基于MEMS电场传感器的直流验电器系统设计*

唐立军， 周年荣， 方正云， 范良进， 张文斌

(1.云南电网责任有限公司电力科学研究院，云南 昆明 650217;2.昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650504)

0 引 言

特高压直流输电(ultra high voltage direct curreut,UHVDC)具有线路传输能力强，损耗低，交流系统两侧无需同步运行，系统故障造成的损耗小等优点[1～3]。 随着HVDC在电力工业中的使用越来越多，其在电网中传输的电能的比例也在增加。 这导致人们越来越关注直流传输的保护、监测和检测。 根据电力线安全工作规程的规定，在进行传输线的操作和维护之前，必须检查传输线是否仍然通电。高电压等级的直流输电工程有两个基本特征：高设备结构参数和高工作参数; 同时，超高压直流输电线路还具有塔高，塔头大，绝缘子串长的特点。再加上高空作业的原因，传输线周围的空间场强越来越高，对验电器的抗干扰能力和可靠性的要求也相应提高[4]。 运用传统的验电设备来验电，需要电力作业人员背着设备爬上铁塔，进行接触式的验电。 这不但极大地增加作业人员的劳动强度，而且操作复杂困难，具有一定的危险性。目前，国内对直流验电器的研究报道很少，主要是针对交流输电线路的。夏善红老师团队在微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)结构的电场传感器方面做了大量的研究，首先提出一种新的基于绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)的微机电系统的电场传感器敏感结构[5、6]，其电场敏感芯片得到了许多的应用；输电线路工频电场的测量[7、8]，一种能为带电作业人员提供安全报警的预警系统[9]，地面中对大气电场的测量[10]，空间三维电场的测量[11]。

本文在分析直流输电线路径向平面的电场强度分布特征的基础上，结合MEMS传感器的相关原理，提出并设计了一种基于MEMS电场传感器的直流验电器。

1 系统方案

验电系统的主要构成有：MEMS电场传感器、供电模块、STM32处理分析模块、声光预警模块、蓝牙无线通信模块等。 MEMS电场传感器感应电场强度信息相相应大小的电压信号，利用 STM32系列微处理器进行处理，控制预警模块以声光预警和发送数据的形式为现场作业人员提供直流高压线路的详细与准确的带电状态信息。而且还能够将测得的电场强度信息发送给监测装置。DC验电器系统的功能框图如图1所示。

图1 验电系统框图

MEMS电场传感器及其电路模块都集成在高压探头中。 信号处理电路对在直流电场下MEMS电场传感器产生的电信号进行I / V转换，锁相放大，滤波和AD采样，再将信息发送到中央处理芯片。 中央处理芯片将对获得的信号进行数据处理分析，以确定输电线路的带电状态信息。

2 MEMS电场传感装置设计

2.1 直流输电线路电场分析

HVDC传输线在其周围产生不同交流特性的电场，并且空间中的离子场和由线电荷产生的静电场彼此叠加并耦合。 高压直流输电线通常使用多分裂导体，并且可以通过Marktenberg方法分析表面电场。 该方法计算简单，各种分割线表面电场分析非常准确[12～14]。电线的平均表面电场和最大表面电场是

(1)

式中Q为每极等效导线的总电荷；ε为空气介电常数；n为分裂导线根数；d为子导线直径；D为以分裂导线束各子导线中心圆的直径[15]。

根据Maxwell电位系数法，有

pQ=U

(2)

式中p为DC线路的等效极导线与地线及它们镜像的电位系数方形矩阵；U为分裂导线束电压的单列矩阵；Q为分裂导线束总电荷的单列矩阵。

基于该计算方法，在将地球视为零电位表面而不考虑其他环境因素的理想情况下。导线类型为6×720， 子导线半径为1.81×10-2m，分裂半径为0.45 m，根据公式等效为半径0.355 m，正负极之间的距离为22.5 m， 两导线与地面间的距离为35.5 m，额定电压为±800 kV的直流输电线路。采用 COMSOL仿真软件仿真计算了双极直流输电线路的电场分布，并根据计算出的结果绘制直流输电线路的电场分布云图，如图2所示。

