基于双轴传感的直流验电系统设计

谭毓苗，陈新岗，2，古亮，2，杨定坤，马骏，谭昊

（1.重庆理工大学，重庆 400054；2.重庆市能源互联网工程技术研究中心，重庆 400054）

基于双轴传感的直流验电系统设计

谭毓苗1，陈新岗1，2，古亮1，2，杨定坤1，马骏1，谭昊1

（1.重庆理工大学，重庆 400054；2.重庆市能源互联网工程技术研究中心，重庆 400054）

在复杂电磁环境下为实现对高电压直流设备的可靠验电，提出并设计一种基于双轴传感的直流验电系统。通过分析高压直流输电线路与换流站阀厅直流侧的电场特征，结合双轴传感机理，对振动电容传感器探头的结构进行设计，扩大系统的测量范围。建立以32位低功耗、高性能ARM微控制器为核心的验电系统，实现复杂电场环境下电场信息的双轴同步采集，GPRS无线模块进行验电结果的可靠传输，降低换流站中直流侧密集设备对测量系统的干扰。该系统的实施可准确检测直流设备的带电状态，及时报警，具有无线传输、抗干扰力强、续航时间长等特点。

直流电场；双轴传感；验电系统；GPRS

0 引言

随着我国多端直流技术与柔性直流输电灵活性的不断突破，直流输电技术逐渐多端化和网络化，具有多电源供电、多落点受电、多电压等级的发展趋势[1-3]。直流输配电工程运行电压等级的不断多样化，线路维护工作的难度逐渐增大，对直流输电系统电压信息测量提出了新的要求。目前，现有的带电状态测量装置通常采用电场比较原理实现[4]，传感器在运行过程中可能会由于直流输电系统的电磁环境相对复杂，造成传感器采集结果重复性不好、准确度不高，导致验电系统产生误判。文献[5]研制了一种交直流混合电场旋转式一体化测试仪，可对交直流混合电场进行信号采集；文献[6]设计了一种基于无线传输的合成电场测量装置，可对直流合成电场进行信号采集和数据无线传输；但是它们在设备分布密集、电场环境更加复杂的换流站、变压站中运行具有一定的局限性。

本文针对直流输电系统中直流电压信息测量的特殊需求问题，设计了基于双轴传感的直流验电系统。该系统应用双轴传感探头对空间水平方向、垂直方向的电场强度进行测量，GPRS实现电压测量结果的远程传输，确保了电场强度信号采集的同步性和无线数据传输的可靠性，提高了整个测量系统的性能。

1 系统整体方案

验电系统的主要构成有：双轴电场传感器、电源控制模块、STM32中央处理控制模块、声光报警模块、GPRS无线模块等。利用STM32系列微处理器，处理双轴电场传感器所采集到的电压信号，进而控制预警模块与GPRS无线模块以声光报警和发送短信的形式向现场技术人员提供具体准确的直流高压设备的带电状态，并发出是否带电预警信号。验电系统功能框图如图1所示。

图1 验电系统功能框图

双轴电场传感器及主要功能模块集成于高压直流探头内，当双轴传感器检测到高压直流电场信号后，信号处理电路对采集所得的电信号进行预处理，经滤波、AD采样送入主控芯片，主控系统将对所得的信号进行数据处理，判断设备的带电状态。

2 双轴电场传感装置设计

2.1 直流场强分布

高压直流输电线路及母线会在其周围产生具有不同于交流特性的电场[7]。如图2所示的输电导线电压极性固定，空间带电运动产生的离子流场与导线电荷产生的静电场相互叠加耦合，极导线外侧场强大，两极间场强小，地面场强有较大的加强。

