基于MEMS 静电场传感器在线监测二次压板电压技术

2023-09-12黄国平黄华斌许丹盈

湖北电力 2023年2期

黄国平，黄华斌，许丹盈

（1.南方电网广东佛山供电局，广东佛山 528000；2.南方电网广东广州供电局，广东广州 510260）

0 引言

继电保护是快速正确地切除电网故障设备，防止事故扩大，保障电网安全稳定运行的第一道防线［1-3］。要保证电网安全、可靠、稳定运行，就必须定期对继电保护装置及其二次回路进行检验，在一次设备停电的情况下，采用人工给保护装置加量施加激励，收集和测量输出的状态信息判断继电保护及其二次回路是否存在缺陷［4-12］。

但对母线保护装置、安稳装置、备自投装置均是在一次设备不停电、退出装置所有出口压板的情况下进行检验，检验完成后将所有出口压板投入前，需人工用万用表测量出口压板上、下端接线柱的电压来判断压板是否可以正常投入，若万用表内部短路同时叠加直流母线对地电容效应，将可能造成母差保护、安稳装置、备自投装置、主变压器保护装置误跳闸事件的发生［13-18］。

近年来，国内许多研究单位对直流母线对地电容效应和二次压板投退状态在线监测进行了研究，如：二次电缆对地分布电容对强电开入回路的影响研究［19］；通过在操作回路的出口压板两侧并入两个电压型继电器来实现出口压板的状态监测［20］；将常开型干簧管和磁钢组合成二次压板状态采集器，使二次压板投退时的状态转换为电路的电平，利用单片机采集该电信号，从而实现了二次压板的电路采集［21］；机器人图像识别压板状态［22-23］；射频电磁场传感器的压板状态监测［24］；还有双联压板、磁感应、微动开关传感器等二次压板的监测方法，这些方法均是非电量监测方法，只能实现二次压板位置的监视，无法监测二次压板上、下端接线柱的电压是否正常，当发生二次压板断裂或接触不良，或接线柱接线脱落等隐性隐患时，非电量监测方法均无法及时发现。所以本文提出一种基于MEMS 静电场传感器在线监测二次压板电压技术，此技术能监测二次压板上、下端接线柱电压极性和电压值，能及时发现二次压板断裂或接触不良，或接线柱接线脱落等隐性隐患。

1 直流系统对地电容充、放电造成保护误跳闸事件的分析

1.1 一起110 kV母差保护误跳闸事件分析

2022 年10 月26 日某220 kV 变电站1 号主变中102开关跳闸，110 kV Ι母失压。此次事件主要原因是使用内部短路的万用表测量110 kV母差保护对应1号主变中102开关跳闸出口压板电压，造成压板上端（连接直流系统负极）接地，同时叠加直流母线对地电容效应，使跳闸回路继电器TBJ动作，导致采用母差保护动作接点直接跳闸的1号主变中102开关跳闸，而测量采用永跳重动继电器ZJ 接点跳闸的7 个间隔开关并未跳闸。

1.1.1 跳闸原因分析

某220 kV变电站1号主变中102开关跳闸的主要原因是由于万用表直流电压档与公共端两接线柱的金属片松动，相互靠近导致内部短路。当用此万用表进行母差保护出口压板上端电压测量时，导致直流负极接地，同时叠加直流母线对地电容（C2）效应，电容C2在负极接地瞬间电压不能突变，造成直流母线对地电容C2 对TBJ 放电，TBJ 电阻越小，放电速度就越快，放电电流也就越大。放电电流方向如图1所示。

图1 直流系统对地电容C2对TBJ放电示意图Fig.1 Schematic diagram of DC system ground capacitor C2 discharging to TBJ

由图1可知，电容C2在万用表接地前储存的电场能量为，当用万用表测量母差保护出口压板上端时，电路中的TBJ 以i2R这样的值不断吸收电场能量。当TBJ（阻值约5.1 Ω）的电阻很小时，电路中的电流i将很大，超过TBJ（启动电流约0.2 A）的启动电流而造成母差保护跳闸。

