CN113655267B - 一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器，包括传感器极板S1、传感器极板S2、传感器极板S3、传感器极板S4、传感器极板S5、传感器极板S6；当传感器由于装设误差、风吹、振动等发生角度偏移，虽然各极板的输出发生变化，但传感器整体输出的矢量幅值大小不发生变化，因此整体输出不会随着角度偏转产生较大的精度偏差，在复杂应用环境中具有更强的环境适用性。

Description

一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器

技术领域

本发明涉及电气设备领域，具体是一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器。

背景技术

随着智能电网的迅速发展，户外场景的雷电过电压的非接触测量得到广泛研究，虽然目前基于高压分压器、电光效应、电场耦合等检测原理存在大量的过电压传感器，却没有一种类型的传感器可以消除角度位置误差。对于户外等极端环境监测应用场景，传感器往往受到风、振动、人为安装偏差等因素影响，使得传感器偏离正常装设位置，带来无法忽视的电场测量误差，因此有必要提出一种能够免疫角度偏差的球面六电极式过电压传感器，无论传感器遭受何种程度的角度偏差，都能够通过各方向上的电场分量，稳定输出待测过电压信号。这种零角偏差测量的球面六电极传感器相比传统过电压传感器，在存在具有更好的抗干扰性和测量稳定性，能够广泛用于户外变电站、输配电线路等环境，具有更好的现场适应度。

目前过电压传感器主要包括直接法与间接法，直接法中，现有的CVT暂态过电压传感器虽然可以有效测得过电压传感器，但其需要在变压器套管末端出装设电容分压器与高压母线进行直接接触，这种阻容式过电压传感器节体积庞大质量极重，装设与拆卸不便，或者存在直接接触造成受潮发热，造成爆炸，部分CVT传感器甚至存在较强的波形畸变率，失真度较大。最重要的技术缺陷是，该类过电压传感器由于需要和母线进行直接联接，不适用于广泛的户外应用场景。另一方面，电磁式互感器的测量范围受到较为严重的限制，存在严重的磁滞饱和现象，基本无法满足宽频与过电压测量需求。

间接法非接触测量方法中，现有技术存在一种平行于导线放置的非接触感应装置，然而该装置体积大，需要占据特定位置的巨大空间，不利于更广范围内的应用。现有技术存在一种相对微型的过电压传感器，该传感器采用耦合式分压原理，但传感器本身只沿着垂直方向进行装设，对于水平方向上的过电压信号则无法实现充分感应，当电力系统出现多源过电压信号时，传感器往往仅感应到各过电压信号在垂直方向的分量叠加，因此无论从幅值还是相角信息来讲，传感器的准确度和抗耦合干扰性都不足以满足更加精确的测量需求。与此同时，传感器的装设角度必须严格固定，否则装设角度将会带来严重的精度偏差。现有技术存在一种电光效应的非接触过电压传感器，但是由于采用了光学晶体，导致结构相对复杂，具有严重的温度漂移误差，在低温到高温整个阶段具有差异明显的非线性比例矫正系数，导致其在长期运行可靠性行存在严重缺陷。

综合来看，目前的过电压传感器主要缺点可以归纳如下：1.传统的接触式过电压传感器(CVT或者电磁式)由于与待测导体有直接接触，同时体积庞大，不便于装卸，同时铁磁谐振与安全性问题容易不利于传感器的广泛应用。2.非接触式过电压传感器中，电光效应式传感器工艺复杂，成本较高，安装不便，长期影响运行稳定性仍未能得到有效改善，光学晶体温度可靠性不足，导致其测量稳定性不高；同时其它类型非接触过电压传感器需要严格装设与架空线下方，其对于装设角度和感应方向具有较为严格的要求。

在实际运用过程中，传感器经常会遭受到风吹、振动等环境因素干扰，带来不可避免的发生角度偏差，这种角度偏差对测量结果的精度影响是不可忽略的。然而，对于非接触过电压传感器而言，目前所有类型的传感器都不具备消除角度位置为传感器带来的测量误差，为提高测量稳定性，使传感器可以运用到更为广阔复杂的户外过电压监测场景，亟需一种新型过电压测量传感器改善传感器的角偏移测量性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器，包括传感器极板S1、传感器极板S2、传感器极板S3、传感器极板S4、传感器极板S5、传感器极板S6。

