基于MEMS電場傳感器的直流驗電器系統(tǒng)設(shè)計*

唐立軍， 周年榮， 方正云， 范良進， 張文斌

(1.云南電網(wǎng)責(zé)任有限公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217;2.昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，云南 昆明 650504)

0 引 言

特高壓直流輸電(ultra high voltage direct curreut,UHVDC)具有線路傳輸能力強，損耗低，交流系統(tǒng)兩側(cè)無需同步運行，系統(tǒng)故障造成的損耗小等優(yōu)點[1～3]。 隨著HVDC在電力工業(yè)中的使用越來越多，其在電網(wǎng)中傳輸?shù)碾娔艿谋壤苍谠黾印?這導(dǎo)致人們越來越關(guān)注直流傳輸?shù)谋Ｗo、監(jiān)測和檢測。 根據(jù)電力線安全工作規(guī)程的規(guī)定，在進行傳輸線的操作和維護之前，必須檢查傳輸線是否仍然通電。高電壓等級的直流輸電工程有兩個基本特征：高設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)和高工作參數(shù); 同時，超高壓直流輸電線路還具有塔高，塔頭大，絕緣子串長的特點。再加上高空作業(yè)的原因，傳輸線周圍的空間場強越來越高，對驗電器的抗干擾能力和可靠性的要求也相應(yīng)提高[4]。 運用傳統(tǒng)的驗電設(shè)備來驗電，需要電力作業(yè)人員背著設(shè)備爬上鐵塔，進行接觸式的驗電。 這不但極大地增加作業(yè)人員的勞動強度，而且操作復(fù)雜困難，具有一定的危險性。目前，國內(nèi)對直流驗電器的研究報道很少，主要是針對交流輸電線路的。夏善紅老師團隊在微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)結(jié)構(gòu)的電場傳感器方面做了大量的研究，首先提出一種新的基于絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)的微機電系統(tǒng)的電場傳感器敏感結(jié)構(gòu)[5、6]，其電場敏感芯片得到了許多的應(yīng)用；輸電線路工頻電場的測量[7、8]，一種能為帶電作業(yè)人員提供安全報警的預(yù)警系統(tǒng)[9]，地面中對大氣電場的測量[10]，空間三維電場的測量[11]。

本文在分析直流輸電線路徑向平面的電場強度分布特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合MEMS傳感器的相關(guān)原理，提出并設(shè)計了一種基于MEMS電場傳感器的直流驗電器。

1 系統(tǒng)方案

驗電系統(tǒng)的主要構(gòu)成有：MEMS電場傳感器、供電模塊、STM32處理分析模塊、聲光預(yù)警模塊、藍牙無線通信模塊等。 MEMS電場傳感器感應(yīng)電場強度信息相相應(yīng)大小的電壓信號，利用 STM32系列微處理器進行處理，控制預(yù)警模塊以聲光預(yù)警和發(fā)送數(shù)據(jù)的形式為現(xiàn)場作業(yè)人員提供直流高壓線路的詳細與準(zhǔn)確的帶電狀態(tài)信息。而且還能夠?qū)y得的電場強度信息發(fā)送給監(jiān)測裝置。DC驗電器系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

圖1 驗電系統(tǒng)框圖

MEMS電場傳感器及其電路模塊都集成在高壓探頭中。 信號處理電路對在直流電場下MEMS電場傳感器產(chǎn)生的電信號進行I / V轉(zhuǎn)換，鎖相放大，濾波和AD采樣，再將信息發(fā)送到中央處理芯片。 中央處理芯片將對獲得的信號進行數(shù)據(jù)處理分析，以確定輸電線路的帶電狀態(tài)信息。

