非侵入式電壓測量傳感技術(shù)的研究與工程實現(xiàn)

陳 崗，李 俊，劉金龍，陳超鑫，蔣鑫偉

（威勝信息技術(shù)股份有限公司，長沙 410205）

0 引言

目前，測量低壓交流電路的電壓值一般都利用電阻分壓或者電壓互感器的方式進行采樣，這種方式需要和被檢測電路直接電氣連接，在電氣隔離、現(xiàn)場實施、用戶需求、電能損耗方面都有一些弊端，這里我們研究一種非侵入帶電體導(dǎo)線的電壓測量方法，克服了上述弊端且具有一定的先進性［1-5］。

所謂非侵入，就是不直接對帶電體進行采樣，而是通過檢測帶電導(dǎo)體輻射的電場強度，建立轉(zhuǎn)換帶電體電場強度到電勢的物理通道，即產(chǎn)生非侵入感應(yīng)電勢，最后把感應(yīng)電勢轉(zhuǎn)換成可測量的采樣電流，進而再轉(zhuǎn)換成采樣電壓，實現(xiàn)對非侵入電壓的采樣功能［6-9］。由于現(xiàn)場安裝環(huán)境復(fù)雜，對感知單元采樣的環(huán)境適應(yīng)性和體積均提出較高要求。除了滿足常規(guī)的設(shè)計要求，還需要對感知單元做電磁屏蔽，增大感知能力，才可適應(yīng)不同環(huán)境的測量要求，為解決此問題，本文設(shè)計了一種應(yīng)用于低壓臺區(qū)的新型非侵入電壓測量傳感器。

1 非侵入式電壓測量原理

根據(jù)麥克斯韋電磁理論，電磁輻射源產(chǎn)生的交變電磁場可分為性質(zhì)不同的兩個部分，其中一部分電磁場能量在輻射源周圍空間及輻射源之間周期性地來回流動，不向外發(fā)射，稱為感應(yīng)場；另一部分電磁場能量脫離輻射體，以電磁波的形式向外發(fā)射，稱為輻射場。

一般情況下，電磁輻射場根據(jù)感應(yīng)場和輻射場的不同而分為近區(qū)場（感應(yīng)場）和遠區(qū)場（輻射場）。遠區(qū)場和近區(qū)場的劃分較復(fù)雜，需要根據(jù)不同的工作環(huán)境和測量目的進行劃分，通常以場源為中心，半徑在3 個波長范圍內(nèi)的區(qū)域，通常為近區(qū)場（感應(yīng)場）；半徑在3 個波長范圍外的區(qū)域，通常為遠區(qū)場（輻射場）。

對于50 Hz 的交流電，可得其波長為λ=U/f，代入計算后可得λ=6 000 km，故50 Hz 的交流電輻射的電磁波屬于近區(qū)場（感應(yīng)場），在靠近輻射體的距離內(nèi)，電磁場強度大，當(dāng)導(dǎo)體處于感應(yīng)場中，能量幾乎不會發(fā)散損耗，呈線性地生成感應(yīng)電動勢。利用這一特性，本文擬設(shè)計非侵入的測量裝置來測量導(dǎo)體的電場強度。電場強度和被測體在單位長度內(nèi)的電量Q有關(guān)，電量Q又與被測體的電勢及電壓有關(guān)，所以通過測量到的感應(yīng)電動勢最終可以推導(dǎo)出被測導(dǎo)體的電壓值。

2 理論分析及關(guān)鍵參數(shù)推導(dǎo)

（1）帶電導(dǎo)線上的電量Q。

取一段單位長度的帶電導(dǎo)體，對其進行分析。設(shè)該導(dǎo)體上電量為Q，計算導(dǎo)線上的電量Q可用電壓和電位系數(shù)a的麥克斯韋方程式求得：