所有传感器极板为等面积的球冠。所有传感器极板组成一个球体，球心记为O。

所有传感器极板的材料为金属。

三组对位电极通过镂空的球面支撑框架进行支撑和隔离。

在以球心O为原点的空间球面坐标系中，传感器极板S1沿着y轴旋转180°后与传感器极板S2的位置重叠。传感器极板S1沿着x轴逆时针旋转90°后与传感器极板S3的位置重叠。传感器极板S1沿着x轴顺时针旋转90°后与传感器极板S4的位置重叠。传感器极板S1沿着y轴逆时针旋转90°后与传感器极板S5的位置重叠。传感器极板S1沿着y轴顺时针旋转90°后与传感器极板S6的位置重叠。

在以球心O为原点的空间球面坐标系中，传感器极板的球面坐标系如下所示：

式中，r、θ和分别表示传感器极板在空间球面坐标系中的径向距离、极角和方位角。S₁：r、S₂：r、S₃：r、S₄：r、S₅：r、S₆：r分别表示传感器极板S1、传感器极板S2、传感器极板S3、传感器极板S4、传感器极板S5、传感器极板S6的球面坐标。

其中，传感器极板S1平行于传感器极板S2，构成第一组对位极板。传感器极板S1通过表面的信号输出端子输出电场信号E1，并与传感器极板S2表面信号输出端子输出的电场信号E2进行差分，得到球面六电极式过电压传感器x方向上的差分电势U_x。

传感器极板S3平行于传感器极板S4，构成第二组对位极板。传感器极板S3通过表面的信号输出端子输出电场信号E3，并与传感器极板S4表面信号输出端子输出的电场信号E4进行差分，得到球面六电极式过电压传感器y方向上的差分电势U_y。

传感器极板S5平行于传感器极板S6，构成第三组对位极板。传感器极板S5通过表面的信号输出端子输出电场信号E5，并与传感器极板S6表面信号输出端子输出的电场信号E6进行差分，得到球面六电极式过电压传感器z方向上的差分电势U_z。

传感器极板S1、传感器极板S2产生的差分电势U_x如下所示：

传感器极板S3、传感器极板S4产生的差分电势U_y如下所示：

传感器极板S5、传感器极板S6产生的差分电势U_z如下所示：

式中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆分别表示传感器极板S1、传感器极板S2、传感器极板S3、传感器极板S4、传感器极板S5、传感器极板S6的表面电荷密度。E₀为球面六电极式过电压传感器的中央电场。C₁是传感器的自电容。k是差分系数。A为传感器极板所代表高斯积分面积。

差分电势U_x、差分电势U_y、差分电势U_z和球面六电极式过电压传感器电场输出幅值信号E_out的关系如下所示：

式中，r'、θ'和分别表示电场输出信号在空间球面坐标系中的径向距离、极角和方位角。

球面六电极式过电压传感器电场输出幅值信号E_out和被测导体监测点过电压信号U_out关系由线性拟合方法确定。

所述球面六电极式过电压传感器位于带电架空线下方的电场环境中。

球面六电极式过电压传感器所处区域的时域电场E(t)如下所示：

式中，为其它场源的时域电势；r代表测点至导线轴心的等效半径；l_r为输电导线轴线距离；为当前电场矢量的单位向量；所示其他场源为所测环境中裸露的除输电导线以外的带电导体。

球面六电极式过电压传感器在x方向上的传递函数H_x(s)如下所示：

式中，C₁为传感器极板自电容。C₂为相邻传感器极板的互电容。R_m1为第一组对位极板差动结构伴随输入阻抗。C_t1、C_t2分别表示传感器极板S1、传感器极板S2对被测导体的分布电容。C_d1表示传感器极板S1对大地的杂散电容。为输入参数。s＝δ+jω。δ为相角。ω为角频率。