图2 高压直流输电线电场分布

直流场作为换流站的一个主要的组成部分，如图3所示主要由电抗器、避雷器、开关设备、以及各种测量设备组成。相比输电线路，换流站内直流场中存在多个带电设备，分布密集，空间场强分布复杂[8-9]。开关场内的管母线支柱、接地刀闸等设施的屏蔽作用，降低了所在区域的直流场强；连接管母线的跳线使周围合成电场强度有一定的增强。空间场强相互交错，站内不同位置电场强度不同；带电设备附近空间场强因带电离子流的存在，空间场强相互耦合，使得空间场强在水平方向差别较小；在垂直方向上离子流浓度密集以及设备场强相互叠加小，导致空间场强在垂直方向变化大，电场垂直极化严重，垂直方向电场强度较大。

2.2 双轴传感原理

图3 换流站直流侧简易示图

电场和电压具有同步性，通过场强值的大小可以判断设备是否存在直流高电压。在换流站电磁场环境下对直流电场测量，由于电晕产生的离子流场和电荷产生的标称电场相互耦合，设备密集，空间电场相互叠加，使得传统电场传感器探头测量不能克服带电设备分布密集时待测设备周围复杂场强所带来的干扰。

合成电场具有垂直极化严重，空间电场的垂直方向分量大于水平方向分量的特点。因此，通过测量电场的二维分量，比较水平方向电场和垂直方向电场的大小可以最大化地降低被测设备周围其他带电体的干扰，能可靠判断被测设备是否存在直流高电压。如图4所示，Ey为垂直方向电场值，Ex为水平方向电场值，当Ey和Ex差值位于y=x上方，即Ey与Ex差值落点在区域1时，可视为被测设备带电；Ey和Ex差值位于y=x下方时，可视为被测设备不带电，电场的存在可能由周边其他带电设备引起。

图4 双轴电场差分图

针对单轴传感器不能同步测量水平、垂直方向上的场强大小，需设计一种双轴结构的电场传感器。双轴传感器由2个面积、材料、厚度均相同的感应探头组成，2个感应探头分别安置于传感器外壳顶端处，作为感应电极与外直流电场作用。采用双轴结构的传感器测量范围大、准确性高，适合复杂电场环境条件下电场的测量。

2.3 传感器选择

振动电容传感器精度高、稳定性好，具有全天候工作能力，比旋转式传感器尺寸小，功耗更低。其工作原理是通过交变电容感知电场，利用位于电场中传感器的电极振动，在传感器电极上产生交变的电压信号，此电压信号反映被测带设备的电压[10-11]。

振动电容传感器原理如图5所示，在距离振动电极位置d0存在一个虚拟的等效电极，两电极间形成一个平板电容器。

传感器电极以振幅Δd作正弦振动，其角频率为ω，此时两个电极板之间的距离为

图5 振动电容传感器原理图

则平板电容的电容值为

传感器电极的电压为

输入回路经大电阻接地，对地电压较小，Vin≈0；传感器电极Δd≤d0，Vin≤V，得：

式中：ε——空气介电常数；

S——传感器电极的面积；

C0——两个电极距离d0时的电容；

C——传感器电极与等效电极间的电容；

R——接地电阻；

V——被测直流带电设备的电压；

Vin——传感器电极的电压；

Iin——传感器电极的电流。

由上述推导可得，传感器所得电压信号与被测带电设备电压成正比。因此，测量传感器电极的电压信号可用于分析被测带电体的电压，采用两个传感器组成的双轴传感探头能够实现直流电场在垂直方向和水平方向上的同步测量，满足本文系统设计所需的传感器要求。

3 系统设计与实现

3.1 信号变换电路

双轴电容传感器同时采集产生的两组交变电信号，信号变换与处理系统分别对所产生的两组电场信号的交流量进行处理。信号变换与处理电路如图6所示，将单向感应电极产生的感应电流Iin输入I/V变换电路，转化为同频变化的电压信号，将其输入到电压跟随器，经信号预处理电路二级放大、全波变换、高低通滤波后输出除去干扰量的可测信号，并对两路信号做进一步的双通道数据处理，最后进入A/D采集所需信号的值。

