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摘要:為了對高壓直流輸電(HVDC)的傳輸線進行可靠的帶電狀態檢驗，提出并設計了一種基于微機電系統(MEMS)電場傳感器的非接觸式直流驗電器系統。MEMS電場傳感器用于測量DC電場。為了實現對電場信號的采集和處理，設計了以32位嵌入式微處理器為核心的非接觸式直流驗電器系統。通過聲光預警模塊實現有電提醒，簡化驗電作業的操作復雜性。該系統的應用可以準確檢測直流輸電線路的帶電狀態信息，并在檢測到輸電線路帶電時及時報警，具有操作簡單，抗干擾能力強，電池壽命長達23h的特點。

關鍵詞:微機電系統(MEMS)電場傳感器;直流電場;直流驗電系統;COMSOL仿真軟件

0引言

特高壓直流輸電(ultrahighvoltagedirectcurreut，UHVDC)具有線路傳輸能力強，損耗低，交流系統兩側無需同步運行，系統故障造成的損耗小等優點［1～3］。隨著HVDC在電力工業中的使用越來越多，其在電網中傳輸的電能的比例也在增加。這導致人們越來越關注直流傳輸的保護、監測和檢測。根據電力線安全工作規程的規定，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:高設備結構參數和高工作參數;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提高［4］。運用傳統的驗電設備來驗電，需要電力作業人員背著設備爬上鐵塔，進行接觸式的驗電。這不但極大地增加作業人員的勞動強度，而且操作復雜困難，具有一定的危險性。目前，國內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(micro-electro-mechanicalsystem，MEMS)結構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(silicononinsulator，SOI)的微機電系統的電場傳感器敏感結構［5、6］，其電場敏感芯片得到了許多的應用;輸電線路工頻電場的測量［7、8］，一種能為帶電作業人員提供安全報警的預警系統［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上，結合MEMS傳感器的相關原理，提出并設計了一種基于MEMS電場傳感器的直流驗電器。

1、系統方案

驗電系統的主要構成有:MEMS電場傳感器、供電模塊、STM32處理分析模塊、聲光預警模塊、藍牙無線通信模塊等。MEMS電場傳感器感應電場強度信息相相應大小的電壓信號，利用STM32系列微處理器進行處理，控制預警模塊以聲光預警和發送數據的形式為現場作業人員提供直流高壓線路的詳細與準確的帶電狀態信息。而且還能夠將測得的電場強度信息發送給監測裝置。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電場傳感器產生的電信號進行I/V轉換，鎖相放大，濾波和AD采樣，再將信息發送到中央處理芯片。中央處理芯片將對獲得的信號進行數據處理分析，以確定輸電線路的帶電狀態信息。

2、MEMS電場傳感裝置設計

2．1直流輸電線路電場分析

HVDC傳輸線在其周圍產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確［12～14］。

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境因素的理想情況下。導線類型為6×720，子導線半徑為1．81×10－2m，分裂半徑為0．45m，根據公式等效為半徑0．355m，正負極之間的距離為22．5m，兩導線與地面間的距離為35．5m，額定電壓為±800kV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，并根據計算出的結果繪制直流輸電線路的電場分布云圖。

其為正負極性的兩種靜電場的相互疊加耦合，兩極導線外側場強大，地面電場矢量總體垂直于地面，但是在導線的投影間距內的電場矢量有所不同。大地作為良導體使地面場強與忽略大地影響的情況有較大的增強。(b)為直流輸電線地面附近的電場強度分布，在兩極導線中心位置的電場強度低，在兩極導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確性，驗電時應從正下方靠近輸電線路。

2．2傳感器選擇

與傳統的現場研磨電場傳感器相比，中國科學院開發的MEMS電場傳感器芯片探針，具有使用壽命、功耗低、體積小、性能穩定等優點［16～19］。其測量范圍可達到±100kV/m，分辨率達到20V/m，并在輸電線下的電場測量中得到一定的應用［8］。因此，MEMS電場傳感器可以滿足本文系統設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。為了提高感應效率，屏蔽電極和傳感電極設計在同一結構層中。屏蔽電極接地，感應電極連接檢測電路。在芯片正上方施加電場E，當屏蔽電極在感應電極(+)和感應電極(－)之間左右振蕩時，使得感應電極周圍的電場發生變化，導致表面感應電荷量周期性變化，產生交流感應電流［9，10］。

3、系統設計與實現

3．1信號處理電路

MEMS電場傳感器感應出電場以產生交變電信號，并且信號轉換和處理系統分別處理由電場信號產生的交流電流量。信號轉換和處理電路如圖3所示。轉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。

3．2控制器電路

系統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送到監護人員的設備。處理控制器處理MEMS傳感器信號，當電場強度超過2．5kV/m時，控制聲光報警模塊進行有電提醒。

3．3系統程序設計

當初始化完成時，系統的主程序首先進入自測狀態，并且電場信號由MEMS傳感器收集并傳輸到控制器。控制器執行數據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出來。

3．4驗電系統實際應用

為了驗證所設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1210高壓發生器產生直流高壓，并且通過導線模擬直流傳輸線。試驗使直流高壓發生器產生5～30kV的高壓，將所設計的直流驗電裝置放置于導線正下方70cm處，預先設置直流高壓發生器的電壓，再接通電壓開關，對其帶點狀態進行檢測。

4、結束語

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

2)所設計的直流驗電系統集成電場測量與驗電結果預警于一體，整個驗電系統結構緊湊，相對傳統的驗電器具有良好的便攜性;系統采用低功耗的電場感應芯片和微控制器，擁有2400mAh鋰電池，可連續工作23h，保證了整個系統的續航能力。

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

4)該裝置還可用于石化、紡織、氣象等領域的靜電場測量。

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作者：唐立軍 周年榮 方正云 范良進 張文斌 單位：云南電網責任有限公司電力科學研究院 昆明理工大學 機電工程學院