基于高速解調(diào)電路的新型手持式工頻電場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)*

唐立軍， 顧植彬， 彭春榮， 李 維

(1.云南電網(wǎng)公司 電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.中國(guó)科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感器技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，高壓(特高壓)輸電線路日益增多,而高壓輸電線路的強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境對(duì)線路作業(yè)人員和附近居民的健康構(gòu)成了威脅，由于缺少相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備而引發(fā)事故和糾紛屢見(jiàn)不鮮[1～4]。同時(shí)輸電線路如果發(fā)生故障(缺相或相位異常)，會(huì)引起線路電場(chǎng)發(fā)生改變，可以通過(guò)對(duì)輸電線路工頻電場(chǎng)檢測(cè)和對(duì)比進(jìn)行故障判斷[5～8]。綜上，輸電線路工頻電場(chǎng)檢測(cè)在強(qiáng)電磁場(chǎng)暴露安全防護(hù)、輸電線路故障判斷等方面有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前，工頻電場(chǎng)檢測(cè)主要采用傳統(tǒng)的電荷感應(yīng)式電場(chǎng)傳感器，與傳統(tǒng)的電場(chǎng)傳感器相比[9]，微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)微型電場(chǎng)傳感器[10～12]具有體積小、空間分辨率高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

本文針對(duì)MEMS電場(chǎng)傳感器空間尺寸小，感應(yīng)信號(hào)微弱，串?dāng)_噪聲強(qiáng)，信噪比低，設(shè)計(jì)了前置放大電路和快速模擬解調(diào)電路對(duì)感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和解調(diào)處理，得到反映工頻電場(chǎng)大小的正弦信號(hào)?；贏RM微控制器設(shè)計(jì)信號(hào)的處理和無(wú)線發(fā)射模塊，通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至上位機(jī)顯示。

輸電線路下的工頻電場(chǎng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)具有良好的檢測(cè)性能，檢測(cè)結(jié)果與先進(jìn)的Narda電場(chǎng)測(cè)量?jī)x具有較好的一致性。

1 電線路工頻電場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)

圖1為輸電線路工頻電場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，主要包括：MEMS電場(chǎng)敏感芯片、前置放大電路、模擬解調(diào)電路、驅(qū)動(dòng)電路、中心處理模塊和上位機(jī)。采用直接數(shù)字式頻率合成器 (direct digital synthesizer,DDS)產(chǎn)生高頻的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使MEMS屏蔽電極周期高頻振動(dòng)，調(diào)制工頻電場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流信號(hào)。電流信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路和模擬解調(diào)電路處理，基于ARM芯片完成數(shù)據(jù)采集和處理，通過(guò)藍(lán)牙傳輸至上位機(jī)，實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)電場(chǎng)大小。藍(lán)牙無(wú)線傳輸保證了MEMS電場(chǎng)傳感器探頭與地隔離，測(cè)量不受地電勢(shì)的影響，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性，也提高了系統(tǒng)的安全性。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 MEMS電場(chǎng)敏感結(jié)構(gòu)

諧振式MEMS電場(chǎng)敏感芯片主要由驅(qū)動(dòng)電極、屏蔽電極、感應(yīng)電極和支撐梁4部分組成[12]。屏蔽電極接地，感應(yīng)電極與檢測(cè)電路相連接，外加電場(chǎng)的作用下，驅(qū)動(dòng)電極施加3kHz(共振頻率)的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)，帶動(dòng)屏蔽電極左右周期振動(dòng)，根據(jù)高斯定律，感應(yīng)電極上的感應(yīng)電荷隨之發(fā)生改變，因此，當(dāng)屏蔽電極周期性地在正負(fù)感應(yīng)電極之間振動(dòng)，感應(yīng)電極上電荷發(fā)生交替變化，產(chǎn)生微弱的感應(yīng)電流。

1.2 前置放大電路

如圖2所示，采用兩級(jí)放大電路對(duì)微弱的差分電流信號(hào)轉(zhuǎn)換放大；第一級(jí)采用互阻抗放大器對(duì)差分電流信號(hào)進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換；第二級(jí)采用精密儀表放大器對(duì)差分信號(hào)合成放大。

圖2 前置放大電路原理

在第一級(jí)I/V轉(zhuǎn)換電路中，Rf1=Rf2=Rf，Cf1=Cf2=Cf,其輸出電壓取決于輸入電流和反饋電阻值:Vout=i_positiveoRG，需要與反饋電阻器并聯(lián)反饋電容器，用于補(bǔ)償反相節(jié)點(diǎn)的寄生電容值，保持穩(wěn)定性。通過(guò)理論計(jì)算反饋電阻值Rf=1MΩ；I/V轉(zhuǎn)換帶寬f-3dB=10kHz；可使電路穩(wěn)定并達(dá)到帶寬目標(biāo)的最大反饋電容值

(1)

選取反饋電容值Cf=1pF，傳感器的輸出電容值Cj=3.849×10-3pF；假定放大器的輸入電容器的Cd=10pF，則放大器等效輸入電容值Cin=Cj+Cd≈10pF，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，使運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益與反饋系數(shù)在波特圖中交點(diǎn)的閉合速度為-20dB，確定放大器的增益帶寬fGBW,MHz

(2)

綜上選取AD8626為I/V轉(zhuǎn)換芯片。其運(yùn)放增益帶寬積為5MHz，偏置電流僅為0.25pA，偏置電壓為1μV，偏置電壓漂移系數(shù)2.5μV /C。第二級(jí)采用儀表放大器AD8421，通過(guò)設(shè)置外置電阻值RG確定差分信號(hào)合成放大倍率。其中輸出電壓為Vout=G×(V+in-V-in)+VREF(VREF=0利用CMRR的優(yōu)勢(shì)抑制接地噪聲)。放大倍率G通過(guò)外置電阻值RG確定

