周正偉， 殳國華， 李丹

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

隨著我國智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)對電網(wǎng)中測量設(shè)備的安全級別提出了更高的要求。目前，主流的電壓測量方式主要有傳統(tǒng)的接觸式電壓測量和新型的非接觸式電壓測量。

接觸式測量方法因?yàn)樾枰c高壓線直接接觸，使整個(gè)測量過程效率低下，同時(shí)又存在安全隱患[1]，考慮到智能電網(wǎng)的發(fā)展對測量安全性和實(shí)時(shí)性的要求，非接觸式的電壓測量方法應(yīng)運(yùn)而生。

目前非接觸式電壓測量方法主要應(yīng)用于高電壓領(lǐng)域，為高壓電纜和設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測和檢測的隨時(shí)性和隨地性提供可能性[2]。文獻(xiàn)[3]基于耦合電容對信號采樣以及對采樣信號的處理，實(shí)現(xiàn)對電纜錯(cuò)接和損傷的非接觸檢測并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種鉗式功率計(jì)，可以在不臨時(shí)中斷電源的情況下直接安裝在電纜絕緣子上，實(shí)現(xiàn)電壓的準(zhǔn)確測量。文獻(xiàn)[5]使用無源電場感應(yīng)探頭來精確，無接觸地測量微波電路的絕對電壓波形，通過提取耦合電容隨頻率變化的情況提高了電壓測量精度。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種基于電容耦合原理的新型電壓測量系統(tǒng)，通過將傳感器電極放在電場中與信號源間形成耦合電容，從而在信號源和測量系統(tǒng)間形成分壓電路，實(shí)現(xiàn)了電壓的非接觸式采集。

本文研究了一種應(yīng)用于家用電壓領(lǐng)域的非接觸式電壓測量裝置，首先使用銅皮緊緊包裹單相220 V電纜線，形成圓柱形電容器，然后在兩圓柱形電容器間引出外接線端，接入測量裝置，設(shè)計(jì)信號采集電路及調(diào)理電路，將信號電壓限定在單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣(analog-to-digital converter, ADC)電壓范圍內(nèi)并在單片機(jī)微控制單元(microcontroller unit, MCU)控制下實(shí)現(xiàn)電壓信號采樣，隨后基于電容耦合分壓原理，逆向推導(dǎo)出線路電壓，最后通過液晶顯示器(liquid crystal display, LCD)模塊實(shí)現(xiàn)線路電壓信號實(shí)時(shí)顯示。

1 非接觸式電壓測量原理

1.1 等效圓柱形電容器電容求解

本文應(yīng)用的電容耦合原理是利用家用電壓火線與零線間存在電勢差，首先將銅皮緊縛于火線與零線外表面，銅皮與火線(零線)的銅芯之間填充著聚氯乙烯這種絕緣材料，從而耦合形成兩等效圓柱形電容器，如圖1所示。

由于火線與零線的各項(xiàng)參數(shù)相同，因此只需求解一個(gè)(此處取火線)即可求解出兩圓柱形電容器的等效電容。如圖2所示，火線銅芯的內(nèi)徑為RA，外徑為RB，外包裹銅皮的長度為l，聚氯乙烯的相對介電常數(shù)為εr。

則當(dāng)l>RB-RA時(shí)，由高斯定理得兩極板間電場強(qiáng)度為：

(1)

式中：λ為圓柱形電容極板單位長度所帶的電量；ε0為真空介電常數(shù)。因此兩極板間電勢差為：

(2)

式中：UA、UB分別為兩極板的電勢；Q為極板表面總電荷量。因此等效圓柱形電容器的電容C為：

(3)

已知電容，結(jié)合：

ω=2πf

(4)

式中：ω為角速度；f為頻率。

可求解對應(yīng)的容抗XC為：

(5)

1.2 電容耦合原理

根據(jù)1.1小節(jié)中分析，火線、零線及外包裹銅皮形成的等效圓柱形電容器的電容可求解，設(shè)火線電容為CL，零線電容為CN，則有：

(6)

從而外包裹銅皮的火線和零線可分別等效為一固定容量的電容器，如圖3所示，其中L代表火線，N代表零線。

在兩銅皮間分別引出一根導(dǎo)線，接入測量系統(tǒng)后構(gòu)成一個(gè)分壓電路，電路原理如圖4所示。

圖4中：Vin為測量裝置的輸入電壓的有效值；RE為測量裝置輸入電阻。根據(jù)分壓原理可知：

(7)

式中：VL為火線電壓有效值；VN為零線電壓有效值；ZL和ZN分別為火線和零線與外包裹銅皮形成的兩圓柱形電容器的等效阻抗，即兩電容器的容抗由式(5)可得。實(shí)際計(jì)算過程中，已知ZL、ZN、RE、Vin，并已知VN=0，即可求出VL的值。

2 測量裝置整體設(shè)計(jì)

實(shí)際使用過程中，兩等效圓柱形電容器接入測量裝置后形成閉合回路，兩引線端形成差分電壓信號。測量裝置硬件部分由差分放大電路、模擬濾波電路、MCU控制模塊、LCD顯示模塊以及電源供電模塊組成。圖5為測量裝置硬件拓?fù)鋱D。

