一种新型开合式D—dot电压传感器的研究

汪金刚 包诗媛 魏钢 邓旭东

摘 要：在对称环形封闭的差分D-dot电压传感器基础上，提出并设计一种开合式的扇形结构传感器，新传感器保持了良好测量精度与动态范围，安装便利，实用性强。通过ANSOFT Maxwell仿真分析软件基于有限元分析方法完成了该传感器的电容参数计算，根据有、无传感器方向电场分布情况对导杆周围电场畸变小且绝缘裕度高的特点进行了验证。实验制作传感器，在10 kV电压等级下进行了稳态与暂态性能的试验测试。结果表明，该传感器不但在测量稳态电压时波形的失真度与相位误差较小，还对各种暂态波形具有良好的跟踪能力，在不同条件下均能保持较好的工作特性。

关键词：差分式；非对称；D-dot电压传感器；有限元分析

中图分类号：TM 451

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2018）04-0001-07

Abstract： A differential D-dot sensor with open fan-shaped structure is designed on the basis of symmetric circular closed structure. It not only maintains good measurement accuracy and dynamic range， but is also convenient to be installed. The sensor′s capacitance characteristics were calculated by ANSOFT Maxwell simulation software based on the finite-element analysis method， and its characteristics， for example， slight electric field distortion and high insulation margin， were also verified by analyzing the electric field distribution in the directions of sensor and non-sensor. After the sensors were finished， steady and transient performance tests were conducted under 10 kV-voltage， and the results show that the sensor not only remains small waveform distortion and phase error when measuring the steady state voltage， but also has a good tracking ability for a variety of transient waveforms， keeping satisfactory performance under different work conditions.

Keywords： differential； asymmetric； D-dot voltage sensor； finite element analysis

0 引 言

電力互感器是实现智能电网监控、分析和决策的基础，故对其准确性、便利性和快速性的要求也逐渐提高。D-dot电压传感器通过测量电位移矢量的变化率实现了电压的间接测量，具有结构简单、体积小、易数字化且不需要能量传递等优点[1-6]。传统D-dot电压传感器在不同频率下的工作模式不同[7-11]，传递函数随之改变，因此只适用于高频信号的测量。本文改用差分式输入，去掉接地端，并采用多重电极并联结构，以避免负载电阻和积分器元件可能引入的寄生电感的影响，使传感器在频率较小时也能工作在具有稳定增益的自积分模式下[12-15]。

自积分式D-dot电压传感器的测量带宽更大、相位误差更小，且无对地绝缘要求[12-15]。原先采用的是全对称结构，在实际安装中存在难度，故对差分式D-dot电压传感器的结构进行了改进，将对称的环形电极改为开合式的扇形结构，通过理论电磁计算验证该不对称结构传感器的可行性以及相关电磁兼容问题，再将所制作传感器进行试验验证。

1 研究基础

1.1 差分式结构D-dot电压传感器原理

差分式D-dot电压传感器通过测量电极两端的浮动电位差得到电压信号。等效电路图如图1所示。

1.2 对称结构的差分式D-dot电压传感器

图2为对称结构的差分式D-dot电压传感器的Ansoft仿真模型。

对称式差分D-dot电压传感器的主要结构仅为一片环形PCB板，其顶层、底层均加工有若干半径不等的环形电极，顶层和底层的环形电极各自并联，输出则为顶层电极与底层电极的电势差。

电极的高斯面与电位移矢量正交，通过提高电极对被测导体的等效面积提高了传感器的精度；正圆的环形结构与被测导体周围电场的等位面近似，可保证电极上的电荷分布均匀，最大程度降低了由电极造成的电场畸变，避免了局部电场最大值的升高，降低了绝缘击穿的可能性。

但全封闭的环形结构要求被测导杆从传感器中间穿过，给操作带来了难度。在此，根据工程实际需要，设计了开合式的扇形D-dot电压传感器，其不对称结构是否会带来电场畸变与绝缘击穿问题需经仿真试验验证。

