CN102680768B - 带自校正及自构电场的单极式电压测量传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带自校正及自构电场的单极式电压测量传感器及测量方法。传感器具体包括绝缘介质、高压电极、电场传感器、电压基准源、信号采集处理单元和数据接收终端。电压基准源为传感器提供一个原始的校准因子用于后续数测量时的据处理；利用高压探针获得电压信号，将其施加在高压电极上，带电高压电极会在空间形成一个电场，通过内置于电场空间的电场传感器采集电场信号，并将其转换为相应的感应电压，通过后续电路处理得出电极间电场的大小，再根据电场与施加电压的数值关系，逆向推算测量电压的大小。本发明具有响应速率快、无磁饱和、体积小，结构简单，安装方便、制造成本较低等优点。

Description

带自校正及自构电场的单极式电压测量传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及电力系统智能电网领域，具体是带自校正及自构电场的单极式电压测量传感器。

背景技术

现在作为电压传感器的有传统电磁式电压互感器，有源电子式电压互感器、光纤电压互感器等，但都各自存在局限性。传统电磁式电压互感器主要缺点：高压和超高压情况下绝缘困难，绝缘结构复杂，体积笨重，造价高；存在铁磁共振、磁饱和等现象，从而导致过电压信号失真，线性误差大；动态测量范围小，工作频率不高，很难捕捉到高频过电压信号。有源电子式电压互感器在结构上主要有两种结构：电阻式分压器和电容式分压器。电阻式分压器实际上存在着测量误差，其中分压器与其周围地电位的物体间存在的固有电场所引起的杂散电容，会引起一定的相位差，是造成测量误差的主要原因。电容分压器会因为温度和频率的改变而产生附加误差，且系统电压突变时的暂态过程过长，容易导致继电保护不能正常工作，还可能与系统中的感性元件形成谐振，出现过电压，危及设备及系统的正常运行；同时必须考虑其长期运行的可靠性、发热、阻抗匹配、交流冲击等一系列问题。光纤电压传感器主要有无源OVT、有源OVT两种。光纤传感器部分有复杂而不稳定的光学系统，可靠性与稳定性差，机械加工难度大，成本相对较高。有源光纤电压传感器需要在系统中安装高压分压器才能运行；无源光纤电压传感器的温度特性较差，测量精度受温度的影响较大，这也制约了其在电力系统中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的电压测量方式，新的电压传感器采用单极式测量，使得绝缘结构相对简单；提出了采用自构电场计算电压的方式，相比传统互感器，不存在饱和及谐振问题，动态测量范围宽，工作频率高，加工简单，成本较低，为输电线路、电气设备的电压测量及状态监测提供新的监测技术。

针对现有电压测量技术的缺点，本发明的带自校正及自构电场的单极式电压测量传感器，包括绝缘介质、高压电极、电场传感器、电压基准源和信号采集处理单元，其中：所述高压电极和电场传感器埋设在绝缘介质中，高压电极通过高压进线端连接高压探针获得电压信号；电场传感器采集高压电极所形成的电场信号，并将其转换为感应电压，输入信号采集处理单元进行处理。

高压进线端还通过开关与电压基准源连接，所述开关控制电压基准源的连接与断开实现传感器自校正测量。

所述信号采集处理单元收到的感应电压经信号预处理、模数转换和数据处理后，由无线传输发送到数据接收终端。所述数据接收终端包括无线接收和与其连接主机。

上述传感器的自校正测量方法包括的步骤如下：

a）接通电压基准源输入校准电压                                                

。

b）电场传感器获得感应电压

，经信号采集处理单元处理，计算出感应电场

，计算公式如下：

         

式中：表示感应电场

，ε表示介电常数，ω表示校准电压的角频率，表示输入电阻，C_M表示电场传感器外接的测量电容，

表示的有效值。

c）计算校正因子k,并将校正因子k保存到数据接收终端，计算公式为：

。

d）断开电压基准源，高压探针探测被测点电压，重复步骤b）的处理和计算，此时得到的

为

。

e）根据数据接收终端保存的校正因子k，获得被测电压

，计算公式为：。

本发明的技术带来的有益效果：系统采用高低压分离的结构，电场信号通过非接触式方式获得，保证了低压控制电路的安全工作。电场传感器都采用PCB工艺制作完成，简化装配过程，易于规模化生产。高压电极和低压控制电路各自采用屏蔽措施，使自构的空间电场保持均匀且不受外部电磁环境的干扰，同时使得控制电路不受高压电场的影响，保证系统工作的稳定性，提高测量的准确性。本发明传感器测量范围宽、响应速度快、无磁饱和、结构简单、安装方便、制造成本较低。

附图说明

图1为本发明测量系统输入电压等效电路；

图2为本发明的结构图。

具体实施方式

如图2所示，带自校正及自构电场的单极式电压测量传感器，包括绝缘介质1、高压电极3、电场传感器4、电压基准源5和信号采集处理单元6，其中：所述高压电极3和电场传感器4埋设在绝缘介质1中，高压电极3通过高压进线端2连接高压探针获得电压信号；电场传感器4采集高压电极3所形成的电场信号，并将其转换为感应电压，输入信号采集处理单元6进行处理；高压进线端2还通过开关与电压基准源5连接，所述开关控制电压基准源5的连接与断开实现传感器自校正测量。

所述信号采集处理单元6收到的感应电压经信号预处理、模数转换和数据处理后，由无线传输7发送到数据接收终端8。所述数据接收终端8包括无线接收和主机。

电压基准源5为测量系统提供一个原始的校准因子用于后续数据处理；电压传感器利用高压探针获得电压信号，将其施加在自构建电场电极上，带电高压电极会在空间形成一个电场，通过内置于电场空间的传感器采集电场信号，并将其转换为相应的感应电压，通过后续电路处理得出电极间电场的大小，再根据电场与施加电压的数值关系，逆向推算测量电压的大小，并将电压数据通过无线模块传输到数据接收终端，进行相应的处理和变换，最终完成电压的测量及状态监测。

