華南理工大學電力學院的研究人員江陶然、劉希喆，在2019年第1期《電工技術(shù)學報》上撰文（論文標題為“基于拓撲變換的非接觸式電壓傳感器”）指出，設(shè)立線路電壓監(jiān)測點獲取節(jié)點電壓數(shù)據(jù)對電力系統(tǒng)運行狀態(tài)進行評估，若采用接觸式電壓傳感器在某些無法破壞線路絕緣層的節(jié)點處將無法獲得電壓數(shù)據(jù)。相對于傳統(tǒng)電壓傳感器，非接觸式電壓傳感器具有裝卸簡便、施工安全性高、不受線路絕緣影響等優(yōu)勢，將成為未來電壓測量裝置的發(fā)展方向。

該文對傳統(tǒng)電場耦合式非接觸電壓傳感器測量原理進行分析，針對傳統(tǒng)方法下線路與極板間寄生電容無法實地求解的問題提出改進方案。改進后的電壓傳感器通過拓撲變換法獲得一系列原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)經(jīng)Butterworth數(shù)字高通濾波、小波降噪后進行寄生電容計算，最終重構(gòu)待測電壓。

對基于拓撲變換的非接觸式電壓傳感器進行穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、暫態(tài)響應(yīng)測試，測試結(jié)果表明，改進后的電壓傳感器具有較好的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)性能，幅值與相位偏移較小，且能夠較好地復(fù)現(xiàn)暫態(tài)電壓波形，具有實用價值。

電力系統(tǒng)中，線路電壓作為一項基本數(shù)據(jù)，在眾多的工程項目與理論研究中具有十分重要的地位。目前中壓電網(wǎng)普遍使用的電壓測量方法是采用傳統(tǒng)電壓互感器將電壓隔離并降低到測量表計可承受的范圍內(nèi)，在二次側(cè)通過電壓表計獲得電壓信息。然而，傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器（Potential Transformer,PT）和電容式電壓互感器（Capacitive Voltage Transformer, CVT）因體積大、價格昂貴、絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易安裝等缺點極大地限制了傳統(tǒng)電壓互感器的應(yīng)用場景。

在低壓配電網(wǎng)電壓監(jiān)測中，盡管不需要電壓互感器進行隔離降壓，但在一些不便于破壞絕緣層的線路節(jié)點，接觸式電表無法有效獲得電壓值。我國當前正處于大力發(fā)展配電網(wǎng)的時期，實現(xiàn)對配電網(wǎng)進行大量的實時數(shù)據(jù)采集對配電網(wǎng)發(fā)展將有重要的現(xiàn)實意義。因此，一種小型化、低成本、無需金屬接觸、具有較好環(huán)境適應(yīng)性的電壓傳感器具有極大地研究價值。

文獻[8]最早提出了非接觸式的電壓測量原理，采用以一定頻率振動的探頭靠近待測線路，通過構(gòu)造時變的線路-探頭電容用以獲取待測線路電位。但這種測量方案因測量帶寬受限于探頭振動頻率而在實際應(yīng)用中存在極大的局限性。

近年來提出的測量方案多數(shù)采用靜止耦合電容探頭，根據(jù)電壓等級的不同固定在線路絕緣表面或者線路附近，利用待測金屬線路與金屬探頭間形成的微小寄生電容將待測線路電壓作為未知電壓源耦合到測量裝置，再對流入裝置的感應(yīng)電流進行信號處理，獲得未知電壓。

文獻[9]用金屬桿作為測量探頭，通過電位系數(shù)矩陣重構(gòu)出待測三相線路電壓。但此測量方案需要待測電壓有足夠高的幅值，并且高壓線路附近較為空曠，測量方案因此進行了較大簡化，所以此測量原理并不能適應(yīng)測量環(huán)境較為復(fù)雜的低壓電網(wǎng)。

文獻[10]通過電容分壓法進行電壓測量，并考慮了電壓電網(wǎng)附近桿塔等接地體、溫度、濕度等測量環(huán)境對測量結(jié)果的影響，但實際環(huán)境中待測線路-探頭間電容、大地-探頭間電容均隨測量場景變化而變化，不能作定值處理。文獻[11]提出一種基于電場耦合的雙探頭非接觸式測量方案，可以有效地減小來自其他方向干擾源造成的誤差，但測量環(huán)境變化導(dǎo)致寄生電容變化的問題仍未得到解決。

本文基于電場耦合原理，分析了傳統(tǒng)非接觸式電壓傳感器在不同測量環(huán)境、測量不同型號線路時將金屬探頭-待測線路電容、金屬探頭-大地電容用固定數(shù)值來替代所造成的誤差，以所處環(huán)境變化較大的低壓配電網(wǎng)電壓監(jiān)測作為研究目標，提出一種新的非接觸式電壓測量方法，解決了金屬探頭-待測線路電容、金屬探頭-大地電容未知造成的誤差，并通過實驗驗證本測量方案的可行性。

圖5 傳感器實際測量圖

結(jié)論

本文通過對傳統(tǒng)電場耦合式非接觸電壓傳感器測量原理進行分析，指出傳統(tǒng)測量原理在測量不同型號線路時將出現(xiàn)較大誤差。為滿足能夠準確測量未知型號線路電壓、適應(yīng)復(fù)雜的低壓測量環(huán)境的目的，設(shè)計了基于拓撲變換的電場耦合式電壓傳感器，并對樣機進行了穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)響應(yīng)測試，均獲得了能夠滿足測量要求的結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)較為準確的測量不同型號線路的電壓，在暫態(tài)下復(fù)現(xiàn)線路電壓波形。

本設(shè)計在實現(xiàn)電壓傳感器小型化、低成本、無需金屬接觸的基礎(chǔ)上，克服了測量中線路與探頭間寄生電容未知的問題，對電網(wǎng)電壓監(jiān)測點的推廣具有實際應(yīng)用意義。

本文對基于拓撲變換原理的電壓傳感器進行了初步研究，但在某些方面仍需開展進一步的研究。比如：設(shè)計利用互感器原理的感應(yīng)取電模塊為傳感器供電，而將鋰電池設(shè)為后備電源；研究無需掛接地線的傳感器測量原理。

進一步閱讀，請點擊下方鏈接，可下載全文PDF版。

• 基于拓撲變換的非接觸式電壓傳感器