2 开合式的扇形D-dot电压传感器的设计

2.1 传感器的结构设计

改进的传感器实物图如图3所示。其与对称结构的差分D-dot电压传感器相比最大的差别在于将封闭的环形电极改为了非封闭的扇形结构，并将电极固定在环氧树脂绝缘支架上，该材料具有介电特性好和强度高的优点。绝缘支架由用螺丝固定在一起的两个半环组成，可以自由张合，极大地方便了传感器的安装，同时能够调节传感器周围电场，使强电场集中在环氧树脂支架内，从而减小了其对外部电场的影响，使传感器对输电线周围电场畸变的影响较小[16]。另外，由于扇形电极的内外边缘仍为圆形，环形电极精度高与绝缘要求易满足的优点得到了保持。

2.2 传感器的参数确定

当传感器的输入与输出幅值成线性关系而相位差趋近于0时，可认为其工作在自积分模式下。利用Maxwell仿真软件确定各电容参数，通过并联电极提高Cm0，使传感器易工作在自积分模式。具体参数见表1。

2.3 仿真模型建立

为了验证扇形电极的传感器对解决电场畸变问题和绝缘问题的可行性，通过Maxwell软件对传感器进行仿真计算。仿真模型如图4所示。

圖4中，开合式的扇形D-dot 电压传感器安装于高压瓷质套管外，对套管中带电导杆进行电压测量。瓷质套管起绝缘保护与支撑固定作用。考虑实际运行条件，激励源可近似看作无限长直输电导线，并设离场源足够远处的电场强度为0，由此在计算中采用扩大电场计算区域的方法解决场域不封闭问题。

2.4 仿真结果与分析

针对电场畸变与绝缘满足问题，对导杆施加10 kV工频电压，传感器及其周围的电场分布如图5所示。

X，Y方向（即有电极和无电极方向）上的电场强度分布分别如图6（a）、图6（b）所示。

Y方向距电极较远，其电场所受影响也小[17]，可认为没有电场畸变；X方向的电场则会因传感器电极电场的叠加而产生畸变。定义X方向相对于Y方向（即畸变电场相对于原电场）场强的变化率f（R）来定量分析传感器对导杆周围电场分布的影响：

1）由图5、图7，传感器对导杆周围电场的影响主要集中在导杆内部、电极内部和电极边缘部分。对于导杆内部，虽然变化率较大，但导杆本身电场强度几乎为零，故影响较小；对于电极内部及边缘，虽然变化率较大，但所占面积较小，对于其余部分的影响也很小。可见传感器对导杆周围电场造成的畸变不大。

2）由图6，畸变后的电场强度最大点出现在X方向上传感器与空气的分界面处，其值约为1.8 kV/cm，远小于环氧树脂（200～300 kV/cm）、陶瓷（100～200 kV/cm）和空气（25～30 kV/cm）的临界场强[11]。说明在10kV工频电压的激励下，开合式的扇形D-dot电压传感器能够在绝缘强度上留有充足的裕量。

3 测量试验与结果分析

3.1 试验平台搭建

为了获取传感器在不同条件下的工作特性，在设计与仿真的基础上，搭建了高压试验平台，分别进行了稳态和暂态性能测试。为模拟实际的使用情况，导杆用绝缘支架与绝缘子支撑，悬挂于空气[16]，并穿过了带传感器的瓷质套管。电压控制箱经升压变压器提供稳态工频激励，而10 kV冲击电压发生器提供标准雷电冲击电压。带有补偿装置的高压探头直接测得导杆的电压，该电压经1 000∶1的衰减后，作为标准对比信号与传感器测得的信号进行波形比较[18]。

3.2 稳态误差试验

3.2.1 基波稳态试验

工频情况下，为测量传感器的动态范围与线性度，以10 kV作为额定电压，分别在10%、30%、50%、80%、100%、120%额定电压时对高压探头与传感器的输出电压进行比较[19]。

