一种输电线路下工频电场强度测量系统的制作方法

本发明属于输变电工程工频电场强度测量技术领域，具体涉及一种输电线路下工频电场强度测量系统。

背景技术：

由于高压输电线路附近存在工频电场，工频电场会在其中的导体上感应危险电压，当人接触这些导体时，就会形成瞬间的冲击电流并流过人体某一部位引起电击。由于导线覆盖范围广，有很大的对地电容，且能够聚集起足够大的能量并对人体造成致命的伤害，近年随着电压等级的不断攀升，静电感应现象变得越来越突出。

随着计算机技术的发展，目前国内外学者通过计算机，采用模拟电荷法、边界元法、及有限差分法等数值计算方法来计算高压电场问题。但是很多电力设备由于结构比较复杂，并且可能存在表面电晕、表面污秽、预放电过程等相对复杂的问题，使得其周围空间的电场分布难以通过计算机仿真计算得到，或者由于计算机仿真时间过长使计算出来的电场值无法满足实时性的需要；同时，一些电力设备数学模型的电场仿真结果也需要通过实际测量来验证。因此，通过直接测量工频电场获得直观准确的数据是解决问题的唯一有效手段。

目前国内常用的工频电场测量仪器主要以中高端进口产品为主，国产的低端测量仪器仍存在一些缺点，例如响应速度慢、测量精度过低、设备不易携带、难于推广等，因此亟需一种体积小、便于携带、价格适中，并能有效地监测高压输电线路及电力设备附近的工频电场的电场测量预警仪。

技术实现要素：

针对现有的工频电场测量装备复杂、测量精度低的问题，本发明提出了一种输电线路下工频电场强度测量系统，利用球形电容传感器在交变电场的作用下，其金属电极表面会感应出与待测电场同频率变化的感应电荷，对感应电荷进行相应的处理，可以得到与待测电场中成比例关系的电场测量信号，根据相应的数学关系即可计算出待测点的电场强度，从而实现了输电线路周围的电场强度测量。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种输电线路下工频电场强度测量系统，包括球形电容传感器，所述球形电容传感器的两极分别与前置差分放大电路的两个输入端对应连接，前置差分放大电路的输出端与可控增益放大电路的输入端连接；所述可控增益放大电路的输出端与单片机连接，单片机与显示单元相连接。

所述前置差分放大电路包括差分放大器u4，差分放大器u4的正相输入端和反相输入端分别和球形电容传感器的两极对应连接，差分放大器u4的第4管脚通过第一滤波电路与第一电源连接，差分放大器u4的第5管脚接地，差分放大器u4的第1管脚和第8管脚通过增益电阻r38连接，差分放大器u4的第7管脚通过第二滤波电路与第二电源连接，差分放大器u4的输出端与可控增益放大电路的输入端连接。

所述第一滤波电路包括电阻r39、电解电容c29和电容c24，电阻r39的一端与第一电源相连接，电阻r39的另一端与差分放大器u4的第4管脚和电解电容c29的负极相连，电解电容c29的正极接地；所述电容c24与电解电容c29并联。

所述第二滤波电路包括电阻r10、电解电容c19和电容c37，电阻r10的一端与第二电源相连接，电阻r10的另一端与差分放大器u4的第7管脚和电解电容c19的正极相连，电解电容c19的负极接地；所述电容c37与电解电容c19并联。

所述可控增益放大电路包括运算放大器u7和多路复用器u8，多路复用器u8的第2、第15、第10、第7管脚和运算放大器u7的反相输入端均与前置差分放大电路的输出端连接，多路复用器u8的第13管脚与第四电源连接，多路复用器u8的第4管脚与第三电源连接，多路复用器u8的第5管脚接地，多路复用器u8的第1、第16、第9和第8管脚分别与单片机的输入信号控制端连接；所述运算放大器u7的第7管脚与第四电源连接，运算放大器u7的第4管脚与第三电源连接，运算放大器u7的第3管脚接地，运算放大器u7的输出端分别通过电阻r9、电阻r23、电阻r27和电阻r32与多路复用器u8的第3、第14、第11和第6管脚对应连接。

所述第三电源分别与电容c63的一端和电解电容c65的负极连接，电容c63的另一端和电解电容c65的正极接地；第四电源分别与电容c48的一端和电解电容c58的正极连接，电容c48的另一端和电解电容c58的负极接地。

