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(zhǎng)沙 410205）

0 引言

目前，測(cè)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(jìn)行采樣，這種方式需要和被檢測(cè)電路直接電氣連接，在電氣隔離、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(cè)量方法，克服了上述弊端且具有一定的先進(jìn)性［1-5］。

所謂非侵入，就是不直接對(duì)帶電體進(jìn)行采樣，而是通過(guò)檢測(cè)帶電導(dǎo)體輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度，建立轉(zhuǎn)換帶電體電場(chǎng)強(qiáng)度到電勢(shì)的物理通道，即產(chǎn)生非侵入感應(yīng)電勢(shì)，最后把感應(yīng)電勢(shì)轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的采樣電流，進(jìn)而再轉(zhuǎn)換成采樣電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)非侵入電壓的采樣功能［6-9］。由于現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境復(fù)雜，對(duì)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(jì)要求，還需要對(duì)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(cè)量要求，為解決此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于低壓臺(tái)區(qū)的新型非侵入電壓測(cè)量傳感器。

1 非侵入式電壓測(cè)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(chǎng)可分為性質(zhì)不同的兩個(gè)部分，其中一部分電磁場(chǎng)能量在輻射源周圍空間及輻射源之間周期性地來(lái)回流動(dòng)，不向外發(fā)射，稱為感應(yīng)場(chǎng)；另一部分電磁場(chǎng)能量脫離輻射體，以電磁波的形式向外發(fā)射，稱為輻射場(chǎng)。

一般情況下，電磁輻射場(chǎng)根據(jù)感應(yīng)場(chǎng)和輻射場(chǎng)的不同而分為近區(qū)場(chǎng)（感應(yīng)場(chǎng)）和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)（輻射場(chǎng)）。遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)和近區(qū)場(chǎng)的劃分較復(fù)雜，需要根據(jù)不同的工作環(huán)境和測(cè)量目的進(jìn)行劃分，通常以場(chǎng)源為中心，半徑在3 個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的區(qū)域，通常為近區(qū)場(chǎng)（感應(yīng)場(chǎng)）；半徑在3 個(gè)波長(zhǎng)范圍外的區(qū)域，通常為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)（輻射場(chǎng)）。

對(duì)于50 Hz 的交流電，可得其波長(zhǎng)為λ=U/f，代入計(jì)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(chǎng)（感應(yīng)場(chǎng)），在靠近輻射體的距離內(nèi)，電磁場(chǎng)強(qiáng)度大，當(dāng)導(dǎo)體處于感應(yīng)場(chǎng)中，能量幾乎不會(huì)發(fā)散損耗，呈線性地生成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。利用這一特性，本文擬設(shè)計(jì)非侵入的測(cè)量裝置來(lái)測(cè)量導(dǎo)體的電場(chǎng)強(qiáng)度。電場(chǎng)強(qiáng)度和被測(cè)體在單位長(zhǎng)度內(nèi)的電量Q有關(guān)，電量Q又與被測(cè)體的電勢(shì)及電壓有關(guān)，所以通過(guò)測(cè)量到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最終可以推導(dǎo)出被測(cè)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(zhǎng)度的帶電導(dǎo)體，對(duì)其進(jìn)行分析。設(shè)該導(dǎo)體上電量為Q，計(jì)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(duì)地的距離用Ha表示，則有：

（2）帶電導(dǎo)線在線外空間任意點(diǎn)p產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度Ep。

求出Q后，可以通過(guò)式（3）推導(dǎo)出電場(chǎng)強(qiáng)度Ep，kV/m；取Ha=R，則有：

（3）計(jì)算測(cè)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(duì)地（屏蔽層）會(huì)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(jì)時(shí)需利用此電流的一部分驅(qū)動(dòng)三極管，因此先要計(jì)算耦合電容，再計(jì)算充放電電流。

因?yàn)樵O(shè)計(jì)的感知片和外部包裹屏蔽層（地）之間保持平行，且面積遠(yuǎn)大于厚度，可以看作是平行電容器的正負(fù)極，利用平行電容器公式計(jì)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(shí)的面積。