式（1）中，電位系數(shù)為a，F(xiàn)/m。帶電導(dǎo)線金屬層對地的距離用Ha表示，則有：

（2）帶電導(dǎo)線在線外空間任意點p產(chǎn)生的電場強度Ep。

求出Q后，可以通過式（3）推導(dǎo)出電場強度Ep，kV/m；取Ha=R，則有：

（3）計算測量導(dǎo)體（即感知片）和地（屏蔽層）之間的耦合電容C0。

感知片上感應(yīng)到的電壓對地（屏蔽層）會形成耦合電容，電容隨交流感應(yīng)電壓不斷充放電形成電流，設(shè)計時需利用此電流的一部分驅(qū)動三極管，因此先要計算耦合電容，再計算充放電電流。

因為設(shè)計的感知片和外部包裹屏蔽層（地）之間保持平行，且面積遠大于厚度，可以看作是平行電容器的正負極，利用平行電容器公式計算耦合電容C0：

式中，K為靜電力常量，d0為感知片到屏蔽層表面的距離，S為感知片與屏蔽層同等大小時的面積。

（4）計算測量導(dǎo)體（即感知片）對地（屏蔽層）的充放電電流I0。

I0既是測量導(dǎo)體（即感知片）對地（屏蔽層）的充放電電流I0，又是后續(xù)工程設(shè)計電路里驅(qū)動第一級三極管基級的驅(qū)動電流，I0是理論計算和工程設(shè)計值的銜接點，I0理論上有一個預(yù)期估值，該值的最小值應(yīng)該滿足后續(xù)工程設(shè)計電路里第一級三極管基級導(dǎo)通的最小電流，可通過原理圖和器件的參數(shù)求出。

假定感知片的感應(yīng)電量為Q0，則可得充放電輸出電流I0為：

又假定感知片上的感知電壓為U0，可得：

（5）計算測量導(dǎo)體（即感知片）上測量到的感知電壓U0。

測量導(dǎo)體設(shè)計成一個有規(guī)則的、與帶電導(dǎo)體平行的、等距的截面體，就可以認為處于帶電導(dǎo)體的電場內(nèi)的一個等位面，均勻分布在其電場中，其感應(yīng)電動勢也是恒定不變的。

設(shè)測量導(dǎo)體（即感知片）上測量到的感知電壓為U0，U0等于感知片對地的距離d0與電場強度的乘積。

（6）計算測量導(dǎo)體（即感知片）的面積A。

實際設(shè)計中，且測量導(dǎo)體（即感知片）有確定面積（理論計算時感知片在電場中距帶電體均勻分布，本身厚度遠小于兩者間距離），此面積決定了感應(yīng)電量（感知片）Q0及充放電輸出電流I0：

考慮帶電導(dǎo)體產(chǎn)生的場強是均勻分布的，測量導(dǎo)體面積規(guī)則且吸收場強面積也是均勻分布的。另有A=kA′，當(dāng)感知片的長寬接近時，則k=1。所以上式可簡化為式（9）、（10）：

3 工程設(shè)計參數(shù)計算

由式（1）—式（7）可以推導(dǎo)出感知片面積A、充放電電流I0、導(dǎo)線半徑r、感知片到帶電導(dǎo)體表面的距離d、帶電導(dǎo)體的電壓U之間的關(guān)系，則有式（11）：

