基于无线传输的球形空间瞬态电场测量仪研制

李文婷 龙兆芝 刘少波 张弛 耿志辉 鲁非

摘要：针对以往研制的空间电场测量仪所测量的冲击电场波形与实际冲击电压波形时间参数差异大，会对电场幅值测量带来误差等问题，该文对原有的电场测量仪结构进行改进，调整电场探头内部的取样电容量与采集卡入口阻抗进行匹配后，保证所获取波形与实际电压波形的一致性。同时将原有电场探头数据传输模式由光纤传输模式改进成无线传输的模式，可以最大程度地避免电磁干扰，更适合于复杂现场环境下的电场测量。将改进后的电场测量仪在冲击近似均匀电场、非均匀电场及工频均匀电场下进行标定，标定结果表明其具有良好的线性度。所研制的球形电场测量仪可用于变电站内的线路过电压监测，冲击分压器线性度辅助测量等多种场合，具有广泛的实际应用价值。

关键词：空间电场;取样电容;阻抗匹配;无线传输

中图分类号：TM83文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）04-0085-07

0引言

电场测量在诸多科学研究和工程技术领域都具有重要意义，特别是在电力系统、电磁兼容以及微波技术等领域具有广泛应用。由于电场测量仪一般悬浮工作于空间电场中，与电力设备无直接的电气连接，可以避免由于电气连接所引入的耦合干扰，在高电压下也不会产生电晕，数据一般通过无线发射器或者光线传输数据到PC机，能够避免折反射对波形的影响，无需接地不会感应地网电压抬升，因此目前广泛应用于高压电场测量中。

空间电场测量仪在高压测量领域最初广泛应用于工頻电场测量中，而随着采集卡测量技术的不断发展，电场测量仪也被逐渐应用于瞬态电场测量中。相比于工频电场测量，测量瞬态空间电场要求采集卡具有更快的响应速度、较高的采样率及垂直分辨率。传统冲击电压测量一般采用冲击分压器获得电压信号，并通过二次测量端采集卡或示波器记录测量波形。但在某些特定场合，由于试验场地空间场地受限，不可能采用冲击分压器进行电压监测，且由于分压器的发热效应也不可能长时间连续运行，此时只能采用电场测量仪进行监测。另外由于标准冲击电压分压器的电压等级难以提高，对于1000kV以上电压等级的冲击分压器也需要采用其他辅助设备（如电场测量仪）进行线性度试验研究。以往进行瞬态电场测量时存在的主要问题是电场波形与实际电压波形吻合度差，本文针对该问题对测量仪进行了改进，保证了瞬态测量波形时间参数与电压波形的一致性。

1球形瞬态电场测量仪工作原理

常用的空间瞬态电场测量仪为球形电场测量仪，其外部结构由两个半球形的金属外壳组成，两半球外壳构成一个电容探头，其工作原理如图l所示。在变化的电场中电场测量仪的球形外壳会感应电荷，感应电荷的大小与球壳尺寸及所处电场强度相关，其关系式为

取样电容两端的电压经采集卡进行A/D转换后成为数字信号，经过光纤传输给上位机从而获取测量波形。

图2为以往研究者采用电场探头测量得到的冲击电场波形，从图中可以看出在波尾部分100雎s时刻及以后所记录波形电场值已经下降至0kV/m以下，该波形与实际的冲击电压波形具有一定的差距。图3为典型的正极性冲击电压波形，电压先迅速上升至峰值后再缓慢下降至0v，在整个时间范围内其电压值不会降到0v以下的位置;在100us时刻对应的波形幅值约为15%的峰值电压，即该球形电场探头所测波形失真，不能反映真实的冲击电压波形，会对电场测量引入较大的误差。

2改进电场测量仪

2.1原有电场测量仪

为了分析电场测量仪所测冲击电场波形失真的原因，对原有球形电场测量仪样品进行分析，图4（a）为其外观图，电场测量仪由上电极、有机玻璃绝缘块、下电极及内部配套采集装置组成，图4（b）为其外观尺寸图。由于电场测量仪的电场/电压比例系数与测量仪的取样电容成反比，以往为了提高电场测量仪的灵敏度会将Cm设计得很小，原有的电场测量仪内部未额外并联取样电容，依据电场测量仪球壳外部尺寸及两球壳间距离，可计算出球壳间感应电容量约为8.6pF。

为确定球形电场测量仪的引入是否对原有电场进行了畸变，在ANs0FT中进行仿真计算，平板电极尺寸及平板电极间距完全按照以往试验条件设置，在间距为1m的两平行极板中心放置半径为5cm的球形探头，两平行电极之间的电场分布云图如图5所示。仿真结果表明当极板距离（1m）为探头半径（5cm）的20倍时，电场探头对原电场的影响非常小，实际电场极性也不会发生改变。因此所测电场波形失真的原因并非由电场探头对空间电场的畸变造成。