2 MEMS電場傳感裝置設(shè)計

2.1 直流輸電線路電場分析

HVDC傳輸線在其周圍產(chǎn)生不同交流特性的電場，并且空間中的離子場和由線電荷產(chǎn)生的靜電場彼此疊加并耦合。 高壓直流輸電線通常使用多分裂導(dǎo)體，并且可以通過Marktenberg方法分析表面電場。 該方法計算簡單，各種分割線表面電場分析非常準(zhǔn)確[12～14]。電線的平均表面電場和最大表面電場是

(1)

式中Q為每極等效導(dǎo)線的總電荷；ε為空氣介電常數(shù)；n為分裂導(dǎo)線根數(shù)；d為子導(dǎo)線直徑；D為以分裂導(dǎo)線束各子導(dǎo)線中心圓的直徑[15]。

根據(jù)Maxwell電位系數(shù)法，有

pQ=U

(2)

式中p為DC線路的等效極導(dǎo)線與地線及它們鏡像的電位系數(shù)方形矩陣；U為分裂導(dǎo)線束電壓的單列矩陣；Q為分裂導(dǎo)線束總電荷的單列矩陣。

基于該計算方法，在將地球視為零電位表面而不考慮其他環(huán)境因素的理想情況下。導(dǎo)線類型為6×720， 子導(dǎo)線半徑為1.81×10-2m，分裂半徑為0.45 m，根據(jù)公式等效為半徑0.355 m，正負(fù)極之間的距離為22.5 m， 兩導(dǎo)線與地面間的距離為35.5 m，額定電壓為±800 kV的直流輸電線路。采用 COMSOL仿真軟件仿真計算了雙極直流輸電線路的電場分布，并根據(jù)計算出的結(jié)果繪制直流輸電線路的電場分布云圖，如圖2所示。

圖2 ±800 kV直流輸電線路仿真計算結(jié)果

圖2(a)為直流輸電線空間電場分布特性，其為正負(fù)極性的兩種靜電場的相互疊加耦合，兩極導(dǎo)線外側(cè)場強大，地面電場矢量總體垂直于地面，但是在導(dǎo)線的投影間距內(nèi)的電場矢量有所不同。大地作為良導(dǎo)體使地面場強與忽略大地影響的情況有較大的增強。圖2(b)為直流輸電線地面附近的電場強度分布，在兩極導(dǎo)線中心位置的電場強度低，在兩極導(dǎo)線投影位置的電場強度高，從中可以得到，為了達到更好的驗電準(zhǔn)確性，驗電時應(yīng)從正下方靠近輸電線路。

2.2 傳感器選擇

與傳統(tǒng)的現(xiàn)場研磨電場傳感器相比，中國科學(xué)院開發(fā)的 MEMS電場傳感器芯片探針，具有使用壽命、功耗低、體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點[16～19]。 其測量范圍可達到±100 kV/m，分辨率達到20 V/m，并在輸電線下的電場測量中得到一定的應(yīng)用[8]。因此，MEMS電場傳感器可以滿足本文系統(tǒng)設(shè)計所需的傳感器要求。

MEMS電場傳感器測量直流傳輸線的靜電場，并且驗電器系統(tǒng)通過金屬殼屏蔽離子場以測量靜電場。MEMS電場傳感器芯片的傳感原理如圖3所示。為了提高感應(yīng)效率，屏蔽電極和傳感電極設(shè)計在同一結(jié)構(gòu)層中。屏蔽電極接地，感應(yīng)電極連接檢測電路。在芯片正上方施加電場E，當(dāng)屏蔽電極在感應(yīng)電極(+)和感應(yīng)電極(-)之間左右振蕩時，使得感應(yīng)電極周圍的電場發(fā)生變化，導(dǎo)致表面感應(yīng)電荷量周期性變化，產(chǎn)生交流感應(yīng)電流[9,10]，表示為

(3)

式中ε為真空介電常數(shù)；E為感應(yīng)電極周圍的電場；A為感應(yīng)電極的感應(yīng)面積。is經(jīng)過差分放大轉(zhuǎn)化成電壓Vout，通過對傳感器輸出的電壓信號進行測量而反演出所被測電場強度的大小。通過對地面電場的測量便可判斷出被測輸電線是否帶電，及被測輸電線的極性。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 信號處理電路

