華南理工大學(xué)電力學(xué)院的研究人員江陶然、劉希喆，在2019年第1期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文（論文標(biāo)題為“基于拓?fù)渥儞Q的非接觸式電壓傳感器”）指出，設(shè)立線路電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取節(jié)點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，若采用接觸式電壓傳感器在某些無(wú)法破壞線路絕緣層的節(jié)點(diǎn)處將無(wú)法獲得電壓數(shù)據(jù)。相對(duì)于傳統(tǒng)電壓傳感器，非接觸式電壓傳感器具有裝卸簡(jiǎn)便、施工安全性高、不受線路絕緣影響等優(yōu)勢(shì)，將成為未來(lái)電壓測(cè)量裝置的發(fā)展方向。

該文對(duì)傳統(tǒng)電場(chǎng)耦合式非接觸電壓傳感器測(cè)量原理進(jìn)行分析，針對(duì)傳統(tǒng)方法下線路與極板間寄生電容無(wú)法實(shí)地求解的問(wèn)題提出改進(jìn)方案。改進(jìn)后的電壓傳感器通過(guò)拓?fù)渥儞Q法獲得一系列原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)經(jīng)Butterworth數(shù)字高通濾波、小波降噪后進(jìn)行寄生電容計(jì)算，最終重構(gòu)待測(cè)電壓。

對(duì)基于拓?fù)渥儞Q的非接觸式電壓傳感器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、暫態(tài)響應(yīng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后的電壓傳感器具有較好的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)性能，幅值與相位偏移較小，且能夠較好地復(fù)現(xiàn)暫態(tài)電壓波形，具有實(shí)用價(jià)值。

電力系統(tǒng)中，線路電壓作為一項(xiàng)基本數(shù)據(jù)，在眾多的工程項(xiàng)目與理論研究中具有十分重要的地位。目前中壓電網(wǎng)普遍使用的電壓測(cè)量方法是采用傳統(tǒng)電壓互感器將電壓隔離并降低到測(cè)量表計(jì)可承受的范圍內(nèi)，在二次側(cè)通過(guò)電壓表計(jì)獲得電壓信息。然而，傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器（Potential Transformer,PT）和電容式電壓互感器（Capacitive Voltage Transformer, CVT）因體積大、價(jià)格昂貴、絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易安裝等缺點(diǎn)極大地限制了傳統(tǒng)電壓互感器的應(yīng)用場(chǎng)景。

在低壓配電網(wǎng)電壓監(jiān)測(cè)中，盡管不需要電壓互感器進(jìn)行隔離降壓，但在一些不便于破壞絕緣層的線路節(jié)點(diǎn)，接觸式電表無(wú)法有效獲得電壓值。我國(guó)當(dāng)前正處于大力發(fā)展配電網(wǎng)的時(shí)期，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集對(duì)配電網(wǎng)發(fā)展將有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，一種小型化、低成本、無(wú)需金屬接觸、具有較好環(huán)境適應(yīng)性的電壓傳感器具有極大地研究?jī)r(jià)值。

文獻(xiàn)[8]最早提出了非接觸式的電壓測(cè)量原理，采用以一定頻率振動(dòng)的探頭靠近待測(cè)線路，通過(guò)構(gòu)造時(shí)變的線路-探頭電容用以獲取待測(cè)線路電位。但這種測(cè)量方案因測(cè)量帶寬受限于探頭振動(dòng)頻率而在實(shí)際應(yīng)用中存在極大的局限性。

近年來(lái)提出的測(cè)量方案多數(shù)采用靜止耦合電容探頭，根據(jù)電壓等級(jí)的不同固定在線路絕緣表面或者線路附近，利用待測(cè)金屬線路與金屬探頭間形成的微小寄生電容將待測(cè)線路電壓作為未知電壓源耦合到測(cè)量裝置，再對(duì)流入裝置的感應(yīng)電流進(jìn)行信號(hào)處理，獲得未知電壓。

文獻(xiàn)[9]用金屬桿作為測(cè)量探頭，通過(guò)電位系數(shù)矩陣重構(gòu)出待測(cè)三相線路電壓。但此測(cè)量方案需要待測(cè)電壓有足夠高的幅值，并且高壓線路附近較為空曠，測(cè)量方案因此進(jìn)行了較大簡(jiǎn)化，所以此測(cè)量原理并不能適應(yīng)測(cè)量環(huán)境較為復(fù)雜的低壓電網(wǎng)。

文獻(xiàn)[10]通過(guò)電容分壓法進(jìn)行電壓測(cè)量，并考慮了電壓電網(wǎng)附近桿塔等接地體、溫度、濕度等測(cè)量環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，但實(shí)際環(huán)境中待測(cè)線路-探頭間電容、大地-探頭間電容均隨測(cè)量場(chǎng)景變化而變化，不能作定值處理。文獻(xiàn)[11]提出一種基于電場(chǎng)耦合的雙探頭非接觸式測(cè)量方案，可以有效地減小來(lái)自其他方向干擾源造成的誤差，但測(cè)量環(huán)境變化導(dǎo)致寄生電容變化的問(wèn)題仍未得到解決。

本文基于電場(chǎng)耦合原理，分析了傳統(tǒng)非接觸式電壓傳感器在不同測(cè)量環(huán)境、測(cè)量不同型號(hào)線路時(shí)將金屬探頭-待測(cè)線路電容、金屬探頭-大地電容用固定數(shù)值來(lái)替代所造成的誤差，以所處環(huán)境變化較大的低壓配電網(wǎng)電壓監(jiān)測(cè)作為研究目標(biāo)，提出一種新的非接觸式電壓測(cè)量方法，解決了金屬探頭-待測(cè)線路電容、金屬探頭-大地電容未知造成的誤差，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本測(cè)量方案的可行性。

圖5 傳感器實(shí)際測(cè)量圖

結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)電場(chǎng)耦合式非接觸電壓傳感器測(cè)量原理進(jìn)行分析，指出傳統(tǒng)測(cè)量原理在測(cè)量不同型號(hào)線路時(shí)將出現(xiàn)較大誤差。為滿足能夠準(zhǔn)確測(cè)量未知型號(hào)線路電壓、適應(yīng)復(fù)雜的低壓測(cè)量環(huán)境的目的，設(shè)計(jì)了基于拓?fù)渥儞Q的電場(chǎng)耦合式電壓傳感器，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)響應(yīng)測(cè)試，均獲得了能夠滿足測(cè)量要求的結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)較為準(zhǔn)確的測(cè)量不同型號(hào)線路的電壓，在暫態(tài)下復(fù)現(xiàn)線路電壓波形。

本設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)電壓傳感器小型化、低成本、無(wú)需金屬接觸的基礎(chǔ)上，克服了測(cè)量中線路與探頭間寄生電容未知的問(wèn)題，對(duì)電網(wǎng)電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)的推廣具有實(shí)際應(yīng)用意義。

本文對(duì)基于拓?fù)渥儞Q原理的電壓傳感器進(jìn)行了初步研究，但在某些方面仍需開展進(jìn)一步的研究。比如：設(shè)計(jì)利用互感器原理的感應(yīng)取電模塊為傳感器供電，而將鋰電池設(shè)為后備電源；研究無(wú)需掛接地線的傳感器測(cè)量原理。

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• 基于拓?fù)渥儞Q的非接觸式電壓傳感器