將（11）代入（10）可得：

計算結(jié)果說明當(dāng)以上條件建立時，A應(yīng)不小于8.60×10-4m2（8.60 cm2）。

4 工程應(yīng)用設(shè)計

基于以上原理設(shè)計的非侵入式電壓傳感器的應(yīng)用場景是低壓交流工頻1 000 V 范圍內(nèi)的帶電導(dǎo)線，導(dǎo)線的直徑為2 mm～8 mm，長度不限。要求是在帶電導(dǎo)線的任一位置處，采用和導(dǎo)線中的帶電導(dǎo)體非侵入的方式精準(zhǔn)的測量到該導(dǎo)線內(nèi)的電壓值，則根據(jù)以上測量原理及要求，同時考慮工程的可實現(xiàn)性，考慮采用一種固定長度的金屬網(wǎng)層環(huán)形包圍帶電導(dǎo)線（和導(dǎo)線的絕緣外皮侵入但是不和帶電導(dǎo)體侵入），位置不限，金屬網(wǎng)層環(huán)繞帶電導(dǎo)線的這個環(huán)形區(qū)域相對此區(qū)域內(nèi)的帶電導(dǎo)線形成封閉電場，金屬網(wǎng)層表面則完全處在該電場的場強范圍內(nèi)，這樣，金屬網(wǎng)層表面就會感應(yīng)出和帶電導(dǎo)線相關(guān)的感應(yīng)電勢。另外，通過一根帶屏蔽層的金屬導(dǎo)線引導(dǎo)感應(yīng)電勢對地建立不等勢體，同時對該不等勢體設(shè)計合適的電阻值（該電阻值由金屬網(wǎng)層的阻值和不等勢通道中的阻值共同確定），將感應(yīng)電勢轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電流，電流流入后續(xù)的設(shè)計的測量感知單元電路，最終生成可測量的采樣電壓信號。這樣，就實現(xiàn)了非侵入式的工頻電壓測量。

4.1 非侵入式電壓傳感器的硬件設(shè)計總體架構(gòu)

硬件設(shè)計總體架構(gòu)如圖1 所示，工程樣機由非侵入式感知探頭和非侵入式感知單元電路模塊共同組成，非侵入式感知探頭通過一根帶屏蔽的導(dǎo)線和非侵入式感知單元電路模塊相連，非侵入式感知單元電路模塊通過一根3 芯線（+5 V 電源、GND、遙信信號）和后端系統(tǒng)相連。非侵入式感知探頭內(nèi)層金屬網(wǎng)層環(huán)繞包裹在帶電導(dǎo)體上，其外面再依次包裹中間隔離介質(zhì)層、金屬屏蔽層，最外部再用固定裝置固定。非侵入式感知探頭尾部焊接帶屏蔽的導(dǎo)線的屏蔽層端和信號端，感應(yīng)電流信號通過此線傳給非侵入式感知單元電路。非侵入式感知單元電路將接收到的感應(yīng)電流信號進行補償、放大、隔離，再轉(zhuǎn)換成和后端系統(tǒng)電平匹配的TTL 遙信信號，通過3 芯信號線將遙信信號傳給后端系統(tǒng)。

圖1 硬件設(shè)計總體架構(gòu)框圖Fig.1 General framework block diagram of hardware design

4.2 非侵入式感知探頭的設(shè)計

非侵入式感知探頭是屬于非侵入式測量電壓方法硬件實現(xiàn)的重要前端感應(yīng)部分，屬于轉(zhuǎn)換電勢物理通道的核心。其由四部分組成，包括內(nèi)層感應(yīng)金屬網(wǎng)片（感知片）、中間隔離介質(zhì)層、外層金屬屏蔽層、帶屏蔽層的連接導(dǎo)線。內(nèi)層感應(yīng)金屬網(wǎng)片（感知片）面積為矩形、呈薄片狀、銅箔材質(zhì)，與帶屏蔽層的連接導(dǎo)線焊接連接，其內(nèi)層在安裝時環(huán)繞于帶電導(dǎo)線絕緣外皮上，其外層和中間隔離介質(zhì)層相靠；中間隔離介質(zhì)層形狀和感知片類似，但面積略大、材質(zhì)為聚乙烯泡棉，隔離在感知片和外層金屬屏蔽層之間，可增加兩者間的絕緣介質(zhì)、減少兩者間的漏電流；外層金屬屏蔽層形狀和感知片類似，材質(zhì)為銅箔、環(huán)繞中間隔離介質(zhì)層安裝，其外層再敷設(shè)防水膠布，外層金屬屏蔽層的作用是避免外部其他帶電體對金屬網(wǎng)層產(chǎn)生電場干擾，起金屬屏蔽的作用。外層金屬屏蔽層和連接導(dǎo)線的屏蔽層焊接連接。