MEMS電場傳感器感應(yīng)出電場以產(chǎn)生交變電信號，并且信號轉(zhuǎn)換和處理系統(tǒng)分別處理由電場信號產(chǎn)生的交流電流量。 信號轉(zhuǎn)換和處理電路如圖3所示。轉(zhuǎn)換為相同頻率的電壓信號，將其輸入到電壓跟隨器，通過信號預(yù)處理電路獲得放大，并鎖定鎖相放大器以輸出可測量的信號，以消除干擾量。 最后進入 A/D采集得到所需信號的值。

圖3 信號處理電路

3.2 控制器電路

系統(tǒng)主控制電路的處理芯片采用STM32系列高性能Cortex—M3核心型號STM32F103RBT6微控制器。 可通過串口與藍牙模塊進行通信，將測量的電場強度信息發(fā)送到監(jiān)護人員的設(shè)備。處理控制器處理MEMS傳感器信號，當(dāng)電場強度超過2.5 kV/m時，控制聲光報警模塊進行有電提醒。驗電系統(tǒng)實物如圖4所示。

圖4 驗電系統(tǒng)實物

3.3 系統(tǒng)程序設(shè)計

當(dāng)初始化完成時，系統(tǒng)的主程序首先進入自測狀態(tài)，并且電場信號由MEMS傳感器收集并傳輸?shù)娇刂破?。控制器?zhí)行數(shù)據(jù)分析處理并確定警告是否提前。 測量的直流電場強度以不同頻率的聲音和燈光閃爍表現(xiàn)出來。 圖5所示為主程序流程圖。

圖5 系統(tǒng)主程序流程

3.4 驗電系統(tǒng)實際應(yīng)用

為了驗證所設(shè)計的非接觸式直流驗電器的可行性，在實驗室中進行了實際的驗電器測試。 在測試中，使用1 210高壓發(fā)生器產(chǎn)生直流高壓，并且通過導(dǎo)線模擬直流傳輸線。 試驗使直流高壓發(fā)生器產(chǎn)生5～30 kV的高壓，將所設(shè)計的直流驗電裝置放置于導(dǎo)線正下方70 cm處， 預(yù)先設(shè)置直流高壓發(fā)生器的電壓，再接通電壓開關(guān)，對其帶點狀態(tài)進行檢測， 如圖6所示。

圖6 驗電裝置實際測試圖

驗電結(jié)果如表1所示，結(jié)果驗證了直流驗電器系統(tǒng)的可行性，并為直流輸電線的驗電操作提供了更方便的方法。

表1 直流驗電結(jié)果

4 結(jié)束語

1)針對直流輸電線路檢測中存在的問題，提出并設(shè)計了一種基于MEMS電場傳感器的非接觸直流檢測系統(tǒng)。 MEMS電場傳感器用于檢測直流輸電線路的空間電場，提高了系統(tǒng)的檢測精度，實現(xiàn)了直流輸電線路的非接觸式檢測。

2)所設(shè)計的直流驗電系統(tǒng)集成電場測量與驗電結(jié)果預(yù)警于一體，整個驗電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，相對傳統(tǒng)的驗電器具有良好的便攜性；系統(tǒng)采用低功耗的電場感應(yīng)芯片和微控制器，擁有2 400 mAh鋰電池，可連續(xù)工作23 h，保證了整個系統(tǒng)的續(xù)航能力。

3)本文所述直流輸電線路驗電系統(tǒng)在地面便能對直流輸電線路進行驗電操作，降低了電力作業(yè)人員的勞動強度，簡化了驗電作業(yè)的操作過程，更有效地保證了作業(yè)人員的人身安全，具有良好的應(yīng)用前景。

4)該裝置還可用于石化、紡織、氣象等領(lǐng)域的靜電場測量。