图2 ±800 kV直流输电线路仿真计算结果

图2(a)为直流输电线空间电场分布特性，其为正负极性的两种静电场的相互叠加耦合，两极导线外侧场强大，地面电场矢量总体垂直于地面，但是在导线的投影间距内的电场矢量有所不同。大地作为良导体使地面场强与忽略大地影响的情况有较大的增强。图2(b)为直流输电线地面附近的电场强度分布，在两极导线中心位置的电场强度低，在两极导线投影位置的电场强度高，从中可以得到，为了达到更好的验电准确性，验电时应从正下方靠近输电线路。

2.2 传感器选择

与传统的现场研磨电场传感器相比，中国科学院开发的 MEMS电场传感器芯片探针，具有使用寿命、功耗低、体积小、性能稳定等优点[16～19]。 其测量范围可达到±100 kV/m，分辨率达到20 V/m，并在输电线下的电场测量中得到一定的应用[8]。因此，MEMS电场传感器可以满足本文系统设计所需的传感器要求。

MEMS电场传感器测量直流传输线的静电场，并且验电器系统通过金属壳屏蔽离子场以测量静电场。MEMS电场传感器芯片的传感原理如图3所示。为了提高感应效率，屏蔽电极和传感电极设计在同一结构层中。屏蔽电极接地，感应电极连接检测电路。在芯片正上方施加电场E，当屏蔽电极在感应电极(+)和感应电极(-)之间左右振荡时，使得感应电极周围的电场发生变化，导致表面感应电荷量周期性变化，产生交流感应电流[9,10]，表示为

(3)

式中ε为真空介电常数；E为感应电极周围的电场；A为感应电极的感应面积。is经过差分放大转化成电压Vout，通过对传感器输出的电压信号进行测量而反演出所被测电场强度的大小。通过对地面电场的测量便可判断出被测输电线是否带电，及被测输电线的极性。

3 系统设计与实现

3.1 信号处理电路

MEMS电场传感器感应出电场以产生交变电信号，并且信号转换和处理系统分别处理由电场信号产生的交流电流量。 信号转换和处理电路如图3所示。转换为相同频率的电压信号，将其输入到电压跟随器，通过信号预处理电路获得放大，并锁定锁相放大器以输出可测量的信号，以消除干扰量。 最后进入 A/D采集得到所需信号的值。

图3 信号处理电路

3.2 控制器电路

系统主控制电路的处理芯片采用STM32系列高性能Cortex—M3核心型号STM32F103RBT6微控制器。 可通过串口与蓝牙模块进行通信，将测量的电场强度信息发送到监护人员的设备。处理控制器处理MEMS传感器信号，当电场强度超过2.5 kV/m时，控制声光报警模块进行有电提醒。验电系统实物如图4所示。

图4 验电系统实物

3.3 系统程序设计

当初始化完成时，系统的主程序首先进入自测状态，并且电场信号由MEMS传感器收集并传输到控制器。控制器执行数据分析处理并确定警告是否提前。 测量的直流电场强度以不同频率的声音和灯光闪烁表现出来。 图5所示为主程序流程图。

图5 系统主程序流程

3.4 验电系统实际应用

为了验证所设计的非接触式直流验电器的可行性，在实验室中进行了实际的验电器测试。 在测试中，使用1 210高压发生器产生直流高压，并且通过导线模拟直流传输线。 试验使直流高压发生器产生5～30 kV的高压，将所设计的直流验电装置放置于导线正下方70 cm处， 预先设置直流高压发生器的电压，再接通电压开关，对其带点状态进行检测， 如图6所示。

图6 验电装置实际测试图

验电结果如表1所示，结果验证了直流验电器系统的可行性，并为直流输电线的验电操作提供了更方便的方法。

表1 直流验电结果

4 结束语

1)针对直流输电线路检测中存在的问题，提出并设计了一种基于MEMS电场传感器的非接触直流检测系统。 MEMS电场传感器用于检测直流输电线路的空间电场，提高了系统的检测精度，实现了直流输电线路的非接触式检测。

2)所设计的直流验电系统集成电场测量与验电结果预警于一体，整个验电系统结构紧凑，相对传统的验电器具有良好的便携性；系统采用低功耗的电场感应芯片和微控制器，拥有2 400 mAh锂电池，可连续工作23 h，保证了整个系统的续航能力。

3)本文所述直流输电线路验电系统在地面便能对直流输电线路进行验电操作，降低了电力作业人员的劳动强度，简化了验电作业的操作过程，更有效地保证了作业人员的人身安全，具有良好的应用前景。

4)该装置还可用于石化、纺织、气象等领域的静电场测量。