基于拓扑变换的非接触式电压传感器

　　摘要设立线路电压监测点获取节点电压数据对电力系统运行状态进行评估，若采用接触式电压传感器在某些无法破坏线路绝缘层的节点处将无法获得电压数据。相对于传统电压传感器，非接触式电压传感器具有装卸简便、施工安全性高、不受线路绝缘影响等优势，将成为未来电压测量装置的发展方向。

　　该文对传统电场耦合式非接触电压传感器测量原理进行分析，针对传统方法下线路与极板间寄生电容无法实地求解的问题提出改进方案。改进后的电压传感器通过拓扑变换法获得一系列原始数据，原始数据经Butterworth数字高通滤波、小波降噪后进行寄生电容计算，最终重构待测电压。对基于拓扑变换的非接触式电压传感器进行稳态响应、暂态响应测试，测试结果表明，改进后的电压传感器具有较好的稳态及暂态性能，幅值与相位偏移较小，且能够较好地复现暂态电压波形，具有实用价值。

　　关键词：非接触电压测量拓扑变换寄生电容小波降噪

　　0引言

　　电力系统中，线路电压作为一项基本数据，在众多的工程项目与理论研究中具有十分重要的地位。目前中压电网普遍使用的电压测量方法是采用传统电压互感器将电压隔离并降低到测量表计可承受的范围内，在二次侧通过电压表计获得电压信息。然而，传统的电磁式电压互感器(PotentialTransformer,PT)和电容式电压互感器(CapacitiveVoltageTransformer,CVT)因体积大、价格昂贵、绝缘结构复杂、不易安装等缺点极大地限制了传统电压互感器的应用场景[1-5]。在低压配电网电压监测中，尽管不需要电压互感器进行隔离降压，但在一些不便于破坏绝缘层的线路节点，接触式电表无法有效获得电压值。我国当前正处于大力发展配电网的时期[6,7]，实现对配电网进行大量的实时数据采集对配电网发展将有重要的现实意义。

　　因此，一种小型化、低成本、无需金属接触、具有较好环境适应性的电压传感器具有极大地研究价值。文献[8]最早提出了非接触式的电压测量原理，采用以一定频率振动的探头靠近待测线路，通过构造时变的线路-探头电容用以获取待测线路电位。但这种测量方案因测量带宽受限于探头振动频率而在实际应用中存在极大的局限性。近年来提出的测量方案多数采用静止耦合电容探头，根据电压等级的不同固定在线路绝缘表面或者线路附近，利用待测金属线路与金属探头间形成的微小寄生电容将待测线路电压作为未知电压源耦合到测量装置，再对流入装置的感应电流进行信号处理，获得未知电压。

　　文献[9]用金属杆作为测量探头，通过电位系数矩阵重构出待测三相线路电压。但此测量方案需要待测电压有足够高的幅值，并且高压线路附近较为空旷，测量方案因此进行了较大简化，所以此测量原理并不能适应测量环境较为复杂的低压电网。文献[10]通过电容分压法进行电压测量，并考虑了电压电网附近杆塔等接地体、温度、湿度等测量环境对测量结果的影响，但实际环境中待测线路-探头间电容、大地-探头间电容均随测量场景变化而变化，不能作定值处理。

　　文献[11]提出一种基于电场耦合的双探头非接触式测量方案，可以有效地减小来自其他方向干扰源造成的误差，但测量环境变化导致寄生电容变化的问题仍未得到解决。本文基于电场耦合原理，分析了传统非接触式电压传感器在不同测量环境、测量不同型号线路时将金属探头-待测线路电容、金属探头-大地电容用固定数值来替代所造成的误差，以所处环境变化较大的低压配电网电压监测作为研究目标，提出一种新的非接触式电压测量方法，解决了金属探头-待测线路电容、金属探头-大地电容未知造成的误差，并通过实验验证本测量方案的可行性。

　　1电压传感器测量原理

　　1.1传统电场耦合式电压传感器测量原理

　　传统电场耦合式电压传感器的金属极板探头(以下简称“极板”)靠近待测线路时，会在极板与待测线路金属部分间形成数值极其微小的寄生电容Cp，其上下极分别为线路金属部分和极板，绝缘介质为待测线路绝缘层材料。两侧极板各连接一组并联电容C、电阻R到大地。文献[12]提出，在测量过程中，采用平行板分布的差分探头可以大大减少来自其他方向干扰源的影响，即可减少相对探头到待测线路距离较远位置处的其他带电线路影响至忽略不计。将电极改进后，传统电场耦合式电压传感器的电路拓扑，Cp1、Cp2分别为两金属极板与待测线路金属部分形成的寄生电容，Cs1、Cs2分别为两金属极板与大地形成的寄生电容，Ca为两极板间的寄生电容，UI为待测线路对地电压。