非侵入式感知探頭外觀設(shè)計如圖2 所示，內(nèi)層感應(yīng)金屬網(wǎng)片（感知片）、中間隔離介質(zhì)層、外層金屬屏蔽層三者呈疊層結(jié)構(gòu)排列布置。感知片面積約25 mm×35 mm、厚度約0.03 mm、材質(zhì)為紫銅箔，其內(nèi)外均敷黏性物，便于同帶電導(dǎo)體及中間隔離介質(zhì)層固定，感知片離A 端頭部3 mm～10 mm 范圍內(nèi)焊接連接導(dǎo)線的信號芯線，焊接點需貼近絕緣層（泡棉板）一面；中間隔離介質(zhì)層面積約55 mm×40 mm、厚度約3 mm、材質(zhì)為絕緣泡棉板，泡棉板須防水，須保證內(nèi)層感應(yīng)金屬網(wǎng)片（感知片）和外層金屬屏蔽層之間的電氣隔離，因此，泡棉板用36 mm×120 mm 醋酸膠帶從產(chǎn)品A、B 端包裹一圈，包裹嚴實；外層金屬屏蔽層面積約35 mm×45 mm、厚度約0.03 mm、材質(zhì)為紫銅箔，外層金屬屏蔽層也要保證防水，盡量減少與大地之間的漏電流，因此，必須用36 mm×90 mm 醋酸膠帶把屏蔽板包裹嚴實，四面都不可露出屏蔽層銅片。外層金屬屏蔽層離A 端頭部3 mm～10 mm 之間焊接連接導(dǎo)線的屏蔽層線，焊點需焊接在金屬屏蔽層外側(cè)一面。信號連接導(dǎo)線采用1185#24 黑色單芯屏蔽線長度約200 mm，額定電壓300 V。非侵入式感知探頭和感知單元的實物如圖3 所示，現(xiàn)場安裝如圖4 所示。

圖2 非侵入式感知探頭外觀設(shè)計圖Fig.2 Appearance design drawing of non-invasive sensing probe

圖3 電路實物圖Fig.3 Physical circuit diagram

圖4 現(xiàn)場安裝圖Fig.4 Field installation diagram

4.3 非侵入式感知單元電路的設(shè)計

非侵入式感知單元電路（見圖5）由采樣信號補償電路、信號放大電路、信號隔離轉(zhuǎn)換電路、信號指示電路和電源電路5 部分組成。感知頭生成的采樣電流通過導(dǎo)線流入感知單元電路，信號經(jīng)過一個由數(shù)量級為10-12F 的電容和106Ω 的電阻構(gòu)成的補償電路，對外部按漏電流和環(huán)境變化造成的信號衰減進行補償。然后通過由三極管組成的兩級放大電路對采樣電流信號進行放大和轉(zhuǎn)換，將信號轉(zhuǎn)為可測量的電壓信號，同時驅(qū)動由LED 二極管構(gòu)成的信號指示電路給外界指示所反映的帶電導(dǎo)線電壓狀態(tài)。將信號通過光耦隔離，再轉(zhuǎn)換成遙信信號可供后級系統(tǒng)檢測。信號的放大、隔離、轉(zhuǎn)換、指示所需的5 V 電源均由非侵入式感知單元電路上的DC-DC 電源提供。

如圖5 所示，SOR1 點為感應(yīng)電流信號的接入點，也就是非侵入式感知單元電路實物和信號連接導(dǎo)線的實際連接點，在此連接點的后端，設(shè)計有并聯(lián)在信號回路上的、由二極管V95 和電阻R27串聯(lián)組成的續(xù)流補償電路，使得感應(yīng)電流能形成一個持續(xù)的回路。C122能補償因外部環(huán)境變化造成的感應(yīng)探頭和大地之間的電耦合電容值。R1起到限流保護二極管V2 基級的作用。感應(yīng)電流流入二極管V2 基級后，通過E 級放大至二極管V3 的基級，被再次放大至V3 的C 級輸出，此時的信號轉(zhuǎn)換成工頻交流電壓信號，同時還驅(qū)動了一個LED1 燈用于指示是否感應(yīng)電壓狀態(tài)，LED1 燈的亮度和感應(yīng)電壓幅值大小成正比。信號通過光耦D22 后被隔離再輸出，這樣保證了后級系統(tǒng)和強電無任何電氣連接，提高安全性。隔離后的電壓信號通過3 芯接口XS1 和連接導(dǎo)線傳至后端系統(tǒng)。非侵入式感知單元電路的采樣信號補償電路、信號放大電路、信號隔離轉(zhuǎn)換電路（供電電壓為+5 V）由DC-DC 電源D2提供。