在30%额定电压时高压探头和传感器的输出波形对比见图8。二者在波形与相位上均很接近。

不同电压下的测量结果如表2所示。UHV为高压探头经衰减后的电压，UD-dot为传感器测得的电压。

比差的定义为[19]

对表中数据进行一次拟合，结果如图9所示，其一次拟合误差为0.000 5，说明该传感器具有较好的动态范围与线性度。

1）由图8，开合式的扇形自积分D-dot电压传感器测得结果的相位误差和波形失真度依旧很小。

2）由表2、图9，在10%～120%额定电压范围内，开合式的扇形自积分D-dot电压传感器线性度好，且比差小于0.5%。但较之对称的自积分D-dot电压传感器[15]，其幅值相对较小，故灵敏度较小，这可能因为是扇形电极的等效面积小于环形电极。若增加电极并联片数，不仅能达到更高的分压比，还能减小相位差。

3.2.2 谐波稳态试验

电力系统的设备中广泛存在的高次谐波会导致电能质量下降，对电力系统造成很大的危害[20-23]。因此，对谐波的实时准确测量成为谐波故障处理的关键技术要求。

自积分D-dot电压传感器的测量带宽大，在使高频激励的传递函数更加稳定的同时，具有较好的小频率电压测量性能。

为了测试开合式的扇形D-dot电压传感器的谐波测量性能，对比了导杆电压频率分别为50 Hz、150 Hz、250 Hz、350 Hz和450 Hz时高压探头和传感器的输出波形，结果图10所示。

二者测得的电压幅值与相角差见表3。

1）由图10，在 50 Hz～450 Hz范围内，开合式的扇形D-dot电压传感器测得波形的失真度很小。

2）由表3，传感器波形与高压探针波形的相角差基本上都维持在1゜左右，且随着频率的增加趋于减小。这说明该传感器能够及时跟踪电力系统中各次谐波的波形。但其相角差较之对称结构的传感器有所增大[15]，这可能是传感器等效面积减小或电极的并联片数较少造成的。

以上两个试验证明开合式的扇形D-dot电压传感器对稳态各次波形的测量效果均较为理想。

3.3 暂态误差试验

自积分的D-dot电压传感器不存在电感元件，对暂态电压波形响应迅速，且不会发生振荡[1-6]。为验证开合式的扇形D-dot电压传感器具有上述暂态特性，对其进行了冲击电压和开关操作暂态试验。

3.3.1 冲击电压试验

用10 kV冲击电压发生器产生10 kV峰值的1.2/50 μs标准雷电冲击电压并加在导杆上。高压探头和传感器同时检测到的波形如图11所示。

由圖11，二者测得的雷电冲击波波形相似，波前时间、半峰值时间相近，说明开合式的扇形D-dot电压传感器对1.2/50 μs的标准雷电冲击电压的响应速度快，且避免了高频振荡的出现。

3.3.2 开关操作暂态试验

D-dot电压传感器采用电场耦合原理，线路通断瞬间其上的滞留电荷可能会对传感器电路充放电，导致输出振荡，同时，开关操作也可能引起操作过电压。此时，要求传感器的输出在一个周期内下降到故障前峰值的10%以下[24]。

突然失去稳态交流激励后，二者的输出电压如图12所示。可以看出传感器与高压探头测得的波形相似，峰值衰减速度达到要求，且没有出现振荡。

以上两个试验证明了开合式的扇形D-dot电压传感器具有良好的跟踪暂态波形的性能。

4 结 论

在全对称环形封闭的差分D-dot电压传感器的基础上，研究了开合式的扇形结构，对该结构的传感器进行理论分析、参数计算、电场仿真与高压试验后，证明其对稳态、暂态的各种波形均具有较好的测量特性。新传感器的性能较好，又增强了便利性和实用性，此研究是对D-dot电压传感器的研究的进一步深化，为电网电压测量提供了一种实用化的D-dot电压传感器设计思路。

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（编辑：刘素菊）