非接触式电压传感器电极仿真分析*

张 伟，李晓建，梁军生,2※

（1.大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室，辽宁大连 116023；2.大连理工大学精密与特种加工技术教育部重点实验室，辽宁大连 116023）

0 引言

电压测量应用范围广泛，在电能计量、继电保护、过电压在线监测以及智能设备控制等领域都有着重要影响[1]。为了实现电压测量的电气隔离，使电压测量更为安全，线路电压的非接触测量最早应用在高压输电线路上。随着科学技术的发展进步，对电压测量的要求也越来越高。为了减小电压测量对被测量系统的影响，很多中低压环境开始使用非接触的方式测量电压信号，因而非接触式电压测量成为电压测量发展的侧重点，测量精度、响应时间、安装便捷程度、绝缘程度等方面的要求也不断提高[2-6]。

目前在电力系统中，电压测量主要采用电压互感器，最主要原因为传统电压互感器实现了高压线路与测量线路的电气隔离。传统的电压互感器为了实现电气隔离，设计的体积较大，安装困难，然而中低压线路测量条件更为苛刻，测量要求也倾向于小型、便捷、数字化、智慧化。

近年来，电压非接触测量的研究取得了很多成果，王永强等[7]基于电容耦合原理，通过改进前置电路，提高了输入阻抗，从而使电压信号测量相当于理想电压表，并实现了电器隔离测量物体表面电压。李文宝等[8]根据传统电容耦合式非接触电压传感器原理，设计了拓扑变换的电场后耦合式电压传感器，可以实现对不同型号线路电压较为准确的测量，能够在瞬时下复现线路电压波形。刘飞扬等[9]对不同形状以及不同材料的电容极板进行了模拟分析，选择出合适的耦合电极模型。但是上述成果并未提出一种稳定抗干扰的前端电极结构。

为此，本文提出了一种双层屏蔽电极结构，通过多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对提出的新型电极进行了建模仿真分析，选择适用于线路电压的新型感应电极结构，从而为设计稳定可靠的非接触电压传感器提供了理论依据。

1 非接触式电压测量原理

传统的电压接触式测量方法一般为将测量回路接入待测回路中，直接采集信号，与传统方法不同的是非接触式电压传感器原理为选用金属板与待测电线耦合，在极板处成耦合电容，采集耦合极板上的感应电压信号。电压非接触测量原理如图1所示。

图1 电压非接触测量原理

测量回路与待测信号源之间通过传感器感应电极耦合，通过设计高阻抗的信号采集回路来采集耦合极板上微弱的感应电压信号。当信号源回路的电压信号为U，采样电阻两端采集到的电压信号为Uo，则有：

式中：C1为耦合电容；C2为分压电容；R为采样电阻；A为后续采样处理电路放大倍数。

当测量系统采样处理电路的等效输入阻抗很大时，耦合阻抗可以忽略不计，测量系统输出电压与信号源电压成正比，可以实现对信号源的非接触测量。

本文提出了一种更为稳定的电极耦合方法，如图2所示，用双层极板与信号源形成耦合，外层极板接地形成屏蔽层并与内层极板形成分压电容，代替原有方案中感应电极与地面的杂散耦合电容，让系统前端电极与信号源的耦合更为稳定。

图2 双层电极板结构

2 感应极板的模拟对比分析

2.1 通电长直导线仿真分析

对于线路电压非接触测量系统，前端感应极板与信号源稳定耦合是整个系统稳定工作的基础和关键。刘飞扬等[9]中对方形、圆形以及套筒型极板进行了模拟分析，并确定了单层圆筒极板作为最终选择。但是单层极板耦合当收到外界其他信号源干扰时就会变得不稳定。为了证明双层极板电极的耦合稳定性，利用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics，建立了不同结构的电容极板模型，并添加了干扰信号源进行对比仿真。首先进行了单一通电长直导线与两条通电长直导线周围电场分布的模拟对比。导线均为220 V通电导线。导线横截面以及轴向截面电场分布如图3所示，可以看出，单一通电长直导线周围电场分布为强度向周围逐渐减小。当存在其他信号源时会引起单一长直导线周围电场分布变化，电场变化随干扰源位置的不同而变化。

图3 单一导线与双长直导线径向截面电场云图

2.2 单层电极仿真分析

对线路电压进行测量时，周围难免会存在其他干扰信号源，因此感应极板与带测量线路耦合的稳定性以及抗干扰程度成为非接触测量系统准确稳定测量的关键因素。为对比分析各种类型极板的抗干扰程度与稳定性。本文建立了材料为铜、直径为1.8 mm、长度为300 mm的通电导线模型，分别放置了圆形以及圆筒形极板进行模拟，考虑到安装空间的限制，选用圆形极板半径为10 mm，厚度为0.1 mm，距离通电导线10 mm，导线投影过圆心。圆筒电容极板内径10 mm，厚度为0.1 mm，通电导线位于圆筒极板圆心处。为了分析单层极板与导线耦合稳定程度，在距离信号源导线40 mm处添加了另一条带电长直导线作为干扰信号源。