　　为避免在不同测量环境下对地电容变化造成电压传感器的测量误差，需将传感器电路接地，即传感器的电源地(弱电地)与强电地直接相连，此时两金属极板与大地之间的寄生电容即为极板与PCB电源地层之间形成的固定电容[11]。在配电网挂网在线检测中，为便于进行地理位置信息采集，传感器一般固定在输电杆塔附近。根据国家标准《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》(GB50169—2006)，输电线路杆塔必存在有效接地点，故通过传感器引出的金属挂钩或夹具即可实现传感器接地。

　　1.2改进的电场耦合式电压传感器测量原理

　　传统电场耦合式电压传感器进行低压配电网电压测量中无法解决的关键问题在于：金属探头靠近待测线路时，线路与探头间形成的寄生电容未知。由1.1节可知，如果将寄生电容值视为固定系数，则将导致测量不同型号线路时测量误差较大。所以本文提出一种基于拓扑变换的电压重构法，先计算出寄生电容值，再进行电压值计算。

　　2后级信号处理

　　2.1Butterworth高通滤波器

　　获得未知电容Cp1、Cp2以及输出电压Vo后，可通过T(S)=1/H(S)得到输入电压波形。T(S)由一个积分环节和一个比例环节构成，因为选取的差分器为仪表放大器INA332，失调电压带来的直流分量在积分过程中将造成极大的信号失真。故需要在输出电压后加上一级高通滤波器，滤除无用的直流分量。为减小通频带幅频特性波动及相位偏移，本文选用Butterworth高通滤波器，并将截止频率设置在无限接近于0处。

　　2.2小波阈值降噪

　　信号降噪有多种方法，为获得良好的暂态电压变化波形，本文选用小波阈值降噪去除高频噪声干扰。信号经过小波变换，有用信号的小波系数幅值大，高频噪声的小波系数幅值小。通过在不同尺度上选择恰当的阈值，消去小于阈值的小波系数，保留大于阈值的小波系数，从而剔除信号中的噪声。再通过逆小波变换，得到较为平滑的有效信号。

　　小波降噪首先需要选择合适的小波基函数(symN、dbN、coifN等)。在不同小波基上进行信号处理，对同一个信号将会得到差异较为明显的分解结果，去噪效果也有所差异。小波基函数的选取通常考虑小波变换的通用性、有用性和系数的单一性[15]。但在具体到某一问题的小波基函数选取中，为针对目标信号获得最佳的滤波效果，往往根据滤波后效果与理论效果偏差来确定最适合的小波基函数。通过实验测试及效率权衡，本文选用db6小波。

　　3传感器实验测试

　　在理论推导的基础上，制作出了基于拓扑变换的电压传感器样机进行测试。本设计中传感器拟对低压配电网复杂环境下的待测线路进行电压监测，需要获取的信息为稳态电压幅值及暂态电压波形，电压测量范围设定为0~1000V。固定在1.5mm2三芯排插电源线上的实际测量图。因为样机采用四层板结构，靠近线路的两层作为极板连接到电路，故不需要另接极板，直接将样机固定在线路上进行测量。

　　4结论

　　本文通过对传统电场耦合式非接触电压传感器测量原理进行分析，指出传统测量原理在测量不同型号线路时将出现较大误差。为满足能够准确测量未知型号线路电压、适应复杂的低压测量环境的目的，设计了基于拓扑变换的电场耦合式电压传感器，并对样机进行了稳态、暂态响应测试，均获得了能够满足测量要求的结果，能够实现较为准确的测量不同型号线路的电压，在暂态下复现线路电压波形。本设计在实现电压传感器小型化、低成本、无需金属接触的基础上，克服了测量中线路与探头间寄生电容未知的问题，对电网电压监测点的推广具有实际应用意义。本文对基于拓扑变换原理的电压传感器进行了初步研究，但在某些方面仍需开展进一步的研究。比如：设计利用互感器原理的感应取电模块为传感器供电，而将锂电池设为后备电源[18];研究无需挂接地线的传感器测量原理。

　　参考文献

　　[1]徐彪,尹项根,张哲,等.电网故障诊断的分阶段解析模型[J].电工技术学报,2018,33(17):4113-4122.XuBiao,YinXianggen,ZhangZhe,etal.Astagedanalyticalmodelforpowersystemfaultdiagnosis[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2018,33(17):4113-4122.

　　[2]屈星,李欣然,宋军英,等.考虑配电网调压的综合负荷模型[J].电工技术学报,2018,33(4):759-770.QuXing,LiXinran,SongJunying,etal.Compositeloadmodelconsideringvoltageregulationofdistributionnetwork[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2018,33(4):759-770.

　　电力方向论文范文：电容器电压保护试验方法

　　【摘要】文章总结分析了电容器0压和差压保护传统的投产调试方法所存在的问题，提出了从电容器放电压变1次侧加压试验的方案，以提高电容器0序电压和差电压保护的可靠性及检验2次回路接线的正确性，确保电力系统的安全稳定运行。

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