球面六电极式过电压传感器在x方向上的幅频特性函数|H_x(ω)|如下所示：

球面六电极式过电压传感器在x方向上的相频特征函数∠H_x(ω)

如下所示：

球面六电极式过电压传感器在y方向上的传递函数H_y(s)如下所示：

式中，C₁为传感器极板自电容。C₂为相邻传感器极板的互电容。R_m2为第二组对位极板差动结构伴随输入阻抗。C_t3、C_t4分别表示传感器极板S3、传感器极板S4对被测导体的分布电容。C_d3表示传感器极板S3对大地的杂散电容。为输入参数。s＝δ+jω。δ为相角。ω为角频率。

球面六电极式过电压传感器在y方向上的幅频特性函数|H_y(ω)|如下所示：

球面六电极式过电压传感器在y方向上的相频特征函数∠H_y(ω)如下所示：

球面六电极式过电压传感器在z方向上的传递函数H_z(s)如下所示：

式中，C₁为传感器极板自电容。C₂为相邻传感器极板的互电容。R_m3为第三组对位极板差动结构伴随输入阻抗。C_t5、C_t6分别表示传感器极板S5、传感器极板S6对被测导体的分布电容。C_d5表示传感器极板S5对大地的杂散电容。为输入参数。s＝δ+jω。δ为相角。ω为角频率。

球面六电极式过电压传感器在z方向上的幅频特性函数|H_z(ω)|如下所示：

球面六电极式过电压传感器在z方向上的相频特征函数∠H_z(ω)如下所示：

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明有益效果如下：

1)传感器采用的是位于对位位置上的三对金属极板，实现了对空间电场信号的全方位监测，保证传感器具有零角偏测量误差；

2)当传感器由于装设误差、风吹、振动等发生角度偏移，虽然各极板的输出发生变化，但传感器整体输出的矢量幅值大小不发生变化，因此整体输出不会随着角度偏转产生较大的精度偏差，在复杂应用环境中具有更强的环境适用性；

3)传感器可同时实现三维全向电场感应，通过独立信号通道传输至上位机，并参与最终信号输出合成，在分析过电压特征时，也可充分参照各电场分量的幅频特征关系，进而为过电压故障类型提供更加丰富的分析参数。

4)在一些更加复杂的场景，该非接触式全向零角偏传感器可为电场/过电压监测提供更加可靠的信号来源，未来可以在无人机、航海/航空等空间电场探测领域进行更加广泛的应用。

附图说明

图1为差分耦合式部分球面感应模型；

图2为三维六极板空间瞬态电场感应模型；

图3为传感器环氧树脂框架支架；

图4为消除角度位置偏差的坐标转换图示；

图5为传感器等效电路模型；

图6为广义节点法等效模型；

图7为0°、45°情况下传感器输出与电场大小的关系。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1至图3，一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器，包括传感器极板S1、传感器极板S2、传感器极板S3、传感器极板S4、传感器极板S5、传感器极板S6。

所有传感器极板为等面积的球冠。所有传感器极板组成一个球体，球心记为O。

所有传感器极板的材料为金属。

三组对位电极通过镂空的球面支撑框架进行支撑和隔离。

在以球心O为原点的空间球面坐标系中，传感器极板S1沿着y轴旋转180°后与传感器极板S2的位置重叠。传感器极板S1沿着x轴逆时针旋转90°后与传感器极板S3的位置重叠。传感器极板S1沿着x轴顺时针旋转90°后与传感器极板S4的位置重叠。传感器极板S1沿着y轴逆时针旋转90°后与传感器极板S5的位置重叠。传感器极板S1沿着y轴顺时针旋转90°后与传感器极板S6的位置重叠。

在以球心O为原点的空间球面坐标系中，传感器极板的球面坐标系如下所示：

式中，r、θ和分别表示传感器极板在空间球面坐标系中的径向距离、极角和方位角。S₁：r、S₂：r、S₃：r、S₄：r、S₅：r、S₆：r分别表示传感器极板S1、传感器极板S2、传感器极板S3、传感器极板S4、传感器极板S5、传感器极板S6的球面坐标。