由于静电感应的作用，平行板电容传感器（电场传感器）置于空间工频电场中时，两个极板间将产生感应电荷，相应也就存在了感应电压。在实际应用中，可以用一个具有一定内阻的感应电压源模型来等效平行板传感器。在传感器内部接入测量电容后，待测点的电场信号可以通过电场传感器测量电容

两端的电压来表征，该电压将作为测量系统的输入信号。忽略传感器、测量电容的固有电阻，工频电场测量系统输入电压的等效电路如图1所示。 

图中，

为等效感应电压源，为工频电压的角频率，

为平行板电容传感器的固有电容，为外接的测量电容，

是测量电路的输入电阻，

是测量系统输入电压，通过计算得到：

                      (1)

所以有：

                      (2)

假设

的初相角为

，则式(2)可表示为：

        (3)

当通过系统的后续处理电路求得测量系统输入电压

的有效值为，则感应电压

的有效值

为：

               (4)

假设传感器两极板间的感应电压为

，两极板间的距离为

，则两极板间的电场强度大小

可根据

求出。所以电场的有效值

为：

           (5)

当测量电容取为纳法级，远大于传感器固有电容，即，式(5)可化简为：

               (6)

设极板的表面积为

，两平行板间距为

，则平行板结构的传感器固有电容为： 

                              (7)

将式(7)代入式(6)可得：

             (8)

可以看出传感器的固有特性中其表面积和介电常数对测量电场的大小有影响。式(8)可进一步简写为：

                          (9)

式(9)中：

               (10)

式(9)表明，当测量参数都固定时，在工频交变电场中，平行板电容传感器所在位置的电场强度有效值与测量系统的输入电压信号成正比，通过测量电路精确地测量出输入电压的大小，就可以求出被测点的电场强度数值。

理论上通过测量得到电场的大小，根据场源之间的关系可逆算出电压的大小。但是由于电场除了与电压存在关系外，还与电极距离地面的高度、介质的介电常数、环境电场的影响程度等有关，因此在实际测量中要想知道单电极的电压与电场之间严格的数学关系是比较困难的。为了消除外界因数对测量结果的影响，本发明采用了一种自带校正的测量的方式。在进行正式测量前用自带的高压基准源先进行校正测量，由于基准源的电压已知，因此我们可以得到一个待测电压与电场之间的比例系数——校正因子，并将校正因子传输到主机，将其作为正式测量的校正系数。自校准完成后，将校正因子保存，关闭基准源，开始进入正式测量阶段，此阶段获得一个新的电场值。由于测量高度、介电常数等参数都不变，根据同一性质的电压作用下电场传感器的感应信号性质不变，大小与作用电压成正比的关系，即：

                         (11)

所以根据式(11)可以求出待测电压的大小：。

Claims (4)

1. 带自校正及自构电场的单极式电压测量传感器，其特征在于：包括绝缘介质（1）、高压电极（3）、电场传感器（4）、电压基准源（5）和信号采集处理单元（6），其中：所述高压电极（3）和电场传感器（4）埋设在绝缘介质（1）中，高压电极（3）通过与高压进线端（2）连接的高压探针获得电压信号；电场传感器（4）采集高压电极（3）所形成的电场信号，并将其转换为感应电压，输入信号采集处理单元（6）进行处理，然后由无线传输（7）发送到数据接收终端（8）；

高压进线端（2）还通过开关与电压基准源（5）连接，所述开关控制电压基准源（5）的连接与断开实现传感器自校正测量；

自校正测量方法的步骤如下：

a）接通电压基准源（5）输入校准电压                                               

；

b）电场传感器（4）获得感应电压

，经信号采集处理单元（6）处理，计算出感应电场，计算公式如下：

         

式中：

表示感应电场，ε表示介电常数，ω表示校准电压的角频率，

表示输入电阻，C_M表示电场传感器外接的测量电容，

表示

的有效值，S表示电场传感器的极板表面积；

c）计算校正因子k,并将校正因子k保存到数据接收终端（8），计算公式为：

；

d）断开电压基准源（5），高压探针探测被测点电压，重复步骤b）的处理和计算，此时得到的

为

；

e）根据数据接收终端（8）保存的校正因子k，获得被测电压，计算公式为：

。

2.根据权利要求1所述带自校正及自构电场的单极式电压测量传感器，其特征在于：所述信号采集处理单元（6）对收到的感应电压依次进行信号预处理、模数转换和数据处理。

3.根据权利要求2所述带自校正及自构电场的单极式电压测量传感器，其特征在于：所述数据接收终端（8）包括无线接收和与其连接的主机。

4.一种采用权利要求1所述带自校正及自构电场的单极式电压测量传感器的自校正测量方法，包括以下步骤：

a）接通电压基准源（5）输入校准电压

；

b）电场传感器（4）获得感应电压

，经信号采集处理单元（6）处理，计算出感应电场

，计算公式如下：

         

式中：

表示感应电场

，ε表示介电常数，ω表示校准电压的角频率，表示输入电阻，C_M表示电场传感器外接的测量电容，表示

的有效值，S表示电场传感器的极板表面积；

c）计算校正因子k,并将校正因子k保存到数据接收终端（8），计算公式为：

；

d）断开电压基准源（5），高压探针探测被测点电压，重复步骤b）的处理和计算，此时得到的为

；

e）根据数据接收终端（8）保存的校正因子k，获得被测电压

，计算公式为：

。

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