（4）計(jì)算測(cè)量導(dǎo)體（即感知片）對(duì)地（屏蔽層）的充放電電流I0。

I0既是測(cè)量導(dǎo)體（即感知片）對(duì)地（屏蔽層）的充放電電流I0，又是后續(xù)工程設(shè)計(jì)電路里驅(qū)動(dòng)第一級(jí)三極管基級(jí)的驅(qū)動(dòng)電流，I0是理論計(jì)算和工程設(shè)計(jì)值的銜接點(diǎn)，I0理論上有一個(gè)預(yù)期估值，該值的最小值應(yīng)該滿足后續(xù)工程設(shè)計(jì)電路里第一級(jí)三極管基級(jí)導(dǎo)通的最小電流，可通過(guò)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(jì)算測(cè)量導(dǎo)體（即感知片）上測(cè)量到的感知電壓U0。

測(cè)量導(dǎo)體設(shè)計(jì)成一個(gè)有規(guī)則的、與帶電導(dǎo)體平行的、等距的截面體，就可以認(rèn)為處于帶電導(dǎo)體的電場(chǎng)內(nèi)的一個(gè)等位面，均勻分布在其電場(chǎng)中，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也是恒定不變的。

設(shè)測(cè)量導(dǎo)體（即感知片）上測(cè)量到的感知電壓為U0，U0等于感知片對(duì)地的距離d0與電場(chǎng)強(qiáng)度的乘積。

（6）計(jì)算測(cè)量導(dǎo)體（即感知片）的面積A。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，且測(cè)量導(dǎo)體（即感知片）有確定面積（理論計(jì)算時(shí)感知片在電場(chǎng)中距帶電體均勻分布，本身厚度遠(yuǎn)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(chǎng)強(qiáng)是均勻分布的，測(cè)量導(dǎo)體面積規(guī)則且吸收?qǐng)鰪?qiáng)面積也是均勻分布的。另有A=kA′，當(dāng)感知片的長(zhǎng)寬接近時(shí)，則k=1。所以上式可簡(jiǎn)化為式（9）、（10）：

3 工程設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)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(jì)算結(jié)果說(shuō)明當(dāng)以上條件建立時(shí)，A應(yīng)不小于8.60×10-4m2（8.60 cm2）。

4 工程應(yīng)用設(shè)計(jì)

基于以上原理設(shè)計(jì)的非侵入式電壓傳感器的應(yīng)用場(chǎng)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(zhǎng)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(cè)量到該導(dǎo)線內(nèi)的電壓值，則根據(jù)以上測(cè)量原理及要求，同時(shí)考慮工程的可實(shí)現(xiàn)性，考慮采用一種固定長(zhǎng)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(gè)環(huán)形區(qū)域相對(duì)此區(qū)域內(nèi)的帶電導(dǎo)線形成封閉電場(chǎng)，金屬網(wǎng)層表面則完全處在該電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)范圍內(nèi)，這樣，金屬網(wǎng)層表面就會(huì)感應(yīng)出和帶電導(dǎo)線相關(guān)的感應(yīng)電勢(shì)。另外，通過(guò)一根帶屏蔽層的金屬導(dǎo)線引導(dǎo)感應(yīng)電勢(shì)對(duì)地建立不等勢(shì)體，同時(shí)對(duì)該不等勢(shì)體設(shè)計(jì)合適的電阻值（該電阻值由金屬網(wǎng)層的阻值和不等勢(shì)通道中的阻值共同確定），將感應(yīng)電勢(shì)轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電流，電流流入后續(xù)的設(shè)計(jì)的測(cè)量感知單元電路，最終生成可測(cè)量的采樣電壓信號(hào)。這樣，就實(shí)現(xiàn)了非侵入式的工頻電壓測(cè)量。

4.1 非侵入式電壓傳感器的硬件設(shè)計(jì)總體架構(gòu)

硬件設(shè)計(jì)總體架構(gòu)如圖1 所示，工程樣機(jī)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(guò)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(guò)一根3 芯線（+5 V 電源、GND、遙信信號(hào)）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(hào)端，感應(yīng)電流信號(hào)通過(guò)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(hào)進(jìn)行補(bǔ)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(hào)，通過(guò)3 芯信號(hào)線將遙信信號(hào)傳給后端系統(tǒng)。

圖1 硬件設(shè)計(jì)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(jì)

非侵入式感知探頭是屬于非侵入式測(cè)量電壓方法硬件實(shí)現(xiàn)的重要前端感應(yīng)部分，屬于轉(zhuǎn)換電勢(shì)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(shí)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(duì)金屬網(wǎng)層產(chǎn)生電場(chǎng)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(jì)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(hào)芯線，焊接點(diǎn)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(yán)實(shí)；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(yán)實(shí)，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(diǎn)需焊接在金屬屏蔽層外側(cè)一面。信號(hào)連接導(dǎo)線采用1185#24 黑色單芯屏蔽線長(zhǎng)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(shí)物如圖3 所示，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖4 所示。