圖5 非侵入式感知單元電路原理圖Fig.5 Circuit schematic diagram of non-invasive sensing unit

5 測試與分析

根據(jù)理論設(shè)計樣機，需對樣機的非侵入式測量工頻電壓功能進行測試。為了能夠驗證樣機在不同環(huán)境下，采用非侵入式的方式都能準(zhǔn)確地測量出的線纜的工頻電壓值，我們設(shè)計了改進型的產(chǎn)品（非接觸電溫傳感器V2.0），如圖6 所示。

圖6 非接觸電溫傳感器V2.0 實物圖Fig.6 Physical drawing of non-contact electric temperature sensor V2.0

該改進型產(chǎn)品采用一體化設(shè)計，測量線纜電壓的金屬感應(yīng)片內(nèi)置在裝置外殼中，可以直接用扎帶將外殼綁在線纜上，有更好的環(huán)境適應(yīng)性。內(nèi)置的金屬感應(yīng)片的面積按上述理論設(shè)計且與外部線纜通過裝置外殼隔離，安裝更加簡捷，產(chǎn)品可以通過MCU 將探頭檢測到的模擬信號直接轉(zhuǎn)為AD采樣信號，能夠輸出±5%精度的電壓值進行校驗。產(chǎn)品對外通信采用485 級聯(lián)的方式上傳數(shù)據(jù)。由于產(chǎn)品安裝的現(xiàn)場環(huán)境不同，如產(chǎn)品會附著在不同規(guī)格、不同材質(zhì)的電纜上，不同安裝方式導(dǎo)致接觸面積不等同，是否會造成產(chǎn)品非接觸測量電壓不準(zhǔn)確需要試驗驗證。因此，試驗選取產(chǎn)品與外部導(dǎo)線接觸時可能存在的不同邊界值、溫度變化、濕度變化等變量，以驗證不同現(xiàn)場環(huán)境下樣機對非侵入式電壓測量的準(zhǔn)確性。

5.1 測試方法

通過可調(diào)變壓器輸入不同電壓值，驗證被測導(dǎo)線在不同參數(shù)變量和不同環(huán)境變量情況下，樣機測量出的電壓值是否準(zhǔn)確。根據(jù)不同被測導(dǎo)線，結(jié)合實際安裝方式，對產(chǎn)品在現(xiàn)場實際應(yīng)用環(huán)境下可能出現(xiàn)的邊界值做以下分析總結(jié)：

（1）線纜不同時的邊界值。

采用線纜的耦合電容值，不同材質(zhì)、不同線徑的線纜耦合電容值比較接近，在1.5 pF～2.5 pF 之間。

（2）接入設(shè)備不同時的邊界值。

（a）采用斷路器的耦合電容值，不同斷路器的耦合電容值在2 pF～3 pF 之間，帶漏電保護的斷路器的耦合電容值在30 pF～50 pF 之間；

（b）采用PC 塑料外殼耦合電容值，非侵入感知頭PC 塑料外殼耦合電容值為2.6 pF～3.0 pF；

（c）采用系統(tǒng)地與零線之間的耦合電容。分支終端的12 V 隔離地到零線之間的耦合電容約為0.5 nF。

（3）組合設(shè)備狀態(tài)不同時的邊界值。

斷路器導(dǎo)通狀態(tài)下，采用串聯(lián)電纜、非侵入感知頭PC 塑料外殼、分支終端零線與12 V 隔離地之間的耦合電容約64 pF；斷路器斷開狀態(tài)下，采用串聯(lián)電纜、非侵入感知頭PC 塑料外殼、分支終端零線與12 V 隔離地之間的耦合電容約15 pF。