测量采用永跳重动继电器ZJ 接点跳闸的母差保护出口压板电压，虽然也同时存有叠加直流母线对地电容（C2）效应，电容C2 在负极接地瞬间电压不能突变，造成直流母线对地电容C2 对中间重动继电器ZJ放电，由于直流母线对地电容C2 的电压最大值为50%Ue，小于电压型中间重动继电器ZJ的启动电压（启动电压55%～70%额定电压），所以不能启动电压型ZJ中间重动继电器，其放电电流示意图如图2所示。

图2 直流系统对地电容C2对永跳重动继电器ZJ放电示意图Fig.2 Schematic diagram of DC system ground capacitor C2 discharging to permanent jump relay ZJ

母差跳闸回路先通过中间重动继电器ZJ（电压型，阻值约9 kΩ，启动电压为55%～70%额定电压）后再输出到信号继电器TXJ 和自保持继电器TBJ（TXJ+TBJ 阻值约10 Ω，TBJ 启动电流约0.25 A）到开关机构箱跳闸，但中间重动继电器ZJ不动作而未能跳闸。

如果在直流正极性经高阻接地，使直流母线对地电容C2 的电压最大值达到50%Ue～70%Ue，此时万用表（损坏的）测量采用永跳重动继电器ZJ 接点跳闸的母差保护出口压板上端时，电容C2在负极接地瞬间电压不能突变，造成直流母线对地电容C2对中间重动继电器ZJ 放电，由于直流母线对地电容C2 的电压最大值为50%Ue～70%Ue，大于或等于电压型中间重动继电器ZJ 的启动电压（启动电压为额定电压的55%～70%），将能启动电压型ZJ中间重动继电器而造成母差保护跳闸，其放电电流示意图如图3所示。

图3 直流正极性经高阻接地时，电容C2对重动继电器ZJ放电示意图Fig.3 Schematic diagram of capacitor C2 discharging to relay ZJ when DC positive polarity is grounded by high resistance

由图3可知，当直流正极性经高阻接地时，应及时排查消除正极性高阻接地隐患后，才能用万用表测量采用永跳重动继电器ZJ 接点跳闸的母差保护出口压板上端，否则可能造成母差保护跳闸。

1.2 一起主变瓦斯保护误跳闸事件分析

2022年8月16日某220 kV变电站1号主变瓦斯保护动作跳开主变三侧开关，造成1号主变失压，经现场检查1 号主变本体并未有故障，此次事件主要原因是由于直流系统正极发生了金属性接地，同时叠加直流母线对地电容效应，对瓦斯跳闸二次回路进行充电导致主变三侧开关跳闸。

1.2.1 跳闸原因分析

对于变压器、电抗器瓦斯保护动作的中间继电器，因连线长，电缆电容大，应防止直流电源正极性接地而造成误动，如图4所示。

图4 直流正极性接地对长电缆对地电容C充电造成TBJ误动示意图Fig.4 Schematic diagram of TBJ misoperation caused by DC positive grounding when charging long cable ground capacitor C

由图4可知，当直流母线正极性接地时的瞬间，直流母线负极电压将升高至-220 V，但长电缆对地电容C的负极电压不能同时突变至-220 V，所以蓄电池组将对长电缆对地电容C进行充电直至负极电压达到-220 V。电容C充电的快慢与R（电路中的电阻）、C（电容）的结构和参数有关，时间、电阻、电容三者之间的换算公式关系：时间常数T=R×C；电压Ue通过R对电容器C充电时，Uc为电容器电压。通过上面公式，可以知道实时电容器的电压是多少，T越大，充电越慢，T越小，充电越快。

由以上分析可知，非电量保护的重动继电器宜采用启动功率不小于5 W、动作电压介于55%Ue～70%Ue、动作时间不小于10 ms 的中间继电器。同时，注意在进行直流系统正、负极性接地告警试验时，必须保证所用的串联电阻阻值符合要求，并在直流系统无任何异常的情况下进行，防止发生误触发跳闸回路而跳闸。