通过仿真对比分析，导线为220 V通电长直导线，仿真结果如图4所示。从图中可以看出单层电容极板耦合时，圆形极板在与导线平行的直径处获得最大电势，并在垂直方向上逐渐减小。由于圆筒形极板在垂直于通电导线的切面与导线等距，因此在该切面上获得相同的电势，且感应电势在圆筒形电极轴向的变化量远远小于平板电极和圆板电极。所以对于单层极板耦合，圆筒形电极板可以获得相对更稳定的耦合电容。除此之外，从图中可以看出当感应电极周围存在其他干扰信号源时，无论是圆形极板还是圆筒形极板都会受到干扰信号源的严重影响，导致与待测信号源耦合出现偏差，影响测量结果的稳定性。

图4 单层极板对比仿真云图

2.3 屏蔽电极仿真分析

在系统设计过程中，提高前端感应电极对干扰信号的抵抗程度是提高测量系统稳定性的重要一环。因此提出了双层圆筒形电极结构，外层接地作为屏蔽层，并与内层电极形成分压电容，内层电极与导线耦合具体结构如图2所示。内层电极与通电导线耦合电容C1与双层电极的电容C2分别为：

式中：ε为内层电极与内部导体之间介质的相对介电常数；l为内层极板长度；Ra为导体截面半径；Rb为内层电极板内径；Rc为外层屏蔽电极板内径。

则耦合电容与分压电容均可定量计算，提高了设计的稳定性。

2.3.1 单层屏蔽电极仿真分析

为分析屏蔽层电极结构内部感应电势的稳定性，对其进行了干扰模拟分析，并对比了屏蔽层不同长度对内层电极耦合的影响，内层电极模型如图5所示，设置电极长度为70 mm，电极内径10 mm，设置为接地，导线为220 V通电导线，并在距信号源导线中心40 mm处设置干扰信号源（220 V导线）。

图5 接地电极仿真云图

从仿真结果可以看出接地电极与信号源导体之间的电势在导体径向上逐渐减小，等值线变得密集，且当外部存在干扰信号时，极板外部电场变化很大，但接地电极与信号源导体之间的电场不受外部干扰信号的影响，电场分布与无干扰信号时一致性较好。

2.3.2 双层电极仿真分析

接地电极内部电势稳定且在存在外部干扰信号的情况下能保持稳定，因此把感应电极放置在接地屏蔽层内部，使其耦合不受外部干扰源的影响，从而使感应电极上的信号稳定抗干扰，并对其进行了仿真分析，结果如图7所示。设置内层感应电极内径2 mm，长度为50 mm，分别设置内径5 mm，长度50 mm和70 mm外层接地屏蔽电极进行对比，信号源导线放置在内层电极中心，干扰信号导线距离信号源导线40 mm。

图6 屏蔽电极仿真分析

图7 所示为感应电极轴向电压变化，可以看出，屏蔽电极和内层感应电极等长时，在内层电极边缘处出现较大的电势差，耦合不稳定。当屏蔽层电极为70 mm时，可以看出内层感应电极上电势差较小，且感应电极板上电势不受外部干扰影响。

图7 感应电极轴向电压变化曲线

2.3.3 双层电极填充仿真分析

非接触电压测量系统电极的安装支撑也是系统的关键部分，对70 mm电极内部空气域采用PVC材料填充支撑，并进行仿真分析，模型及仿真结果如图8所示。

图8 PVC填充电极仿真

3 实验测试分析

3.1 感应信号采集

根据仿真分析结果，设计制作了稳定结构的铜电极以及测量回路如图9所示，利用精密变阻箱模拟接触电阻变化，采用大阻值精密电阻对电阻两端感应电压进行采样，利用六位半数字万用表进行感应信号的采集存储。

3.2 信号处理及分析

将六位半数字万用表采集到的电压信号存储至上位机，并进行滤波降噪处理，结果如图10所示。可以看出，处理后的感应信号随接触电阻变化线性度较好，且50 Hz感应信号输出稳定，可以看出采用的双层屏蔽电极结构能有效地采集到随接触电阻变化的感应电压信号。

图10 处理后感应信号

4 结束语

本文介绍了运用电容耦合原理对线路电压进行非接触式测量的原理及系统结构。为了能获得稳定抗干扰的感应电极结构，利用仿真软件COMSOL Multiphysics对不同形状电极板进行仿真，发现圆筒形电容极板耦合更为稳定，并提出在圆筒形电极基础上添加屏蔽层电极结构，用两极板的耦合电容代替杂散电容，使电容可定量计算，增强了感应电极的抗干扰能力；将屏蔽电极内部采用PVC材料填充，对耦合无影响且有利于电极的定位安装。对于双层屏蔽电极进行了实物制作并测试，结果证明该电极可以有效地反应线路电压信号，证实了该电极结构的可行性。为线路电压测量系统前端的感应电极设计提供了重要参考。