（4）滲水狀態(tài)下的邊界值。

斷路器導(dǎo)通狀態(tài)下，采用串聯(lián)電纜、非侵入感知頭PC 塑料外殼、分支終端零線與12 V 隔離地之間的耦合電容約68 pF；斷路器斷開狀態(tài)下，采用串聯(lián)電纜、非侵入式感知頭PC 塑料外殼、分支終端零線與12 V 隔離地之間的耦合電容約15 pF。

5.2 試驗記錄

5.2.1 不同邊界值對測量電壓誤差的影響

對不同邊界值進行測試時，設(shè)置室溫為25 ℃、濕度為60%，在獲得了被測導(dǎo)線的不同邊界條件下，對樣品做不同環(huán)境的組合測試，結(jié)果如表1 所示。

表1 不同邊界值對測量電壓誤差影響的測試記錄Tab.1 Test record of influence of different boundary values on measured voltage deviation

由表1 可知，當(dāng)產(chǎn)品和線纜之間的邊界值（耦合電容）不一樣時，非接觸測量電壓值也不一樣，這樣就會造成測量誤差。不同的現(xiàn)場安裝環(huán)境、不同的安裝方式都有可能造成產(chǎn)品和線纜之間的邊界值（耦合電容）不一樣。針對這種情況，我們采取了一個策略，即每次產(chǎn)品在現(xiàn)場安裝好后，通過系統(tǒng)對產(chǎn)品自動進行一次校準(zhǔn)（即系統(tǒng)采樣現(xiàn)場電壓，以現(xiàn)場電壓作為標(biāo)準(zhǔn)電壓值，下發(fā)給產(chǎn)品，產(chǎn)品內(nèi)部自動把初始輸出電壓值校準(zhǔn)成標(biāo)準(zhǔn)電壓值），由于安裝后邊界值一般不會改變，所以校準(zhǔn)后的輸出值就能反映實際值。在此基礎(chǔ)上，我們做了不同邊界值的不同電壓值測試，結(jié)果均反映了校準(zhǔn)后的測量誤差是在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的。結(jié)果可見圖7—圖10 的改進前后測量電壓誤差曲線的比較。

圖7 3 pF 邊界值測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.7 Statistical diagram of 3 pF boundary value test data

圖8 15 pF 邊界值測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.8 Statistical diagram of 15 pF boundary value test data

圖9 30 pF 邊界值測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.9 Statistical diagram of 30 pF boundary value test data

圖10 64 pF 邊界值測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.10 Statistical diagram of 64 pF boundary value test data

5.2.2 溫度變化對測量電壓誤差的影響

對溫度變化進行測試時，以25 ℃為分界線，分別對樣品做低溫測試和高溫測試，設(shè)置邊界電容值為64 pF、濕度為60%，測試結(jié)果見表2。

表2 溫度變化對測量電壓誤差影響的測試記錄Tab.2 Test record of influence of temperature changes on measured voltage deviation

續(xù)表2

由表2 可知，測量電壓隨溫度變化的原因是線纜的熱脹冷縮效應(yīng)。低溫測試表明，當(dāng)溫度變低時，線纜表皮體積縮小，令產(chǎn)品與線纜的間距增大，導(dǎo)致產(chǎn)品和線纜間的耦合電容變小，此變化導(dǎo)致產(chǎn)品感應(yīng)電壓減少。由測試數(shù)據(jù)可知在低溫環(huán)境下，溫差為65 ℃時，非接觸的電壓誤差約-19%，從圖11 中可以看出，溫度誤差基本呈線性變化，每度的誤差變化約0.27%。高溫測試表明，當(dāng)溫度升高時，線纜表皮體積增大，令產(chǎn)品與線纜的間距減少，導(dǎo)致產(chǎn)品和線纜間的耦合電容增大，此變化導(dǎo)致了產(chǎn)品感應(yīng)電壓增加。根據(jù)測試數(shù)據(jù)可以得到在高溫環(huán)境下，溫差為50 ℃時，非接觸的電壓誤差約-11%，從圖11 的溫度測量初始電壓測量誤差曲線中可知，溫度誤差基本呈線性變化，且每度的變化誤差約為0.22%，該變化幅度小于低溫測試下的變化幅度。