2.2电场测量仪工作原理

对原有电场测量仪所测波形做进一步分析，可以看到波头部分快速上升与实际电压波形较为一致，波尾部分下降速度明显快于实际电压波形。对电场测量仪的工作原理进行分析：电场测量仪由外部感应球壳，内部并联取样电容及配套测量用采集卡构成。当电场探头置于空间电场中时，在外部球壳上感应出电荷Q（t）在取样电容Cm上会产生感应电压Uk，该电压上升到峰值后再经过采集卡人口电阻足泄放，因此采集卡会获得一个先上升后下降的电压，其放电原理图如图6所示。其中波形下降的时间常数与R1值和Cm及c1值相关，其放电时间常数为

该样品球形电场测量仪内部无并联取样电容，则球形电场测量仪的取样电容CM为两球壳间的感应电容，电容量为8.6pF。对测量仪内部配套采集卡的输入阻抗进行测量，得到其输入电阻/电容为0.484MΩ/33.128pF，根据以上参数计算回路放电时间常数为20.18us，即电压降至0.37Uk时所需时间为20.18us。而实际标准雷电冲击电压波形（1.2us/50us）的半峰值时间约为50us，波尾部分下降到0.37Uk时间约75us，由此可以看出原球形电场探头内部的取样电容和采集卡构成的放电回路时间常数过小可能是造成电场波形测量失真的原因。为了获取准确的电场波形，需要在电场探头内部实现阻抗匹配，具体实现方法即调整原放电回路的时间常数，与标准雷电压波形的放电时间常数保持一致。

2.3增大电场测量仪内部取样电容

由于采集卡内部阻抗固定，球壳间的感应电容一定，为了增加测量回路的时间常数，只能增大取样电容的大小。真实待测雷电压波形波尾部分下降时间常数约为75us，为将电场测量仪回路放电时间参数调整与实际待测电场波形一致，需要将原有电场测量仪回路放电时间常数由20.18us增加至75us，即需要将在原有测量回路额外并联2.72倍原有放电回路电容（Cm+C1）的取样电容，需额外并联取样电容为Cm1，=2.72x（8.6+33.128）pF=113.5pF。

在原有电场测量仪内部并联113.5pF电容后，经实测电场波形不再出现电场值降至0kV/m以下情况，电场波形时间参数与电压波形吻合度较好。进一步增大电场测量仪内部并联电容后，发现电场波形的时间参数并不会进一步增大，仍然与真实电压波形保持一致，即只要保证电场测量仪内部测量回路放电时间常数≥待测雷电波形时间常数，就可以保证电场测量仪能够真实地反映待测波形。图7为对电场测量仪内部并联额外的电容后，电压波形和电场波形的对比图。从图中可以看出电场波形与电压波形有良好的—致性，波头/波尾时间参数一致性。

由于改进后的电场测量仪要用于高电压等级冲击电压线性度的测量，最高待测冲击电压会超过1000kV，而球形电场测量仪配套采集卡人口电压仅为±2.5v，为了拓展电场测量仪的电场测量范围，需要尽量减小电场/电压比例系数，最终在球壳内部并联3.5nF电容，此时该球形电场测量仪的理论电场/电压比例系数为0.056945v/（kV/m）。

2.4改进电场测量仪数据传输方式

原有的电场测量仪基于光纤进行数据传输，但在现场试验远距离数据传输时，过长的测量光纤存在布线困难且容易被损坏的情況，最佳的传输方式为无线传输。因此将原有的球形探头内部测量采集卡设计为无线传输模式：在球形电场内部设置独立的无线路由，通过IP设置可实现电场测量仪与笔记本电脑中软件的通信。电场测量仪内部采集卡具有较大的存储深度，在单次试验时采集卡迅速捕捉放电电压信号后转变为数字信号保存，再通过局域网数据传输模块传输给PC机，在PC机中完成数据读取及参数计算工作，其具体工作流程如图8所示。

在进行冲击电场测量时，电场测量仪内部采集卡采样率设置为150MS/s，单次采样时间设置为300us，单次试验数据量为45k个采样点。经实际测试整套测量系统数据传输速度快，单次试验结束后，所有的数据可迅速完成传输，并可在1s内完成数据绘图。

改进后的球形电场测量仪内部电路如图9所示，包括：取样回路、A/D采集卡、MCU数据微处理器、局域网数据传输模块、电源开关、锂电池、局域网数据接收单元，整体设计紧凑。