所述球形电容传感器包括弧形上极板、弧形下极板和电容cm，弧形上极板和弧形下极板的两端通过绝缘物质对应连接组成球筒，电容cm的两端分别与弧形上极板和弧形下极板连接，且电容cm的两端与前置差分放大电路的正相输入端和反相输入端对应连接。

本发明的有益效果：

本发明结构简单、成本低，球形电容传感器将交变电场转化为等比例的可测量的电压量，为了将球形电容传感器所取得的微弱的有用信号从繁杂的干扰信号中提取出来，前置差分放大电路对信号进行前置放大，最大程度地抑制共模干扰，再通过可控增益放大电路对信号进行调节，使本发明可以检测绝大部分电压等级的输电线路，最后由单片机对可控增益放大电路的输出信号进行处理，并在显示单元中将结果显示出来。

本发明能对工频电场进行有效的测量，并给予直观的数值显示，及时反映出当时当下的电场强度，提醒作业人员及时撤离电场强度超标等不适合进行长时间作业的区域，让作业人员做到防患于未然，保证人身安全和电力系统的正常运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为球形电容传感器的结构示意图。

图3为前置差分放大电路的示意图。

图4为可控增益放大电路的示意图。

图中，1为球形电容传感器，1-1为弧形上极板，1-2为弧形下极板，2为前置差分放大电路，3为可控增益放大电路，4为单片机，5为显示单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种输电线路下工频电场强度测量系统，如图1所示，包括球形电容传感器1，所述球形电容传感器1的两极分别与前置差分放大电路2的两个输入端对应连接，前置差分放大电路2的输出端与可控增益放大电路3的输入端连接；所述可控增益放大电路3的输出端通过单片机4与显示单元5相连接。球形电容传感器具有信噪比高，对表面电荷与电场强度关系计算精准、畸变小的优点；前置差分放大电路可以对球形电容传感器的输出信号以固定的增益进行放大，使有用信号得到了有效的放大而共模干扰信号得到了最大限度的抑制，减少了干扰信号给测量结果带来的误差，防止球形电容传感器的微弱信号被噪声淹没，确保信号的精确提取；可控增益放大电路对前置差分放大电路的输出信号进行调节，使系统具有较宽的幅值响应范围，以实现不同输电线路的电压等级、不同测量高度的电场检测。

如图3所示，所述前置差分放大电路2包括差分放大器u4，差分放大器u4的正相输入端和反相输入端分别通过电阻r5和电阻r21与球形电容传感器的两极相连接；电阻r5和电阻r21为阻抗匹配电阻，可以最大化地获取采样电压。所述差分放大器u4的正相输入端与通过电容c31和电阻r6接地，且电容r31和电阻r6并联，电容r31和电阻r6一起组成了滤波电路，可以对差分放大器u4的输入信号进行滤波。差分放大器u4的第4管脚通过第一滤波电路与第一电源连接，差分放大器u4的第5管脚接地，差分放大器u4的第1管脚和第8管脚通过增益电阻r38连接，通过采用不同阻值的增益电阻r38可以调节前置差分放大电路的增益；差分放大器u4的第7管脚通过第二滤波电路与第二电源连接，差分放大器u4的输出端与可控增益放大电路3的输入端连接。前置差分放大电路的输入信号为差分放大器u4的第3管脚和第2管脚上的两个信号的差值，可以将输入端的差分电压以固定的增益进行放大并转化为单端输出电压。

所述第一滤波电路包括电阻r39、电解电容c29和电容c24，电阻r39的一端与第一电源相连接，电阻r39的另一端与差分放大器u4的第4管脚和电解电容c29的负极相连，电解电容c29的正极接地；所述电容c24与电解电容c29并联。

所述第二滤波电路包括电阻r10、电解电容c19和电容c37，电阻r10的一端与第二电源相连接，电阻r10的另一端与差分放大器u4的第7管脚和电解电容c19的正极相连，电解电容c19的负极接地；所述电容c37与电解电容c19并联。第一滤波电路和第二滤波电路分别对第一电源和第二电源进行滤波，去除其中的高频信号；第一电源和第二电源分别与差分放大器u4的第4管脚和第7管脚连接，为差分放大器u4提供双电源供电。