其中，传感器极板S1平行于传感器极板S2，构成第一组对位极板。传感器极板S1通过表面的信号输出端子输出电场信号E1，并与传感器极板S2表面信号输出端子输出的电场信号E2进行差分，得到球面六电极式过电压传感器x方向上的差分电势U_x。

传感器极板S3平行于传感器极板S4，构成第二组对位极板。传感器极板S3通过表面的信号输出端子输出电场信号E3，并与传感器极板S4表面信号输出端子输出的电场信号E4进行差分，得到球面六电极式过电压传感器y方向上的差分电势U_y。

传感器极板S5平行于传感器极板S6，构成第三组对位极板。传感器极板S5通过表面的信号输出端子输出电场信号E5，并与传感器极板S6表面信号输出端子输出的电场信号E6进行差分，得到球面六电极式过电压传感器z方向上的差分电势U_z。

传感器极板S1、传感器极板S2产生的差分电势U_x如下所示：

传感器极板S3、传感器极板S4产生的差分电势U_y如下所示：

传感器极板S5、传感器极板S6产生的差分电势U_z如下所示：

式中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆分别表示传感器极板S1、传感器极板S2、传感器极板S3、传感器极板S4、传感器极板S5、传感器极板S6的表面电荷密度。E₀为球面六电极式过电压传感器的中央电场。C₁是传感器的自电容。k是差分系数。A为传感器极板所代表高斯积分面积。U_S1–S2是两个电极的输出信号。

公式(2)-公式(4)中，在同一测点位置下，可视作kx＝ky＝kz。

差分电势U_x、差分电势U_y、差分电势U_z和球面六电极式过电压传感器电场输出幅值信号E_out的关系如下所示：

式中，r'、θ'和分别表示电场输出信号在空间球面坐标系中的径向距离、极角和方位角。

本实施例中球面六电极式过电压传感器电场输出幅值信号E_out和被测导体监测点过电压信号U_out的关系如下所示：

E_out＝740.7U_out-15.07 (6)

I)测得来自三维垂直方向上的差分信号即E_x、E_y、E_z；

II)计算最终输出Eout与它的矢量信息(即幅度、方位角、俯仰角)

III)根据传感器的绝缘性能及感应灵敏度对装设高度的需求，确定测点位置，并测得n_t＝10次数据以上，进行线性度拟合分析，从而得到如式(6)的线性拟合系数与截距，及电场信号Eout与Uout的关系。

所述球面六电极式过电压传感器位于带电架空线下方的电场环境中。

球面六电极式过电压传感器所处区域的时域电场E(t)如下所示：

式中，为其它场源的时域电势；r代表测点至导线轴心的等效半径；当待测电场的测点位于输电导线下方区域时，则r代表测点至导线轴心的等效半径；当测点位于变电站内其它带电导体附近，r同样代表测点至导体轴心的等效半径；l_r为输电导线轴线距离；为当前电场矢量的单位向量；所示其他场源为所测环境中裸露的除输电导线以外的带电导体，如变电站内的合闸开关等。

球面六电极式过电压传感器在x方向上的传递函数H_x(s)如下所示：

式中，C₁为传感器极板自电容。C₂为相邻传感器极板的互电容。R_m1为第一组对位极板差动结构伴随输入阻抗。C_t1、C_t2分别表示传感器极板S1、传感器极板S2对被测导体的分布电容。C_d1表示传感器极板S1对大地的杂散电容。为输入参数。s＝δ+jω。δ为相角。

ω为角频率。

球面六电极式过电压传感器在x方向上的幅频特性函数|H_x(ω)|如下所示：

球面六电极式过电压传感器在x方向上的相频特征函数∠H_x(ω)如下所示：

球面六电极式过电压传感器在y方向上的传递函数H_y(s)如下所示：

式中，C₁为传感器极板自电容。C₂为相邻传感器极板的互电容。R_m2为第二组对位极板差动结构伴随输入阻抗。C_t3、C_t4分别表示传感器极板S3、传感器极板S4对被测导体的分布电容。C_d3表示传感器极板S3对大地的杂散电容。为输入参数。s＝δ+jω。δ为相角。ω为角频率。为保证式(11)的有效性，杂散电容C_d3需要远大于C_t3，同时C_t3+C_d3+2C₁+4C₂＞＞1，远大于的标准是大三个数量级以上。

