10kv高压近电预警用工频电场传感单元设计与分析

李建华

【摘 要】近年来，我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，我国的综合国力在不断的加强，由于感应极板电容存在的边缘效应，测量时会引起电力线的畸变，影响灵敏度、线性度和量程等性能参数。提出一种新型带等位环的印刷电路板（PCB）平板电容的交变电场传感单元结构，通过仿真优化分析和设计了带等位环的电场感应单元的结构参数，减小了由于电容极板边缘效应引起的电场畸变。根据工频电场测量标准，对传感单元进行了性能测试。结果表明：等位环结构避免了极板的边缘效应，通过合理配置积分采样电容，使得感应传感单元的线性度可达1.6025%，电压灵敏度系数达到248mV/（kV/m）。设计的电场传感器达到近电预警测量的要求。

【关键词】等位环;平板电容;工频电场;电场传感单元

引言

近年来，因近电作业管控不到位引起的触电事故频发。为此，有些人基于电磁感应原理，研制了多种带电感应报警装置，但都存在以下不足：其一，由于导线安全距离以外的电场微弱，受环境影响很大，感应不稳定;其二，装置需穿戴在人员或设备上，感应范围有限，对工作绳、塔件等无法监控。因此，迫切需要一种监控范围可调控、感应报警灵敏准确的装置，及时预警提醒近电作业人员，保障作业安全。在此背景下，该文以临近带电线路采用双摇臂悬浮抱杆组立高塔为例，研究近电作业安全监控的预警问题。首先，针对近电作业进行需求分析，确定须检测和预警区域;接着，基于视频分析技术，进行装置的系统设计;然后，研制出样机，并在工程上模拟应用;最后，总结经验，进一步完善改进，研发出近电作业安全监控预警装置。该装置基于视频分析技术，将智能图像处理技术与无线通信技术结合应用，具有监控预警功能，可作为近电作业安全监控的辅助措施，更好地保障作业人员的安全。

1意义

随着我国国民经济发展越来越快，在国民生活和生产中电能所占据的地位越来越重要，同时各行各业对电力的需求也与日俱增。目前居民用电与工业用电的范围越来越广，用量越来越大，为了满足各个行业对电力负荷的需求，电网建设也在同步发展壮大，现在己经形成了巨大的高压输配电线路区域电网，并将电能输送到用户侧[[3]。由于我国的自然资源分布及电力负荷分布在地理位置上极为不均匀，而在未来可再生能源的大规模发展又可能会进一步加重这一问题，因此，我们需要作为电力传输的载体一一电网，在能源资源优化配置中发挥出其重要的作用。目前我国己经计划并投建完成了多条超/特高压直流输电工程，可以将我国北部、西部、西南部地区的电力资源输送至中东部等负荷中心地区高压输电过程是电网能源输送不可缺少的一个环节，高压电网具有送电容量大、输电距离远、稳定水平高、可靠性好、损耗小、占地少等优点，在一定程度上很好地解决了能源和负荷分布不均衡和输送的问题。目前，电网建设的各类工程不断地增多，形成的输电大系统也越来越多，但系统的稳定性和可靠性问题也日益得到人们的关注，其中“重电源轻电网”的做法导致了电网系统供电可靠性较低长期以来，在电力工程中经常使用大型机械（比如高空作业车、吊车和起重机等等）在辅助电力维修或者电力设备更换安装等工作。这些大型机械处于非常危险的工作场所（比如变电站、架空输电线、10kV配电线路等）进行施工时，就需要特别注意安全。操作人员的疏忽大意就很可能引起人员车辆伤亡、电力线路误跳闸甚至是短路停电等各种电力事故。

2不同参数的传感单元测试试验

2.1传感单元固有电容的影响

根据（GBT12720—91）工频电场测量标准，搭建工频电场测试平台。测试平台由调压器、高压实验变压器、平行板装置三部分组成。在平行板装置的上层和下层之间产生单相均匀工频电场，将没有接采样电容的传感单元放在平行板装置的中心位置。通过示波器进行读取传感单元的输出信号的峰峰值;通过调压器调整电场强度，并记录变压器的输出电压值;完成调压后，读取传感单元的输出值;测试完所有的传感单元。