2 采用集成差分电容式MEMS微型静电感应器监测保护出口压板电压技术

近年来，研究人员利用电荷感应原理研究出4 种类型的电场传感器，即双探针电场仪、静电场计、光学传感器和MEMS 传感器。双探针可以达到大约0.1 (µV m) Hz 的分辨率［25］，但依赖于稀释的等离子体环境、精确形状的探针电极和探针之间的距离，由于电势探针通常是有源器件，因此需要精心设计主动屏蔽的吊杆，以确保待测场的适度失真。测量低频电场的传统系统是静电场计，其典型分辨率约为50 (V m) Hz［26］，静电场计主要由屏蔽电极、感应电极和信号处理电路组成，过去的几十年里，由于静电场计具有很好的稳定性和线性度，最常用于测量电离场［27-28］，周期性地旋转屏蔽电极，将会导致传感电极周期性地暴露在电场中，根据静电感应定律，传感电极的表面会出现不同数量的电荷。但值得注意的是，屏蔽电极必须接地以排除离子流的影响，表明这种解决方案在电场空间是不合适的。

近年来，一系列基于电荷感应原理的MEMS 电场传感器陆续出现［29］。这种传感器检测来自梳状电极的电场，其中感应电荷由谐振器调制，微型传感器由于其低功耗、低成本、小尺寸和易于大规模生产，有望在未来得到广泛应用。但环境适应性始终是MEMS传感器的一个难题，尤其是MEMS电场传感器，其芯片尺寸太小，容易被灰尘、雨水和低气压等恶劣环境损坏。本文设计了一种SOI 差分电容式MEMS 电场传感器，该器件依靠物理相互作用避免外部环境因素的影响，该封装依靠低噪声、高动态范围的接口IC对MEMS器件进行操作，所采用的容性器件具有响应速度快且易于IC集成的优点。

2.1 集成差分电容式静电感应传导方案

静电感应效应是导电固体中自由电荷载流子的流动性的结果。如果一个导体被置于电场E中，导体内部的自由电荷载流子会重新分布，与格子状的相反电荷形成对比，这种极化在场内补偿了E，因此，在导体表面发展出相反的电荷区域。这些表面区域中的载流子都经历了一个由于电场而产生的向外的约束力，而电场内的合力保持为零。如果把这些带电区域分开，在它们之间保持一种连接，那么会产生电场所导致的斥力［30］。这是由于静电对各个带电表面的拉扯，以及连接的导电性所致，通过这种导电性保持了场内极化。在均匀场E=E0ez指向z方向（ez是z方向的单位矢量）内半径为R的导电球体的情况下，总静电力可以用分析法计算［31］：

式（1）中，as= 9πR24 考虑了球体的高度对称的几何形状，ε0是绝对介电常数。球体的左半边经历了一个同样强大的力，它指向相反的方向。因此，球体上的总力等于零。在基本的传感器操作中，Fes的x分量被转换为弹簧悬吊的MEMS 结构部分的相对位移δx。因此，这个系统可以用一个具有低通特性和传递函数的谐波振荡器来描述：

2.2 MEMS及接口ICs设计

为了有效地转移到硅微结构中，采用一种半覆盖结构，即与移动部件之间有一个相对狭窄的间隙，如图5所示。额外的硅本身受到静电感应可以在间隙内集中电场，这增加了移动硅部分所经受的力［32-41］。

图5 电场传感器布局Fig.5 Electric field sensor layout

对于谐振器，典型的解决方案是将其与一个跨阻放大器（Trans-Impedance Amplifier，TIA）串联，如图6所示。在TIA 设计中，需要考虑由谐振器本身引起的相移。为了引起共振，整个回路的相移需要是360°的某个倍数。因此，如果一个谐振器引起了相位偏移，TIA 或辅助电路必须将其取消。此外，可能会有几个频率的共振模式，所以在设计MEMS 及接口时应该考虑抑制或避免这种情况出现。

图6 连接TIA和MEMS谐振器之间的简化电路Fig.6 Simplified circuit connecting TIA and MEMS resonator

对于谐振器，MEMS从输入到输出的相移是0°，因为整个装置在固有频率处发生谐振，而其他模式的相移被设计成180°，所以已经抑制了相移，不需要额外的补偿或加载。在考虑了这些关键问题之后，需要对电路进行优化，以实现低功耗和低相位噪声。可以通过选择低功耗的TIA，用多级优化，没有过大的晶体管或电流来减少能源的使用。实现低相位噪声的最好方法是采用高Q值，因为相位噪声与它的平方成反比，相位噪声的形式如下：