球面六电极式过电压传感器在y方向上的幅频特性函数|H_y(ω)|如下所示：

球面六电极式过电压传感器在y方向上的相频特征函数∠H_y(ω)如下所示：

球面六电极式过电压传感器在z方向上的传递函数H_z(s)如下所示：

式中，C₁为传感器极板自电容。C₂为相邻传感器极板的互电容。R_m3为第三组对位极板差动结构伴随输入阻抗。C_t5、C_t6分别表示传感器极板S5、传感器极板S6对被测导体的分布电容。C_d5表示传感器极板S5对大地的杂散电容。为输入参数。s＝δ+jω。δ为相角。ω为角频率。

球面六电极式过电压传感器在z方向上的幅频特性函数|H_z(ω)|如下所示：

球面六电极式过电压传感器在z方向上的相频特征函数∠H_z(ω)如下所示：

实施例2：

一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器，包括传感器极板S1、传感器极板S2、传感器极板S3、传感器极板S4、传感器极板S5、传感器极板S6。

所有传感器极板为等面积的球冠。所有传感器极板组成一个球体，球心记为O。

所有传感器极板的材料为金属。

三组对位电极通过镂空的球面支撑框架进行支撑和隔离。

在以球心O为原点的空间球面坐标系中，传感器极板S1沿着y轴旋转180°后与传感器极板S2的位置重叠。传感器极板S1沿着x轴逆时针旋转90°后与传感器极板S3的位置重叠。传感器极板S1沿着x轴顺时针旋转90°后与传感器极板S4的位置重叠。传感器极板S1沿着y轴逆时针旋转90°后与传感器极板S5的位置重叠。传感器极板S1沿着y轴顺时针旋转90°后与传感器极板S6的位置重叠。

在以球心O为原点的空间球面坐标系中，传感器极板的球面坐标系如下所示：

式中，r、θ和分别表示传感器极板在空间球面坐标系中的径向距离、极角和方位角。S₁：r、S₂：r、S₃：r、S₄：r、S₅：r、S₆：r分别表示传感器极板S1、传感器极板S2、传感器极板S3、传感器极板S4、传感器极板S5、传感器极板S6的球面坐标。

其中，传感器极板S1平行于传感器极板S2，构成第一组对位极板。传感器极板S1通过表面的信号输出端子输出电场信号E1，并与传感器极板S2表面信号输出端子输出的电场信号E2进行差分，得到球面六电极式过电压传感器x方向上的差分电势U_x。

传感器极板S3平行于传感器极板S4，构成第二组对位极板。传感器极板S3通过表面的信号输出端子输出电场信号E3，并与传感器极板S4表面信号输出端子输出的电场信号E4进行差分，得到球面六电极式过电压传感器y方向上的差分电势U_y。

传感器极板S5平行于传感器极板S6，构成第三组对位极板。传感器极板S5通过表面的信号输出端子输出电场信号E5，并与传感器极板S6表面信号输出端子输出的电场信号E6进行差分，得到球面六电极式过电压传感器z方向上的差分电势U_z。

传感器极板S1、传感器极板S2产生的差分电势U_x如下所示：

传感器极板S3、传感器极板S4产生的差分电势U_y如下所示：

传感器极板S5、传感器极板S6产生的差分电势U_z如下所示：

式中，σ₁、σ₂分别表示传感器极板S1、传感器极板S2的表面电荷密度。E₀为球面六电极式过电压传感器的中央电场。C₁是传感器的自电容。k是差分系数。A为传感器极板所代表高斯积分面积。U_S1–S2是两个电极的输出信号。

实施例3：

一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器，如图2所示，该传感器由等面积大小的六个极板构成，分别由S1–S6表示，每个极板由部分球面构成，在空间三维正交坐标系下，在以球心O为原点的空间球面坐标系中，传感器极板的球面坐标系如下所示：

