感器探头中的电极对分别采用X、Y、Z表示。在测量中得到三个方向的感应电压

分别对应

。在理想情况下每个方向上的感应电压值仅与该方向上的电极测量之有关，但在实际测量中的

值的每一个元素都包含有三个部分，一个是探头在该方向上的测量电极单元自身的感应电压，其余两个是其他两个测量电极单元产生的影响电压（即探头空间占位性、不同材料、测量电极间耦合等因素引起的影响电压）。由于探头所测得的感应电压与外界电场强度的大小成正比，是一个线性的关系，于是可以把上述关系写成矩阵形式

式中

为影响因子矩阵；为探头处的原始电场值；

为探头的感应电压。

在均匀电场产生装置，电场值及其方向是可以唯一确定的，因此可以通过该单一方向的外加电场值分析三对电极分别为主电极时，求解影响因子矩阵里面的每一个元素对测量值的影响。

例如，当外加电场方向是以探头

方向为主时，可以求得影响因子矩阵的第一列元素与X轴方向的电场值

与感应电压的关系为

同理可以求得以探头

、

方向为主时影响因子矩阵与

、

及感应电压的关系矩阵分别为

计算时由于初始时的测量精度不够，因此在计算影响因子时尽量取数值比较大的值，从而提高计算精度。

本发明由于所述方法和装置而获得的效果是显而易见的：

（1）一次测量能得到经过电场畸变校正后的真实电场；

（2）传感器的结构紧凑积小；传感器的畸变效应很小；

（3）由于采用GSM数据通信模块与数据中心进行通信，减少了由于连接线、传感器和输出设备组成的信号传输通成为发射源,而对被测区域的电场产生干扰；以及空间电磁场在这些设备产生的电磁感应现象而导致的测量结果的严重偏离；

（4）传感器响应速度快、灵敏度高。

附图说明

图1是本发明的三维传感器探头结构模型；

图2是本发明单个电容式感应电压传感器的基本测量电极模型意图；

图3是本发明电场测量信号放大、滤波环节电路原理图；

图4是本发明电场测量传感器装置结构示意图；

图5是本发明的操作流程图；

图6是本发明测量结果拟合曲线图。

附图4中：11-三维组合的电容式感应电压传感器、12-放大电路、13-滤波电路、14-高速数据采集器、15-中央信息处理器、16- GSM数据通信模块、17-电源电路；21-GSM通信模块、22-数据处理软件、23-PC机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步描述：

实施例1  能够对电场畸变校正的三维工频电场测量装置

如图3、4所示，装置包括三维组合的电容式感应电压传感器11、放大电路12、滤波电路13、高速数据采集器14、中央信息处理器15、GSM数据通信模块16、电源电路17、GSM通信模块21、数据处理软件22和PC机23组成。每个电场测量的电极铜板用绝缘塑料隔离，保证每个板在物理上都是相互独立的个体。连接导线都焊接到铜板的边缘，其焊点应该尽量小并且光滑，同时铜板的边缘也被打磨得圆滑，这样可以防止由于焊点突出或者尖端效应引起的电荷分布不均，从而导致感应电压出现误差。感应电压的信号采用INA128高精度放大器对信号进行放大，在运算放大器TLC2254的缓冲输入双向并联二极管限制缓冲放大器两端输入之间的电压超过+5.7V，其低压保护的作用。输入端的R1、R2和C1、C2分别为100K和150PF构成无源低通滤波器，抑制高频干扰。运放输出的信号利用OP07CS芯片和R4、C4构成的二阶低通滤波器进行滤波处理，使得测量信号频率范围符合工频信号要求。其中R4、C4分别为1.47K和1UF。滤波器的输出端与高速数据采集器输入端相连。高速数据采集器作为电场测量装置的重要组成部分，其主要作用是将电场传感器采集到的模拟感应电压信号转化为单片机能识别的数字信号，以方便中央处理单元对其进行的数据计算、储存、传输等一系列工作。采用TI公司生产的模数转换器TLV1578IDA，其输出端与中央信息处理器的输入端连接；中央信息处理器15接收数字信号，并进行存储，采用TI公司出产的数字信号处理器TMS320LF2407，其输出端与GSM数据通信模块16的输入端连接；GSM数据通信模块16将数据上传到通信网络，并发送到数据处理中心，采用西门子公司生产的TC35i；电源电路17为现场装置提供电源，可直接采用锂电池供电。

