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国网重庆市电力公司电科院、重庆大学肖前波、廖峥等：输电线路矢量电场测供一体传感器及电压反演方法

文摘科技 2024-09-10 14:32 北京

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通过传感器测量电场信号并经过反演运算还原场源导体的电压值，是监测输电线路运行的可靠方法。国网重庆市电力公司电力科学研究院、重庆大学的肖前波、廖峥等研究者，提出测量矢量电场并反演计算输电线路各相电压的方法，设计球形矢量电场测量传感器，实现通过单传感器测量单点电场得到输电线路三相电压。由于电场测点包含丰富的电场能量，设计电场取能电路，实现检测装置的测供一体化。球形矢量传感器、电场取能装置的实验测试结果表明，球形矢量传感器相位偏移约1.3°，响应速度较快；反演结果线性度较好且能够实现10MHz宽频测量；取能模块在相同的实验测点加压10kV即可达到可观的mW级输出功率。

电压是表征输电线路工作状态的基本测量参数，基于智能仪器仪表、传感测量与控制技术，实现输电线路电压的准确、快速、安全检测，对于保障电力系统安全稳定运行具有重要意义。传统监测方法采用电压式电磁互感器，谐波对测量结果的影响十分明显。通过传感器测量电场信号，利用反演运算还原场源导体的电压值，进而判断线路运行状况的方式更为可靠。由于电场测量对室外气象条件等环境要求低、抗干扰能力强，故该方法极具应用前景。

常见的交流输电线路每一回均有三相导线，置于空间中的电场测量传感器的每个极板上的电场分量由三个激励源产生的电场叠加形成，因此需要研究其解耦方法，实现每一相输电线路电压的反演计算。为了准确得到某一方向上的电场测量结果，须对测量结果进行还原，这个过程可称为电场传感器解耦。目前，常见的三相电场解耦方法往往需要多个电场测量传感器，其系数矩阵复杂且反演精度较低，同时测量带宽、稳态跟随性能均不够优秀，故亟须优化的、采用单传感器测量单点电场，进而反演推算三相线路电压的宽频测量方法。

由于电场传感器的测量信号往往需要转化为数据显示，且其中间电路一般包含信号调节的有源器件，因此用于检测的测量显示装置需要供电电源。典型的交流高压架空输电线路取能主要利用感应取能原理，从带电线路周边的准静电场、涡旋电场或磁场完成电能获取。交流输电线路周围电场测点位置包含丰富的电场能量可供利用，将其转化为mW级的电能即可满足常规电场测量显示装置的用电需求。因此，设计配套的电场取能电路，结合电场测量传感器及其信号处理和数据显示系统，即可构成测量与自供能一体的电场测量装置。

国网重庆市电力公司电力科学研究院、重庆大学的研究者，针对电场测量传感器的性能优化及其测量设备电场取能自供能电路的设计方法展开研究和实验，实现电场测量装置的宽频、准确单传感器单点测量三相电压及测量-自供能的一体化。

图1 电场测量及自供能实验平台

他们基于测量三相输电线路空间电场进而反演其各相电压的方法，设计了一种球形矢量电场传感器。该传感器能够保持一定距离且较为准确地测量球心处的电场在x、y、z三个方向的电场强度分量，对其所测电场数据解耦反演即可得出三相电路输电导线的单相线路电压，实现了单传感器测量单点电场即可得到三相输电线路单相电压的目标。

由理论推导可知，通过调节该矢量传感器对应极板电容与相邻极板电容，可以改变传感器的幅频、相频特性，控制其输出信号的范围；增大电容值可以有效减少传感器输出信号与电场信号间的相位误差。与传统需要设置多个传感器的三相电场测量解耦方法相比，该传感器的解耦系数矩阵更简洁且反演精度明显提升，能够实现宽频测量和相位调节，理论上具有更好的暂态性能。

图2 电场取能装置输出功率

研究者指出，由于电场测点包含丰富的电场能量，可通过电场取能提供测量数据显示装置的电能。利用金属极板与输电线路构成耦合寄生电容进而产生空间位移电流，即可使感应极板输出电荷向充电电容供能。基于此原理他们设计了配套的整流、可开关的供能电路，并计算了相关元件的参数，实现了检测装置的测供一体化。

最后，研究者搭建了高压三相输电线路模拟实验平台，利用示波器结合高压探头等设备显示矢量传感器、电场取能装置的输出情况，测量相关工作特性。

实验结果表明，球形矢量传感器输出信号偏移较小、失真度较低、反演结果线性度较好，具有良好的稳态性能；同时，测量带宽可观，能够实现宽频测量，具有较好的暂态性能。取能模块在相同的测点位置可以达到mW级的输出功率，能够向测量显示装置的电池供能。

本工作成果发表在2024年第4期《电气技术》，论文标题为“输电线路矢量电场测供一体传感器及电压反演方法”，作者为肖前波、廖峥等。本课题得到国家自然科学基金面上项目的支持。

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国网重庆市电力公司电科院、重庆大学肖前波、廖峥 等：输电线路矢量电场测供一体传感器及电压反演方法

本工作成果发表在2024年第4期《电气技术》，论文标题为“输电线路矢量电场测供一体传感器及电压反演方法”，作者为肖前波、廖峥 等。本课题得到国家自然科学基金面上项目的支持。

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本工作成果发表在2024年第4期《电气技术》，论文标题为“输电线路矢量电场测供一体传感器及电压反演方法”，作者为肖前波、廖峥等。本课题得到国家自然科学基金面上项目的支持。