式中，r、θ和分别表示传感器极板在空间球面坐标系中的径向距离、极角和方位角。S₁：r、S₂：r、S₃：r、S₄：r、S₅：r、S₆：r分别表示传感器极板S1、传感器极板S2、传感器极板S3、传感器极板S4、传感器极板S5、传感器极板S6的球面坐标。

本式确定为其中位于最上方的极板S1的确定方法，其中r,θ,and分别是空间球面坐标系的径向距离、极角与方位角。其余各面的确定方法为，S2以S1沿着y轴旋转180°得到，S3为S1沿着x轴逆时针旋转90°得到，S4为S1沿着x轴顺时针旋转90°得到。S5为S1沿着y轴逆时针旋转90°得到，S6为S1沿着y轴顺时针旋转90°得到。如此，传感器的六个面大小、空间大小与相对关系则确定下来。所有六个电极按照对位关系分为三组，分别代表传感器正常装设情况下x-y-z方向上的电场分量大小。

各极板采用纯度为5N的纯铜材料，根据半径R大小，极板大小尺寸有三种可供选择，分别是30,40,50mm，在这种尺寸结构下，传感器具有提高的感应零度度；极板厚度为1,1.5,2mm，极板间距为1,1.5,2mm，从而保证良好的绝缘特性。

三对位极板在各个传感器表面预留有信号输出端子，可通过封装内部布线，将信号传输至6个插脚，并两两差分，形成x-y-z方向上的差分电场信号，代表着传感器的信号输出。如图3所示，三组对位电极通过镂空的球面支撑框架进行支撑和隔离，各框架对应的外半径分别为30,40,50mm,内半径为28,38,48mm，托架表面低于铜片1mm，托架框架间距离间隔1mm。托架的外表面框架确定方程也是同于方程(3)，内表面框架同于方程(3)，不过同数值情况下，小于外径2mm。

如图1所示，带电架空导线(单相三相输电导线，或者其它场源环境)会在其周围产生非均匀电场场，当传感器位于带电架空线下方的电场环境中时，其装设位置的电场大小可以按照如下关系式进行确定

其中，E(t)为传感器所处区域的时域电场大小，输电导线等其它场源的时域电势大小，r为输电导线或其它场源等效半径，轴线距离为l_r。为当前电场矢量的单位向量。通过本式可以得到任意场源作用下，空间电场强度计算方法。

由于电场耦合效应，在电场环境的作用下，位于架空线下方的上下极板会因为积累电荷量的不同，产生对应的差分电势，代表着垂直方向(z方向)的电场分量，其差分电势的大小为

其中，σ₁,σ₂是两个电极不同的表面电荷密度，U_S1–S2是两个电极的输出信号，正比于中央电场大小E₀，C₁是传感器的自电容。k是差分系数，跟传感器的垂直位置、表面积有关。本式得到了在电场作用下，双极板电极的输出电压大小。

在此情况下，当传感器发生沿着某一角度进行旋转的过程中，如图4，三对电极的信号输出可以视作沿着空间球面坐标系的坐标变换，记球面传感器旋转前后的矢量信号为U_x、U_y、U_z，与U_x’，U_y’，U_z’。传感器沿图示x轴方向，进行角度为θ的逆时针旋转，则矢量信号变化的过程为：

可以看出，三维球面传感器沿着任意坐标轴进行轴向旋转，可视作分步坐标变换。各差分电极采集的矢量信号幅值U_x、U_y、U_z，与U_x’，U_y’，U_z’发生变化，但总体输出信号大小不变，但是U_out始终保持不变，因此可以看出传感器装设角度不会产生位置误差，从而实现零角偏差测量。

因此将传感器的3路信号输出通过独立信号通道传输至上位机进行矢量合成，则可以得到总体电场信号输出E_out，这真实反应了由于场源大小的暂态属性，根据传感器的三对极板输出信号幅值，可以得到总体电场矢量大小与角度关系。即矢量电场大小为具体的矢量大小与角度关系可由如下式进行确定