3电场测量仪的刻度标定

3.1冲击电场标定

为了保证电场测量仪测量瞬态冲击电场的测量准确度，将电场测量仪内部配套采集卡的采样率设计为150MS/s，垂直分辨率为12Bit，采集卡前置衰减档位包括1：1档、10：l档及100：1档，采集卡入口电压为±2.5v，根据待测电场大小可选择合适的衰减档位进行测量。

对原有电场探头样品进行内部测量阻抗匹配后，在实验室内搭建了近似均匀的平板电极电场，在冲击电压下对电场测量仪的比例系数进行了标定。采用型号为SMR7.7/500的500kV标准电阻.分压器进行标定试验，其幅值测量不确定度为10x 10^-2（K=2），时间参数测量不确定度为l 5x10^-2（k=-2）。将电场测量仪通过绝缘带悬浮固定于平行极板中心位置。试验中正负极性各选取5个电压校准点，以获得球形电场测量仪的线性度。

表1为正极性下不同冲击电压下电场测量仪与标准分压器测量波形的数据对比。从表中可以看出，经改进后的电场测量仪所测电场的时间参数与分压器所测参数具有较好的一致性。表2为不同电压下电场测量仪线性度试验数据，其中单个电压下的数据为在该电压下重复测量5次后求取平均值的试验数据，在100-480kV/m电场范围内，电场探头测量线性度在1.2%以内，如图10所示。

根据该电场测量仪的外形尺寸参数可计算出在均匀电场下其理论电压/电场比例系数K值为0.056945v/（kV·^-1），理论计算值与实际标定值非常接近，具有微小差别的原因可能在于电场探头球径尺寸的测量误差及实际搭建的平板电极电场并非绝对的均匀电场。理论值和实际值之间的差别较小，表明该球形电场探头在冲击电场下的标定数据结果是可靠的。

电场探头的实际使用条件多为非均匀空间电场，因此在空间非均匀电场中也对其进行了标定试验。将球形电场探头布置于冲击电压发生器本体与测量用冲击分压器中间位置，将球形电场测量仪用绝缘支撑杆支撑，环绝缘支撑杆高度为1.26m，绝缘支撑杆位于发生器及测量分压器中间位置，绝缘支撑杆距离分压器纵向距离为2.2m。表3为其标定试验结果，从100～480kV范围内置于空间非均匀场中的球形电场探头的测量线性度为1.2%，如图11所示。试验结果还表明该球形探头在非均匀电场中的线性度与在均匀电场中的线性度基本一致，可以作为冲击电压辅助设备应用于复杂现场环境中。当球形电场测量仪用于测量空间非均匀电场时，由于所处位置不同时其电场系数会发生改变，在实际使用时应该进行实时标定。

3.2工频电场标定

为了验证该球形电场测量仪在冲击电场标定数据的准确性，将该球形电场探头送至陕西电科院环境保护实验室内进行了工频电场的标定，其标定电场范围为5～20kV/m，标定结果如表4所示。与表2比较可知，在工频电场与冲击电场下，电场探头的比例系数非常接近，存在微小差别的原因是由于在实验室内所搭建的冲击电场并非绝对均匀电场，而陕西电科院环境保护实验室标定用的工频电场更加均匀。在准确度要求不高的情况下，该球形电场测量仪在现场试验中可同时用于冲击电场测量及工频电场测量。

4结束语

对原有的空间瞬态球形电场测量仪进行了改进，在球壳内部两端额外并联了合适容量的取样电容后，实现了取样电容与内部采集卡间的阻抗匹配，保证了所测电场波形与真实电压波形的一致性。将电场测量仪数据传输设计成无线传输模式，可以满足复杂环境下数据传输的要求，适用范围更广，经过在实验室内的标定试验表明：

1）在冲击电压近似均匀场下和非均匀场下球形电场探头的线性度特性一致，在500kv范围内，其线性度为1.2%。

2）在近似均匀冲击电场下，实际标定电场系数与理论计算值相差值小于1%，造成该差别的原因可能在于球壳尺寸的测量误差及所搭建的标定用冲击电场并非绝对均匀电场。

3）在工频电场下实际标定电场系数与冲击近似均匀电场下标定的电场系数一致性好。

经过改进后的球形电场测量仪所测波形与实际冲击电压波形吻合程度好，测量线性度良好，通过调整电场测量仪的放置位置，选择合适的前置衰减档位，可以在很宽的量程范围内实现冲击高电压下的电场测量，后续可作为很好的冲击电压辅助测量设备用在高电压等级冲击电压线性度研究中。