2.1 輸入阻抗模塊

輸入阻抗模塊為一固定容量的電阻，起到分壓作用，并引出電壓信號以便后續(xù)測量計(jì)算，電阻的取值是整個(gè)測量裝置是否成功的關(guān)鍵，取值時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：一是電阻取值要考慮后續(xù)AD采樣電壓輸入范圍，將采樣電壓控制在可調(diào)范圍內(nèi)，并符合后續(xù)放大電路的阻抗匹配要求。經(jīng)計(jì)算，圓柱形電容器電容為40 pF，串聯(lián)后總電容為20 pF，對應(yīng)的容抗為159.15 MΩ，考慮到ADC采樣電壓為0～3.3 V，盡量在采樣最開始就將采樣電壓絕對值控制在3.3 V以內(nèi)；二是考慮到電阻阻值越大則同樣精度下絕對誤差越大，因此也不能取值過大,最終取值為2 MΩ，結(jié)合后續(xù)差分放大電路，兩輸入端分別取1 MΩ；三是電阻應(yīng)使用高精度、低溫漂元件本裝置采用電阻精度為0.1%，溫漂25×10-6/℃。

2.2 差分放大電路

差分放大電路原理如圖6所示，其中R1=R3=1 MΩ，R2=R4，目標(biāo)為將實(shí)際采樣電壓限定在ADC采樣電壓范圍0～3.3 V之間，考慮到差分輸入電壓為交流電壓，存在負(fù)值半波，因此需要在運(yùn)算放大器的正極端施加直流抬升電壓。同時(shí)結(jié)合2.1小節(jié)中電阻分壓結(jié)果，將負(fù)值半波抬升為正值后，初始采樣電壓正值半波也隨之抬升，導(dǎo)致其最大值超過3.3 V，因此需要設(shè)計(jì)合理的反饋電阻以實(shí)現(xiàn)比例縮小功能，最終選取抬升電壓為1.5 V，反饋電阻為R2=R4=300 kΩ。

2.3 模擬濾波電路

為保證濾波效果，設(shè)計(jì)兩級模擬濾波電路，如圖7所示，第一級為無源濾波，第二級為有源濾波，考慮到第二級有源濾波電路存在放大作用，需選擇合適參數(shù)的電阻和電容，將ADC采樣電壓最終值控制在0～3.3 V以內(nèi)。

2.4 MCU控制模塊

本裝置采用低功耗、高性能的STM32F103ZET6作為主控芯片，該芯片使用高性能的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，采用3.3 V單電源供電，包含3個(gè)12位ADC，轉(zhuǎn)換時(shí)間最少 1μs，采樣頻率最高14 MHz，可以在保證精確度的同時(shí)，對50 Hz的電壓信號實(shí)現(xiàn)快速采樣。功耗方面，ADC工作時(shí)的典型電流值僅為1.7～1.9 mA。

2.5 LCD顯示模塊

本裝置顯示模塊采用LCD 12864液晶屏，可配合單片機(jī)完成中文漢字、英文字符及數(shù)字顯示，具有功耗低和顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，采用5 V單電源供電，顯示分辨率為128×64。

2.6 電源供電模塊

本裝置電源供電模塊使用12 V干電池作為供電源，使用LM2596芯片實(shí)現(xiàn)12 V～5 V電壓轉(zhuǎn)換，為LCD顯示模塊供電；使用AMS1117系列芯片實(shí)現(xiàn)5 V～3.3 V及5 V～1.5 V電壓轉(zhuǎn)換，其中3.3 V電壓源為單片機(jī)、LCD、運(yùn)算放大器供電，1.5 V電壓源作為直流偏置對初始采樣電壓進(jìn)行抬升。由于采樣電壓為交流小信號，因此使用若干大容量鉭電容和大容量電感抑制紋波的發(fā)生。

2.7 軟件設(shè)計(jì)

本裝置的軟件控制部分分為ADC初始化程序、電壓計(jì)算程序和LCD顯示程序三個(gè)模塊。采樣過程中采用DMA通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在DMA方式下由于不是直接訪問CPU，而是直接在RAM與設(shè)備之間傳輸，因而大大提升了數(shù)據(jù)傳輸速度。ADC采樣選擇持續(xù)采樣模式，DMA傳輸選擇輪詢模式，協(xié)同保證電壓測量實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)流程如圖8所示。

3 電壓測量結(jié)果與分析

測量裝置實(shí)物如圖9所示。

為驗(yàn)證裝置測量電壓的精度，分別進(jìn)行5次獨(dú)立試驗(yàn)，記錄標(biāo)準(zhǔn)電壓表示數(shù)與自制測量裝置示數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見表1，可見本裝置基本實(shí)現(xiàn)了家用單相電壓的測量功能，同時(shí)保證了較高的精確度和穩(wěn)定性。

表1 交流電壓測量試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于電容耦合原理的非接觸式家用電壓測量裝置，首先利用電容耦合效應(yīng)在火線和零線線路上形成圓柱形電容器，而后結(jié)合電路分壓，通過外接合適阻值的電阻，將高電壓轉(zhuǎn)化為低電壓輸入采樣電路，經(jīng)放大電路及濾波電路調(diào)理后，傳輸至單片機(jī)AD采樣模塊，最后根據(jù)電路原理圖逆向計(jì)算線路電壓，顯示在LCD屏幕上，并通過與標(biāo)準(zhǔn)電壓表進(jìn)行對比的方式完成試驗(yàn)驗(yàn)證。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、精確度高和成本低，實(shí)現(xiàn)了家用電壓的非接觸測量與實(shí)時(shí)顯示，為家用電壓的非接觸測量技術(shù)提供了新思路。