低压配电网络中非直接接触式电压测试技术的研究

许 剑，刘松阳

（北京中电飞华通信有限公司，北京 100160）

0 引 言

直接式电压测量作为电压测试的典型技术手段得到广泛应用，考虑到直接式电压测量技术应用本身的局限性，在电力施工、野外电力维护、设备日常运维以及智能供电系统检测过程中，很多检测科目通常需要多次测试才能完成，严重影响城市电网的供电可靠性，电力测量效率低下，增加了测试中的风险[1,2]。近年来，众多学者和工程技术人员对非接触式电压测量电路拓扑进行了广泛研究[3-6]。部分研究人员和厂家仅研究了用于测试火线和零线的验电笔装置，未将验电笔和非接触式电压测量装置综合起来使用。目前，国内对于非接触式电压测试装置的应用研发还处在尝试阶段，对非接触式电压测量技术的理论研究也处于起步阶段。研究农村低压配电网络问题时，所涉及的220 V/380 V电压等级待测线路用传统的非接触式测量方法将受到未知测量环境、待测线路型号的影响，无法准确测量。

基于此，开发一种无须破坏低压配电线路外绝缘，仅需将测量探头紧贴在待测线路绝缘层表面就能完成线路电压测量的非接触式电压测量装置。通过测试，该装置可以有效降低待测线路和装置探头间形成的寄生电容值所引起的测量不同类型线路时出现的测量误差，系统信噪比较低，测量误差能保持在合理范围内。

1 非接触式电力电压测量原理

1.1 电磁场理论

依据电磁场理论，设定Ua为供电线路上的运行电压，Ub为利用非接触式电压测试仪所测得的电压，空间中若存在2个物体间有电动势ε（ε=Ua-Ub≠0），就会产生电场E，电场分布的原理如图1所示。如果将线圈置于该电场，只要电动势ε≠0，则线圈就会产生感应电流[7,8]。

图1 电场分布

1.2 非接触式电力电压测量原理

传统的电压测试装置需要将测试表笔直接与被测导电触点接触，不利于电压测量的各种工况。非接触式电力电压测量原理如图2所示。

图2 测量原理

非接触式电压测量主要应用测量表笔探头和电缆间的电容效应原理，以获取供电线路中的电压、频率、波形信息，通过对采集的微弱电流信号进行检测和处理，完成供电线路电压的非接触式测量。非接触式电力电压测试仪测量原理如图3所示。

测量仪2个探头间可以产生频率和幅值相等的电压信号，利用装设的电流检测线圈对线路电压进行测量。电压测试仪的2个探头布置好与电力线的测试点，由于电力线存在交流电压，测试探头能接收感应电流信号。

2 传感器处理电路设计

为了获取供电线路上的电压信号，重点对以下4个方面进行详细探讨。一是对电力线路的火线与零线开展非接触式检测；二是获取电力线路上的电压波形和频率参数；三是检测电力线路上频率和幅值相等的电压信号；四是对微弱电流信号的检测。根据仪器探头和电缆间的电场、感应电压信号，获取电力线上的电压幅度，达到准确检测电压的目的。

2.1 设计架构

非接触式电力电压测试架构如图4所示。

图4 非接触式电力电压测试架构

图4中：节点①、节点②封装在测试装置的探头中，节点①表示感应线圈，节点②表示探头中装装设的金属极板；节点③、节点④以及节点⑤表示测试装置的切换开关，虚线框中的内容为设计的主体电路部分[9]。

2.2 确定电力线上火线和零线

利用非接触式电压测试仪进行测试时，需要先确定电力线上各回路的相序分布。使用验电笔测试电压时，需要实现非接触式功能开发，具体设计思路如下。使用2个探头接近测试的2条电力线路时，靠近火线L探头中的金属极板节点②与机壳和人体构成一个完整回路，数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）模块控制开关节点⑥和b点接触，开关⑦和b点接触，开关⑧和d点接触，由此可以确定电力线的火线和零线[10]。