式（3）中，F是噪声系数，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，C是载波功率，Rm是谐振器的电阻，Rout是放大器的输出阻抗，fm是共振的偏移频率。

接口集成电路如图7（a）所示，将反馈电容Cfeedback分别设置为0.5 pF或1.0 pF来打开或关闭增益开关，其控制和输出波形如图7（b）所示。在测量期间，传感器会产生一个与其电容直接相关的电荷，然后在采样期间，接口的第一级将其转换为电压，第二级将该值保持一定的时间，输出与输入的关系如式（4）。

图7 充放电指示电路及其控制和输出波形Fig.7 Charge/discharge indicator circuit and its control and output waveforms

采用SOI 作为结构材料，长度和宽度分别为255 µm和85 µm，宽度为1µm的电极施加1 V 电压激发谐振器的振动。差分电容式MEMS 静电场敏感芯片的工作原理如图8所示，在施加该驱动电压后，电容两端形变量分别达到最大，较高的位移意味着更高的振幅频率震荡，这可以带来更好的性能。通过不同频率电压下的振幅振动，在感应梳齿上调制感应信号。差分电容式MEMS电场敏感芯片的输出与被测电场之间存在良好的线性关系，通过感应信号的处理，即可实现测量压板下端接线柱的电压极性和电压值，判断二次压板的投退状态。

图8 差分电容式MEMS 静电场敏感芯片的工作原理Fig.8 Working principle of differential capacitive MEMS electrostatic field sensitive chip

3 差分电容式MEMS静电场敏感芯片工程应用

3.1 差分电容式MEMS 静电场敏感芯片工程应用原理

将差分电容式MEMS静电场敏感芯片探头安装在220 kV线路保护装置跳闸出口压板下端接线柱处，如图9所示，直流系统电压为220 V。

图9 220 kV线路保护装置跳闸出口回路图Fig.9 Diagram of tripping outlet circuit of 220 kV line protection device

继电保护跳闸回路在断路器不同状态下继电保护跳闸出口端子至压板下端接线柱之间带电特征差异性很大，在硬压板为投入状态时压板带正电或负电，当压板在退出状态或压板虚投状态时，压板不带电，MEMS 静电场传感器理想状态下监测到的电压如表1所示。

表1 静电场传感器在断路器不同状态下压板的电压及极性监测结果Table 1 Monitoring results of voltage and polarity of pressure plate of electrostatic field sensor under different conditions of circuit breaker

因此，通过监测继电保护跳闸出口端子至硬压板连接端子之间接线的直流电场的强度和极性即可快速识别到继电保护硬压板的电压值及投退状态，当压板在投入状态且检测为正电压时，说明继电保护装置动作或蓄电池组对长电缆对地电容C进行充电直至负极电压达到-220 V，将引起跳闸或误跳闸；当压板在投入状态且检测不到电压时，说明直流系统监测装置平衡桥未接地。当压板在退出状态且检测不到电压时，说明继电保护装置肯定没有动作或蓄电池组没有对长电缆对地电容C进行充电直至负极电压达到-220 V，否则会有正电压，此时就可以不用万用表测量二次压板上下端电压即可投入二次压板，可避免直流母线对地电容（C2）效应造成110 kV母差误跳闸事件的发生。

3.2 差分电容式MEMS 静电场敏感芯片探头的设计安装

差分电容式MEMS 静电场传感器探头采用BNC接口，引出线为带屏蔽绝缘线，一头为BNC 接头与差分电容式MEMS 静电场传感器相接，另一头安装于继电保护出口端子至压板下桩头连接线上，由于二次回路接线的表皮采用的塑料绝缘材料，因此差分电容式MEMS静电场传感器探头的安装不会对继电保护的二次回路产生任何影响。如图10所示，采用T型分线器结构，将压板连接线套入接线器的直连线空隙中，传感器引出线另一端接在T 型位置，利用铜附件与压板连接线紧密接触。差分电容式MEMS静电场传感器探头工程应用中监测到的电压如表2所示。

表2 差分电容式MEMS静电场传感器探头在断路器不同状态下监测压板电压及极性的结果Table 2 Results of differential capacitive MEMS electrostatic field sensor probe monitoring platen voltage and polarity under different conditions of circuit breaker