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

圖3 電路實(shí)物圖Fig.3 Physical circuit diagram

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

4.3 非侵入式感知單元電路的設(shè)計(jì)

非侵入式感知單元電路（見圖5）由采樣信號(hào)補(bǔ)償電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)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(guò)導(dǎo)線流入感知單元電路，信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)由數(shù)量級(jí)為10-12F 的電容和106Ω 的電阻構(gòu)成的補(bǔ)償電路，對(duì)外部按漏電流和環(huán)境變化造成的信號(hào)衰減進(jìn)行補(bǔ)償。然后通過(guò)由三極管組成的兩級(jí)放大電路對(duì)采樣電流信號(hào)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換，將信號(hào)轉(zhuǎn)為可測(cè)量的電壓信號(hào)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)由LED 二極管構(gòu)成的信號(hào)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(hào)通過(guò)光耦隔離，再轉(zhuǎn)換成遙信信號(hào)可供后級(jí)系統(tǒng)檢測(cè)。信號(hào)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(diǎn)為感應(yīng)電流信號(hào)的接入點(diǎn)，也就是非侵入式感知單元電路實(shí)物和信號(hào)連接導(dǎo)線的實(shí)際連接點(diǎn)，在此連接點(diǎn)的后端，設(shè)計(jì)有并聯(lián)在信號(hào)回路上的、由二極管V95 和電阻R27串聯(lián)組成的續(xù)流補(bǔ)償電路，使得感應(yīng)電流能形成一個(gè)持續(xù)的回路。C122能補(bǔ)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(hù)二極管V2 基級(jí)的作用。感應(yīng)電流流入二極管V2 基級(jí)后，通過(guò)E 級(jí)放大至二極管V3 的基級(jí)，被再次放大至V3 的C 級(jí)輸出，此時(shí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成工頻交流電壓信號(hào)，同時(shí)還驅(qū)動(dòng)了一個(gè)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(hào)通過(guò)光耦D22 后被隔離再輸出，這樣保證了后級(jí)系統(tǒng)和強(qiáng)電無(wú)任何電氣連接，提高安全性。隔離后的電壓信號(hào)通過(guò)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(hào)補(bǔ)償電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)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(cè)試與分析

根據(jù)理論設(shè)計(jì)樣機(jī)，需對(duì)樣機(jī)的非侵入式測(cè)量工頻電壓功能進(jìn)行測(cè)試。為了能夠驗(yàn)證樣機(jī)在不同環(huán)境下，采用非侵入式的方式都能準(zhǔn)確地測(cè)量出的線纜的工頻電壓值，我們?cè)O(shè)計(jì)了改進(jìn)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(shí)物圖Fig.6 Physical drawing of non-contact electric temperature sensor V2.0

該改進(jìn)型產(chǎn)品采用一體化設(shè)計(jì)，測(cè)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(jì)且與外部線纜通過(guò)裝置外殼隔離，安裝更加簡(jiǎn)捷，產(chǎn)品可以通過(guò)MCU 將探頭檢測(cè)到的模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)為AD采樣信號(hào)，能夠輸出±5%精度的電壓值進(jìn)行校驗(yàn)。產(chǎn)品對(duì)外通信采用485 級(jí)聯(lián)的方式上傳數(shù)據(jù)。由于產(chǎn)品安裝的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不同，如產(chǎn)品會(huì)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(huì)造成產(chǎn)品非接觸測(cè)量電壓不準(zhǔn)確需要試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，試驗(yàn)選取產(chǎn)品與外部導(dǎo)線接觸時(shí)可能存在的不同邊界值、溫度變化、濕度變化等變量，以驗(yàn)證不同現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下樣機(jī)對(duì)非侵入式電壓測(cè)量的準(zhǔn)確性。

5.1 測(cè)試方法

通過(guò)可調(diào)變壓器輸入不同電壓值，驗(yàn)證被測(cè)導(dǎo)線在不同參數(shù)變量和不同環(huán)境變量情況下，樣機(jī)測(cè)量出的電壓值是否準(zhǔn)確。根據(jù)不同被測(cè)導(dǎo)線，結(jié)合實(shí)際安裝方式，對(duì)產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(shí)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(shí)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(hù)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(shí)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(yàn)記錄