如图4所示，所述可控增益放大电路3包括运算放大器u7和多路复用器u8，多路复用器u8的第2、第15、第10、第7管脚和运算放大器u7的反相输入端均通过电阻r34与前置差分放大电路2的第6管脚连接，多路复用器u8的第13管脚和第四电源以及电解电容c58的正极连接，电解电容c58的负极接地，且电解电容c58两端并联有电容c48；多路复用器u8的第4管脚与第三电源和电解电容c65的负极连接，电解电容c65的正极接地，且电解电容c65的两端并联有电容c63；电解电容c58和电容c48、电解电容c65和电容c63分别组成了滤波电路，分别对第三电源和第四电源进行滤波。多路复用器u8的第5管脚接地，多路复用器u8的第1、第16、第9和第8管脚分别与单片机的输入信号控制端连接，多路复用器u8的四路控制信号ctrla、ctrlb、ctrlc和ctrld分别连接至单片机的四个i/o端，方便控制信号的传输；所述运算放大器u7的第7管脚与第四电源和电容c43的一端连接，且电容c43的另一端接地；运算放大器u7的第4管脚与第三电源和电容c38的一端连接，且电容c38的另一端连接，电容c38和电容c43均起到滤波的作用；运算放大器u7的第3管脚通过电阻r35接地，通过对地静电释放保护运算放大器u7；运算放大器u7的输出端分别通过电阻r9、电阻r23、电阻r27和电阻r32与多路复用器u8的第3、第14、第11和第6管脚对应连接。多路复用器u8的第3、第14、第11和第6管脚均为单刀单掷开关的端口，四个单刀单掷开关与四个精密电阻r9、r23、r27和r32相连接，通过单片机所传输的控制信号可以控制四个开关的开启，进而改变增益反馈电阻的阻值获得不同的信号放大倍数。由于输电线路的电压等级范围很宽，且考虑到地面和登塔作业时的电场变化，球形电容传感器上的感应电压值变化范围应该会很大，通过可控增益放大电路可以使宽动态范围的数据采集系统发挥最佳性能。

本实施例中，差分放大器u4的型号为ad620ar，具有高精度、低失调电压、低失调漂移和高达10gω的输入阻抗等特性，ad620ar的第1和第8管脚为增益控制管脚，ad620ar的第4和第7管脚分别为负电源和正电源管脚，ad620ar的第5管脚为基准管脚；运算放大器u7的型号为op07c，是一款具有低噪声、低输入失调电压、低输入偏置电流和高开环增益等特性的精密运算放大器，op07c的第1和第8管脚为外部输入失调电压调整管脚，op07c的第4和第7管脚分别为负电源和正电源管脚；多路复用器u8的型号为adg1611，是一个四通道单刀单掷开关，具有超低导通电阻特性，最低的导通电阻典型值为1ω，因此在计算放大倍数时，可以不考虑导通电阻的影响；单片机的型号为c8051f410，是一款具有选择高速、高精度、低功耗特性的单片机，可以实现电压信号的ad转换和数据处理；显示单元5采用单片机进行驱动，用于显示测量出的电场强度；所述第一电源和第三电源均为-5v，第二电源和第四电源均为+5v。

所述球形电容传感器1包括弧形上极板1-1、弧形下极板1-2和电容cm，弧形上极板1-1和弧形下极板1-2的两端通过绝缘物质对应连接组成球壳，电容cm的两端分别与弧形上极板1-1和弧形下极板1-2连接，且电容cm的两端分别与电阻r5和电阻r21对应连接。本实施例中，所述弧形上极板1-1和弧形下极板1-2均采用导电金属材料制成，电容cm设置在球形电容传感器的球心处，所述绝缘物质为环氧树脂。

如图2所示，电容cm两端的电压um(t)的计算公式为：

um(t)＝keo(t)/cm；

式中，k表示比例系数，eo(t)表示球形电容传感器表面的电荷量与球形电容传感器的球心处的电场强度，cm表示电容cm的容值。

球形电容传感器等效为电压源，电容cm等效为负载，通过在电容cm的两端设置外部电路可以直接测量出电容cm两端的电压um(t)，然后根据上式即可求得eo(t)，即为待测的电场强度。

本发明利用静电感应原理，金属球壳表面会在高压电场中累积电荷形成源，串接电容器构成闭合回路，将该电场强度信号转化为成正比的电压信号，通过前置差分放大电路和可控增益放大电路对信号进行处理，前置差分电路将微弱的放电信号从繁杂的干扰信号中提取出来，信号在进入主放大电路前进行前置放大，最大限度抑制了共模干扰信号，输出信号再接入可控增益放大电路，通过调节一个四通道单刀单掷开关，使其具有宽动态范围的数据采集系统发挥最佳性能，随后传输到单片机中，并在显示单元中进行显示，实现了高压电场强度的有效评估。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。