本实施例给出该传感器的等效电路分析方法，采用等效电容、邻位电容、杂散电容、分布电容、输入电阻参数，对球面六电极传感器进行电路等效并进行分析，如图5，节点1～6分别为传感器六电极电位节点，将节点0设定为架空线电位等效点，C_m1为对位极板自电容，C₂为邻位极板的互电容，传感器具有高度对称结构，可设定各极板的自电容和互电容分别相等，R_mi(i＝1～3)为对极板差动结构伴随输入阻抗，C_ti、C_di(i＝1～6)分别为传感器六个极板对被测导体的分布电容以及对大地之间的杂散电容。

本实施例采用广义节点等效法对图5进行等效简化得到图6，从而得到各方向上的幅-相-频特征，以x方向为例，具有如下特征，传递函数：

幅频特性函数：

相频特征函数：

三对电极分别输出来自x-y-z方向上电场分量大小U_x、U_y、U_z，通过三独立信号通路进行信号处理，并将最终合成输出信号传输至上位机部分，本专利中传感器装设位置距离导线约为15cm，可以得到最终输出电场和过电压之间的线性拟合关系，如图7所示，如此，便实现了综合电场测量到过电压幅值之间的关系推导。

E＝740.7U_out-15.07 (9)

试验方法：为检验实测过程中传感器测量结果受测量角度影响较小，采用工频电磁场分析仪EFA-300完成距离导线15cm的测点电场测量，在0～12kV暂态过电压峰值范围内以2kV为步进间隔进行测量，因放电机理与设备控制问题，以高压探头信号U_p输出作为实际信号激励大小。实验得到传感器分别在偏置角0°、30°、45°

情况下，S₁-S₂、S₃-S₄、S₅-S₆对极板输出信号的对比结果。

表1偏置角为0°时测试结果

表2偏置角为45°时测试结果

Claims (10)

1.一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器，其特征在于：包括传感器极板S1、传感器极板S2、传感器极板S3、传感器极板S4、传感器极板S5、传感器极板S6；

其中，传感器极板S1平行于传感器极板S2，构成第一组对位极板；传感器极板S1通过表面的信号输出端子输出电场信号E1，并与传感器极板S2表面信号输出端子输出的电场信号E2进行差分，得到球面六电极式过电压传感器x方向上的差分电势U_x；

传感器极板S3平行于传感器极板S4，构成第二组对位极板；传感器极板S3通过表面的信号输出端子输出电场信号E3，并与传感器极板S4表面信号输出端子输出的电场信号E4进行差分，得到球面六电极式过电压传感器y方向上的差分电势U_y；

传感器极板S5平行于传感器极板S6，构成第三组对位极板；传感器极板S5通过表面的信号输出端子输出电场信号E5，并与传感器极板S6表面信号输出端子输出的电场信号E6进行差分，得到球面六电极式过电压传感器z方向上的差分电势U_z；

传感器极板S1、传感器极板S2产生的差分电势U_x如下所示：

传感器极板S3、传感器极板S4产生的差分电势U_y如下所示：

传感器极板S5、传感器极板S6产生的差分电势U_z如下所示：

式中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆分别表示传感器极板S1、传感器极板S2、传感器极板S3、传感器极板S4、传感器极板S5、传感器极板S6的表面电荷密度；E₀为球面六电极式过电压传感器的中央电场；C₁是传感器的自电容；kx、ky、kz是同一测点处差分系数；A为传感器极板所代表高斯积分面积；

差分电势U_x、差分电势U_y、差分电势Uz和球面六电极式过电压传感器电场输出幅值信号E_out的关系如下所示：

式中，r'、θ'和分别表示电场输出幅值信号在空间球面坐标系中的径向距离、极角和方位角；

球面六电极式过电压传感器电场输出幅值信号E_out和被测导体监测点过电压信号U_out关系由线性拟合方法确定。

2.根据权利要求1所述的一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器，其特征在于：所有传感器极板为等面积的球冠；所有传感器极板组成一个球体，球心记为O。