2.2工频电场检测的实现

10kV配电系统可以看作为一个个独立的电磁振源，10kV配电线路中传输的高压电与地面之间形成电势差，所以在10kV配电线路附近会存在一定强度的电场和磁场。由于交流10kV配电线路三相电压之间相差120。的相位，其分别产生的三个电场实际上己经抵消了大部分，而我们在距离地面一定高度上测到的电场是少量的残余电场。传感器主要利用静电感应原理，传感器上的电极存在大量易于移动的感应电荷，当靠近输配电线上的强电场时，会形成感应电动势，从而产生电信号，再通过信号采集装置收集、过滤和放大。

2.3硬件设计

装置的硬件设计，选用无线高清摄像头搭配客户端的成套设备，主要包括如下。（1）数字摄像头。通过网线连接至无线路由。（2）无线路由。通过2.4G/5G的频段将视频流传回视频客户端。无线传输方式，可选配置，独立供电。（3）供电方式。供电方式有220V交流供电或者太阳能板+蓄电池供电，可根据不同的需求选配。（4）视频显示、视频控制客户端。实现各路视频的分屏显示，并实现对摄像头的调焦和云台控制。

2.4软件设计

本产品的主程序主要有初始化模块、ADc数据采集模块、计算比较模块、代码识别模块、DART发送、接收模块和声光报警模块组成。初始化模块中对AVR的各个端口进行定义，对报警阂值、DART端口、计数器、中断向量和ADC的采样进行设置。通过定时器和中断系统来控制数据采集系统每隔一段时间读取一次传感器采集到的信号;计算比较模块可以对20次的采样数据进行处理，求得平方平均值，并与报警阂值进行比较，若达到报警阂值，则通过无线模块发送报警标志;报警器部分通过DART接收模块收到报警数据，代码识别模块解码接收到的数据，然后由中心处理单元控制发出声光报警。另外，频率相同时，电场会发生叠加和抵消的现象，因此对于单导线和分裂导线，需要分别设立两个不同的报警阂值。本产品将两种不同阂值的数据固化在ROM内，可以通过拨动开关来选择需要的报警阂值本报警系统软件采用模块化设计方式，主要包括语音提示模块、自检中断模块、高压信号检测模块以及主程序模块等。设计思想是当吊车等机械车臂距离电力线过近时，传感器检测到的信号会大于报警阂值，触发报警器重复发出“请注意有电危险，的报警声并伴有灯光闪烁。

结语

仿真及标定测试实验结果表明：1）在两感应极板间的间距不变时，感应极板面积的增大对极板上的电场畸变影响不大，畸变系数维持在0.9左右。2）在感应极板的感应面积一定时，极板间的间距对电场的畸变影响较大，随着间距的增加，极板上电场的畸变系数也增大。3）为屏蔽平板电容边缘94%畸变电场的影响，等位环的宽度随感应极板的半径的增加而减小而趋于平稳，其关系可拟合为k=8.35r-0.3584。4）采样电容对平板电容传感单元的线性度与灵敏度系数的影响不可忽略，采样电容的增大使传感单元的灵敏度系数减小，相对较大的采样电容具有较好的线性度。5）在采用3.3nF采样电容，感应极板半径为16mm，等位环宽度为3.05mm，极板间距是1.6mm的传感单元的线性度可达0.3586%，灵敏度系数为30mV/kV/m，在场强为200kV/m是其输出信号的峰峰值达到6.149V。

参考文献：

[1]蒋国雄，杨建中.工频电场测量和一种新型测量探头的研究[J].高电压技术，1985（4）：1-5.

[2]李長胜，崔翔.光学电场传感器研究综述[J].电气应用，2008，27（16）：13-18.

（作者单位：广东电网有限责任公司东莞东南区供电局）