5.2.1 不同邊界值對(duì)測(cè)量電壓誤差的影響

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

表1 不同邊界值對(duì)測(cè)量電壓誤差影響的測(cè)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(shí)，非接觸測(cè)量電壓值也不一樣，這樣就會(huì)造成測(cè)量誤差。不同的現(xiàn)場(chǎng)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(duì)這種情況，我們采取了一個(gè)策略，即每次產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)安裝好后，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品自動(dòng)進(jìn)行一次校準(zhǔn)（即系統(tǒng)采樣現(xiàn)場(chǎng)電壓，以現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(huì)改變，所以校準(zhǔn)后的輸出值就能反映實(shí)際值。在此基礎(chǔ)上，我們做了不同邊界值的不同電壓值測(cè)試，結(jié)果均反映了校準(zhǔn)后的測(cè)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(jìn)前后測(cè)量電壓誤差曲線的比較。

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

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

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

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

5.2.2 溫度變化對(duì)測(cè)量電壓誤差的影響

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

表2 溫度變化對(duì)測(cè)量電壓誤差影響的測(cè)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(cè)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(cè)試表明，當(dāng)溫度變低時(shí)，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(cè)試數(shù)據(jù)可知在低溫環(huán)境下，溫差為65 ℃時(shí)，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(cè)試表明，當(dāng)溫度升高時(shí)，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(cè)試數(shù)據(jù)可以得到在高溫環(huán)境下，溫差為50 ℃時(shí)，非接觸的電壓誤差約-11%，從圖11 的溫度測(cè)量初始電壓測(cè)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(cè)試下的變化幅度。

由5.2.1 節(jié)可知，測(cè)量電壓的準(zhǔn)確度和邊界值有直接關(guān)系，邊界值改變時(shí)，可以通過(guò)重新校準(zhǔn)來(lái)校正測(cè)量電壓的準(zhǔn)確度。而環(huán)境溫度變化也會(huì)造成邊界值的改變，但這種變化是動(dòng)態(tài)改變，若頻繁校準(zhǔn)會(huì)大量占用系統(tǒng)資源，甚至引起系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。因此，我們采用在軟件中增加溫度補(bǔ)償算法，即需要在產(chǎn)品中新增一個(gè)測(cè)量外界溫度值的芯片TC104，其溫度測(cè)量范圍為-40℃～125℃，測(cè)量精度1%，符合需求。具體改進(jìn)措施：根據(jù)溫度補(bǔ)償算法，TC104 芯片將檢測(cè)到的溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)溫度選擇執(zhí)行高溫補(bǔ)償程序還是低溫補(bǔ)償程序（以室溫25 ℃為判別點(diǎn)），高溫補(bǔ)償程序根據(jù)高溫測(cè)試結(jié)果減少高溫下的線性誤差，低溫補(bǔ)償程序根據(jù)低溫測(cè)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(yàn)證，測(cè)量誤差符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

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

5.2.3 濕度變化對(duì)測(cè)量電壓誤差的影響

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

表3 濕度變化對(duì)測(cè)量電壓誤差影響的測(cè)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(duì)非接觸測(cè)量電壓的影響很大，超過(guò)了溫度變化對(duì)其的影響。這是因?yàn)?，?dāng)濕度增大時(shí)，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(cè)量電壓誤差值隨濕度的上升而增大。針對(duì)這一現(xiàn)象，我們采用和高、低溫類似的改進(jìn)策略：在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中設(shè)置1 個(gè)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(bǔ)償算法進(jìn)行濕度補(bǔ)償，以消除濕度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差。經(jīng)改進(jìn)濕度補(bǔ)償措施后的測(cè)試情況如表3 所示，表明測(cè)量誤差均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。結(jié)果可見圖12 的改進(jìn)前后測(cè)量電壓誤差曲線的比較。

圖12 濕度變化影響測(cè)量電壓的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(cè)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(jì)算公式，給出了關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系，并通過(guò)給定相關(guān)工程設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算了A的實(shí)際值。通過(guò)該方法設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于低壓臺(tái)區(qū)的非侵入電壓測(cè)量傳感器，并將該傳感器用于工程試點(diǎn)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(cè)試結(jié)果，完善了產(chǎn)品的工程應(yīng)用方案。

本研究實(shí)現(xiàn)了被測(cè)帶電導(dǎo)體之間不直接進(jìn)行電氣連接就能測(cè)量電壓的功能，該方法對(duì)非侵入帶電體導(dǎo)線的電壓測(cè)量工程設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。試驗(yàn)樣機(jī)可適應(yīng)外界環(huán)境變化，具有測(cè)量精度高、體積小、安裝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)用電設(shè)備不構(gòu)成影響。