3.根据权利要求1所述的一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器，其特征在于：所有传感器极板的材料为金属。

4.根据权利要求1所述的一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器，其特征在于：三组对位电极通过镂空的球面支撑框架进行支撑和隔离。

5.根据权利要求1所述的一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器，其特征在于：在以球心O为原点的空间球面坐标系中，传感器极板S1沿着y轴旋转180°后与传感器极板S2的位置重叠；传感器极板S1沿着x轴逆时针旋转90°后与传感器极板S3的位置重叠；传感器极板S1沿着x轴顺时针旋转90°后与传感器极板S4的位置重叠；传感器极板S1沿着y轴逆时针旋转90°后与传感器极板S5的位置重叠；传感器极板S1沿着y轴顺时针旋转90°后与传感器极板S6的位置重叠。

6.根据权利要求1所述的一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器，其特征在于：在以球心O为原点的空间球面坐标系中，传感器极板的球面坐标系如下所示：

式中，r、θ和分别表示传感器极板在空间球面坐标系中的径向距离、极角和方位角；S₁：r、S₂：r、S₃：r、S₄：r、S₅：r、S₆：r分别表示传感器极板S1、传感器极板S2、传感器极板S3、传感器极板S4、传感器极板S5、传感器极板S6的球面坐标。

7.根据权利要求1所述的一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器，其特征在于：所述球面六电极式过电压传感器位于带电架空线下方的电场环境中；

球面六电极式过电压传感器所处区域的时域电场E(t)如下所示：

式中，为其它场源的时域电势；r代表测点至导线轴心的等效半径；l_r为输电导线轴线距离；为当前电场矢量的单位向量；所示其他场源为所测环境中裸露的除输电导线以外的带电导体。

8.根据权利要求1所述的一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器，其特征在于，球面六电极式过电压传感器在x方向上的传递函数H_x(s)如下所示：

式中，C₁为传感器极板自电容；C₂为相邻传感器极板的互电容；R_m1为第一组对位极板差动结构伴随输入阻抗；C_t1、C_t2分别表示传感器极板S1、传感器极板S2对被测导体的分布电容；C_d1表示传感器极板S1对大地的杂散电容；为输入参数；参数s＝δ+jω；δ为相角；ω为角频率；

球面六电极式过电压传感器在x方向上的幅频特性函数|H_x(ω)|如下所示：

球面六电极式过电压传感器在x方向上的相频特征函数∠H_x(ω)如下所示：

9.根据权利要求1所述的一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器，其特征在于，球面六电极式过电压传感器在y方向上的传递函数H_y(s)如下所示：

式中，C₁为传感器极板自电容；C₂为相邻传感器极板的互电容；R_m2为第二组对位极板差动结构伴随输入阻抗；C_t3、C_t4分别表示传感器极板S3、传感器极板S4对被测导体的分布电容；C_d3表示传感器极板S3对大地的杂散电容；为输入参数；参数s＝δ+jω；δ为相角；ω为角频率；C_t3+C_d3+2C₁+4C₂＞＞1；

球面六电极式过电压传感器在y方向上的幅频特性函数|H_y(ω)|如下所示：

球面六电极式过电压传感器在y方向上的相频特征函数∠H_y(ω)如下所示：

10.根据权利要求1所述的一种零角偏差测量的球面六电极式过电压传感器，其特征在于，球面六电极式过电压传感器在z方向上的传递函数H_z(s)如下所示：

式中，C₁为传感器极板自电容；C₂为相邻传感器极板的互电容；R_m3为第三组对位极板差动结构伴随输入阻抗；C_t5、C_t6分别表示传感器极板S5、传感器极板S6对被测导体的分布电容；C_d5表示传感器极板S5对大地的杂散电容；为输入参数；参数s＝δ+jω；δ为相角；ω为角频率；

球面六电极式过电压传感器在z方向上的幅频特性函数|H_z(ω)|如下所示：

球面六电极式过电压传感器在z方向上的相频特征函数∠Hz(ω)如下所示：

式中，R_m3为第三组对位极板差动结构伴随输入阻抗。