实施例2  畸变影响因子λ的获取

在平行板电极均匀电场产生装置中进行了标定试验。按照国标GB/T12720–1991的规定，均匀电场产生装置中的平行板间距d 应不小于1.5 倍探头的侧面尺寸；传感器的边缘距底板的任一边缘不小于2d；平行板与最近的地面之间的距离应大于2d。设计平行极板面积为1.5×1.5m，厚度为2mm，两板间距d为0.5m，传感器探头半径为30mm, 测量电极半径与探头半径比固定为2/3，电极和绝缘介质的厚度为1mm，平行板电极和测量电极的材料属性为铜，绝缘介质为聚四氟乙炔。试验时将传感器探头正放在极板中间，感应面与电场强度方向垂直。将电压加在两个平行板电极上，调整电源电压从0kV增大到50kV，记录传感器的输出电压，并利用U/d 计算出工频电场的场强，为使测量值最大限度逼近真实值，通过对实际测量数据分析计算研究，可得到当探头直径为30mm时的影响因子矩阵为

实验结果如图6所示。从实际测量值和拟合曲线可以看出，本发明设计制作的传感器在0到5万伏的电压范围内有较好的线性度，适合于电力系统工频电场的测量。

本发明方法适用于：

1）用于检测各种电压等级的输电线路附近的电场；

2）用于变电站、高压开关、生活小区等附近的电场测量。

Claims (2)

1.一种能够对电场畸变校正的三维工频电场测量方法，包括以下步骤：

a)、在均匀电场产生装置中，由三个电容式感应电压传感器的三对电极板分别分别垂直于三维坐标方向，构成三维组合的电容式感应电压传感器探头，同时分别测量：当外加电场方向与X轴、Y轴及Z轴一致时的三个感应电压值                                                

及与其对应的电场

；然而三个电容式感应电压传感器测量值相互间会产生影响，但由于感应电压与外界电场强度的大小成正比，是一个线性的关系，并满足矩阵形式，即

 

式中λ为畸变影响因子；E为电容式感应电压传感器处的原始电场值；U为电容式感应电压传感器的感应电压，

为畸变影响因子矩阵，而且在均匀电场产生装置中E、U值都可获得，从而可以求得λ；

b）、然后用单电容式感应电压传感器进行实际的工频电场测量，将步骤a）中获得的畸变影响因子λ带入公式

，即得实测三维工频电场的感应电压值。

2.一种能够对电场畸变校正的三维工频电场测量装置，其特征是包括探头部分（1）和数据处理中心（2），其中：

探头部分（1）由三维组合的电容式感应电压传感器（11）、放大电路（12）、滤波电路（13）、高速数据采集器（14）、中央信息处理器（15）、GSM数据通信模块（16）和电源电路构成；

所述组合的电容式感应电压传感器（11）用于现场采集电场信号，由呈正六面布置在空心球体表面的、表面相互绝缘的三对平板电极构成，每对电极的输出端与放大电路（12）的输入端连接；

放大电路（12）对采样信号的放大，其输出端与滤波电路（13）的输入端相连，

滤波电路（13）对信号进行滤波处理，其输出端与高速数据采集器（14）输入端相连;

高速数据采集器（14）用于将采集到的模拟信号转换成数字信号，其输出端与中央信息处理器（15）的输入端连接；

中央信息处理器（15）接收数字信号，并进行存储，其输出端与GSM数据通信模块（16）的输入端连接；

GSM数据通信模块（16）将数据通过通信网络发送到数据处理中心（2）；

电源电路（17）为现场装置分别为放大电路（12）、滤波电路（13）、高速数据采集器（14）、中央信息处理器（15）、GSM数据通信模块（16）提供电源；

数据处理中心（2）由GSM通信模块（21），数据处理软件（22）和PC机（23）构成；数据处理软件（22）根据接收的数据对信号进行处理，依据公式

，通过对λ的引入校正测量数据，以获得真实的实际电场值，式中λ为畸变影响因子；E为电容式感应电压传感器测得的现场原始电场值；U为电容式感应电压传感器的感应电压；其中λ采用以下的方法获得：

在均匀电场产生装置中，将上述电容式感应电压传感器（11），分别测量：当外加电场方向与X轴、Y轴及Z轴一致时的三个感应电压值

及与其对应的电场

；由于三对电极的测量值是相互间都会产生影响的，感应电压与外界电场强度的大小成正比，是一个线性的关系，并满足矩阵形式，即

 

式中λ为畸变影响因子；E为电容式感应电压传感器处的原始电场值；U为电容式感应电压传感器的感应电压，

为畸变影响因子矩阵，由于是在均匀电场产生装置获得的关系，E、U值都可求得，从而求得λ。

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