图6 信号变换与处理电路

图7 最小系统硬件电路

3.2 主控制器及外围电路

系统控制电路主控制器采用STM32系列高性能ARM内核32位微控制器，选用STM32L152RBT6型号芯片，可通过串口与GPRS模块进行通信，具有工业级温度范围[12-13]。该系列芯片内核是专门设计用于满足集高性能、低功耗，具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求，可满足直流验电系统设计所需的功耗低、稳定性强的要求。主控制器集中处理双轴传感器信号，控制声光报警模块发出是否带电预警信号，并通过短信的形式将验电信息发送到指定设备中。直流验电系统主控制器最小系统硬件电路如图7所示。

3.3 GPRS无线传输设计

考虑直流验电系统使用环境的复杂多变性，需要把验电信息快速、准确地传输给运检人员[14]。通过无线传输方式的优缺分析，采用独立的GPRS无线传输方式，具有“一对一”和“一对多”的传输模型，同时其独立于网内无线传输的方式增强了验电信号传输的安全性和可靠性。优化硬件电路排版和外部屏蔽的设计，减少了可能存在的电磁干扰影响。装置中GPRS模块由两部分构成：SIM900A通信模块及SIM卡。GPRS通信模块如图8所示。

图8 GPRS通信模块

3.4 系统软件设计

当初始化完成后，系统主程序进入自检，开始检测后采集系统通过双轴传感器采集电场信号，中央处理器接收垂直与水平方向上对应电场的电平信号并进行比较处理，主程序调用子程序控制声光报警模块与GPRS无线通信模块运行，声光报警模块发出是否带电警示，带电状态信号以短信形式经GPRS无线模块传输至接收终端中。图9所示为主程序流程图。

图9 主程序流程图

4 结束语

1）针对高电压直流设备验电问题，设计了一种基于双轴传感的直流验电系统。在电场信号采集方面利用双轴传感原理扩大了系统的测量范围，实现了复杂电场环境下直流电场信息的采集，降低换流站中直流场中密集设备对待测带电体的干扰，提高了验电结果的准确性，为减少误判事故的发生提供了保障。

2）GPRS无线传输系统实现了验电数据的可靠传输，解决了传统总线系统的布线工作繁重、强电磁环境中抗干扰能力的问题，具有适用性强，实时性好，数据传输稳定、安全等优点。

3）系统采用高精度、低功耗电容传感器，以32位低功耗、高性能ARM微控制器为核心的控制系统，增强了系统运行的续航能力，具有良好的应用前景。

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（编辑：商丹丹）

Design of DC electroscope system based on biaxial sensor

TAN Yumiao1，CHEN Xin’gang1，2，GU Liang1，2，YANG Dingkun1，MA Jun1，TAN Hao1
（1.Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China；2.Chongqing Engineering Research Center of Energy Internet，Chongqing 400054，China）

In order to realize the reliability of electroscope of high voltage direct current(HVDC) equipment in the complex electromagnetic environment，a direct current(DC)electroscope system based on biaxial sensing is proposed and designed.By analyzing the electric field characteristics of the HVDC transmission line and the DC side of the valve hall of the converter station，combining with the biaxial sensing mechanism，the structure of the probe of the vibration capacitance sensor was designed and the measuring range of the system was expanded.With the electroscope system with a 32-bit low-power and high-performance ARM micro-controller as the core，electric field signal can be

by the dual-axis synchronous acquisition in the complex electromagnetic environment.The GPRS wireless module is used for reliable transmission of electroscope results，reducing the interference of dense equipment in DC field in converter station on measuring system. The implementation of the system can accurately detect the charged state of DC equipment，timely alarm，with features such as wireless transmission，strong anti-interference，long using life.

direct current electric field；biaxial sensor；electroscope system；GPRS

A

1674-5124（2017）05-0076-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.05.016

2016-11-18；

2016-12-29

重庆市教委科技计划项目（KJ1400914）；重庆理工大学研究生创新基金资助项目（YCX2016203）

谭毓苗（1991-），男，重庆市人，硕士研究生，专业方向为电气设备状态监测。