由5.2.1 節(jié)可知，測量電壓的準(zhǔn)確度和邊界值有直接關(guān)系，邊界值改變時，可以通過重新校準(zhǔn)來校正測量電壓的準(zhǔn)確度。而環(huán)境溫度變化也會造成邊界值的改變，但這種變化是動態(tài)改變，若頻繁校準(zhǔn)會大量占用系統(tǒng)資源，甚至引起系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。因此，我們采用在軟件中增加溫度補償算法，即需要在產(chǎn)品中新增一個測量外界溫度值的芯片TC104，其溫度測量范圍為-40℃～125℃，測量精度1%，符合需求。具體改進措施：根據(jù)溫度補償算法，TC104 芯片將檢測到的溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給單片機，單片機根據(jù)實時溫度選擇執(zhí)行高溫補償程序還是低溫補償程序（以室溫25 ℃為判別點），高溫補償程序根據(jù)高溫測試結(jié)果減少高溫下的線性誤差，低溫補償程序根據(jù)低溫測試結(jié)果增加低溫下的線性誤差。如圖11 所示，修改算法后重新驗證，測量誤差符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 溫度變化影響測量電壓誤差的數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.11 Statistical chart of data of measuring voltage error affected by temperature changes

5.2.3 濕度變化對測量電壓誤差的影響

對濕度變化進行測試時，設(shè)置邊界電容值為64 pF、溫度為55 ℃，不同濕度下的測試結(jié)果如表3 所示。

表3 濕度變化對測量電壓誤差影響的測試記錄Tab.3 Test record of the influence of humidity change on measured voltage deviation

由表3 可知，濕度變化對非接觸測量電壓的影響很大，超過了溫度變化對其的影響。這是因為，當(dāng)濕度增大時，產(chǎn)品與線纜之間的水蒸氣增加，其間的耦合電容發(fā)生變化，兩者呈正比關(guān)系，導(dǎo)致測量電壓誤差值隨濕度的上升而增大。針對這一現(xiàn)象，我們采用和高、低溫類似的改進策略：在現(xiàn)場環(huán)境中設(shè)置1 個帶485 通信的濕度傳感器，把濕度信息輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)再通知同環(huán)境下的不同產(chǎn)品，產(chǎn)品根據(jù)自帶的濕度補償算法進行濕度補償，以消除濕度變化帶來的測量誤差。經(jīng)改進濕度補償措施后的測試情況如表3 所示，表明測量誤差均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。結(jié)果可見圖12 的改進前后測量電壓誤差曲線的比較。

圖12 濕度變化影響測量電壓的數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.12 Statistical chart of humidity change affecting measured voltage

6 結(jié)論

本文推導(dǎo)了非侵入帶電體導(dǎo)線的電壓測量方法關(guān)鍵參數(shù)感知片面積A、充放電電流I0、感知片到帶電導(dǎo)體表面之間的距離d、帶電導(dǎo)體的電壓U0的計算公式，給出了關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系，并通過給定相關(guān)工程設(shè)計參數(shù)，計算了A的實際值。通過該方法設(shè)計了一種應(yīng)用于低壓臺區(qū)的非侵入電壓測量傳感器，并將該傳感器用于工程試點并取得了很好的效果，最后根據(jù)邊界值變化、溫度變化、濕度變化等關(guān)鍵參數(shù)的測試結(jié)果，完善了產(chǎn)品的工程應(yīng)用方案。

本研究實現(xiàn)了被測帶電導(dǎo)體之間不直接進行電氣連接就能測量電壓的功能，該方法對非侵入帶電體導(dǎo)線的電壓測量工程設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。試驗樣機可適應(yīng)外界環(huán)境變化，具有測量精度高、體積小、安裝簡單、成本低廉等優(yōu)點，對用電設(shè)備不構(gòu)成影響。