2.3 获取电力线上正弦波形

测试设备感应的电压应与电力线上的运行电压具备同频和同幅值的特点，考虑到电力线上的正弦波可能会存在失真现象，需要对获取的相关参数进行耦合校准操作。电压波形采集电路框架如图5所示。

图5 电压波形采集电路框架

电力线上的电压信号通过耦合效应汇入测试探头，基于DSP的控制功能，利用衰减器、放大器等元件将电容C耦合得到的电压信号控制到合理水平，满足AD转换器的输入信号电平要求。DSP控制器的主要作用是引导AD转换器采集调节后的电压信号，并将采集结果存储到存储器。由于仪器探头与电力线间的电容值较小，仅靠电容C不能完全将电力线上的电压信号耦合到探头上，此时获取的电压信号幅值不能作为电力线上的电压参考使用，但其电压波形可以被完整记录。

2.4 获取电力线上的正弦波频率参数

由于电力线上的电压频率并非时刻都为50 Hz，需要实时获取电力线上的电压频率参数。基于此，通过快速傅里叶变换获取电力线上的电压频率信息[11]。

2.5 获取电力线上同频且同幅值的电压波形

采用非接触式电压测试仪的2个探头去捕获电力线上同频且同幅值的电压信号，当采用检测探头中的线圈①感应出的电流为0时，则表明探头极板上捕获的电压和电力线上的电压相等，由此测出电力线上的电压。非接触式电压测试仪的研究主要为电力线敷设和维护提供方便，需要具备可移动便携功能，对此应选取电池供电方式，将电池的直流低压转换成交流高压。综合运用直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）技术和正弦波脉宽调制（Sine Pulse Width Modulation，SPWM）逆变技术获取所需的电压信号[12]。

采集电力线上的电压信号，经SPWM技术处理后输出到直流/交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）模块，将直流信号转变为交流方波信号。该方波信号经滤波器滤波后形成与电力线上相同的电压信号，输出电压信号的幅值可以基于PWM信号的占空比值来调整。将滤波器输出的信号接入变压器N1端，非接触电力变压器的N2端和N3端可产生电压信号，其中N2端可以模拟出电力线上的电压信号。

获取非接触装置的输出电压，同时对DSP检测线圈①所产生的感应电流进行数值测试。如果DSP检测线圈①所产生的感应电流数值为0，则将DSP控制开关的节点⑥与a接触、开关节点⑦与c接触、开关节点⑧与d接触，采集变压器N3端电压后即可获取N2端电压，从而测试出电力线上的电压。按照设定次数进行多次测量，测量后求取算数平均值并进行分析，该操作有利于减小电力线上电压的测量误差。

2.6 算法流程

测试算法流程如图6所示。

图6 测试算法流程

3 仿真分析

利用设计的硬件完成样机制作和数据采集，并结合MATLAB软件完成对数字滤波器系统函数的开发设计。非接触式电压测量装置的现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）核心板、继电器单元、放大单元、采集单元、供电单元、通信单元以及外围功能单元采用模块化设计，每个功能模块均可单独进行功能调试。

在低压配电网系统环境下进行非接触式电压测量装置测试，在实验室中搭建好测试环境，将测量装置的外置探头固定安装在2.5 mm2三芯电源排插线上。将测试样机分别固定安装在县级供电单元管辖的3种不同类型的低压供电线路上，开展非接触式电压测量测试。低压供电线路的原始电压和重构电压波形如图7所示。

图7 待测线路的原始电压和重构电压对比

由图7可知，待测线路的原始电压和重构电压存在一定的相位偏差，但电压幅值基本一致，满足测量要求。具体电压测量结果如表1所示。

表1 电压测量结果

由表1可知，利用非接触式电压测量装置，其测量精度满足样机的测试要求。

4 结 论

通过研究非接触式电压测量装置的应用化设计，所设计的非接触式电压测量装置能够实现400 V及以下电压信号的有效测量，电压测量精度控制在1.0%左右，满足非接触电压测量的精度要求。在高压测量环境下，该装置的测量精度有待进一步提升，未来仍需深入研究。