(3)

由式(3)可知，選取外置電阻值RG為1.1kΩ ，則放大倍率為10，因此，前置放大電路將納安(nA)量級(jí)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為毫伏(mV)量級(jí)的電壓信號(hào)。

1.3 模擬解調(diào)電路

為了避免工頻噪聲等因素的干擾，諧振式MEMS電場(chǎng)敏感芯片將原有電場(chǎng)信號(hào)調(diào)制到高頻端(3000±50)Hz需要對(duì)高頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、濾波處理得到被測(cè)的電場(chǎng)信號(hào)。由于該系統(tǒng)用于電場(chǎng)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警和故障判斷等功能，要求系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，但受到ARM嵌入式系統(tǒng)數(shù)值采樣率和運(yùn)算效率的限制，無(wú)法實(shí)時(shí)完成數(shù)字解調(diào)和濾波處理。為解決以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可抑制背景噪聲的快速模擬解調(diào)電路，如圖3所示，電路主要由乘法器電路、跟隨器電路和帶通濾波器組成。

圖3 模擬解調(diào)電路原理

采用AD633乘法器將電壓信號(hào)VIN1與調(diào)制信號(hào)VR1相乘，AD633是一個(gè)功能完整的四象限模擬乘法器。采用激光校準(zhǔn)法保證總精度為2%，-3dB增益帶寬fGBW為1MHz。乘法器的X2端、Y2端、Z端接地，X-1端接電壓信號(hào)，Y-2端接驅(qū)動(dòng)(載波)信號(hào)，則輸出端W的輸出信號(hào)含有50,2950Hz和3050Hz正弦信號(hào)分量，故采用50Hz帶通濾波器，濾除高頻分量，得到反映工頻電場(chǎng)大小的50Hz正弦信號(hào)

(4)

采用通用型有源濾波器芯片UAF42，在設(shè)計(jì)軟件Filter42上設(shè)計(jì)了中心頻率為50Hz，-3dB帶寬為5Hz，品質(zhì)因數(shù)Q為10的4階巴特沃斯帶通濾波器，通過(guò)軟件確定了各個(gè)元件參考值。圖4為T(mén)I公司的軟件TINA仿真的濾波器幅頻特性曲線，-3dB帶寬為3.48Hz，中心頻率為50Hz，Q為14.36。

圖4 TINA仿真幅頻特性曲線

圖5為研制的輸電線路工頻電場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)，為了便于手持檢測(cè)，樣機(jī)體積為11cm×5cm×2.7cm，功耗為0.5W，一次充電可正常工作4～5h。探頭外殼采用直徑為Φ26mm的聚合物半圓柱蓋，用來(lái)隔斷外部環(huán)境，防止外部環(huán)境中顆粒、氣體對(duì)傳感器芯片的污染和腐蝕。為了降低電網(wǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)電路造成的影響，采用接地的金屬外殼對(duì)內(nèi)部電路進(jìn)行屏蔽。

圖5 手持式工頻電場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試工頻電場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)的性能，確定探頭靈敏度、總不確定度等系數(shù)，對(duì)其進(jìn)行工頻電場(chǎng)標(biāo)定。采用標(biāo)定電場(chǎng)箱，該裝置以高精度程控電壓源作為輸入電壓，保證了整個(gè)設(shè)備的標(biāo)定精度。打開(kāi)系統(tǒng)樣機(jī)，與上位機(jī)建立無(wú)線連接，標(biāo)定最大輸入電壓為1.2kV，平行板電容間距為20cm。施加的電場(chǎng)值為0～6kV/m，往返3個(gè)行程(共6組數(shù)據(jù))，傳感器的總不確定度為1.4%，其靈敏度系數(shù)為4.74mV/(kV/m)。圖6為標(biāo)定曲線。

圖6 系統(tǒng)標(biāo)定曲線

2.2 高壓輸電線路工頻電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

主要測(cè)試10kV和35kV高壓輸電線路正下方與其投影垂直方向10m的范圍內(nèi)電場(chǎng)分布，檢測(cè)高度約為1.8m。由于10kV輸電線和35kV輸電線呈上三角形結(jié)構(gòu)，根據(jù)理論仿真結(jié)果[13],其電場(chǎng)呈現(xiàn)“馬鞍形”分布，即輸電線路正下方電場(chǎng)較低，隨著兩側(cè)距離的增大電場(chǎng)增大至最大值，然后逐漸減小。圖7為MEMS工頻電場(chǎng)檢測(cè)儀與德國(guó)Narda EFA—300在10kV和35kV輸電線路的檢測(cè)曲線，二者具有良好的一致性，且變化規(guī)律符合理論仿真結(jié)果。

圖7 電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3 結(jié) 論

基于高性能的MEMS電場(chǎng)敏感芯片，成功研制了新型手持式工頻電場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了前置放大電路和快速模擬解調(diào)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱電場(chǎng)信號(hào)的快速準(zhǔn)確提取，提高系統(tǒng)精度和響應(yīng)速度。設(shè)計(jì)了基于ARM微控制器的數(shù)據(jù)采集和無(wú)線發(fā)送模塊，并通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至上位機(jī)顯示，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸和遠(yuǎn)程檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)具有良好的精度，檢測(cè)結(jié)果與德國(guó)Narda電場(chǎng)測(cè)量?jī)x具有良好的一致性。

[1] 羅 杰,黃小慶,何 杰,等.輸電線路在線監(jiān)測(cè)WSNs優(yōu)化部署研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(8):52-55，64.

[2] 徐祿文,羅 鵬,鄒岸新,等.220 kV變電站工頻電場(chǎng)的仿真分析[J].電測(cè)與儀表,2015(10):17-22.

[3] 胡順仁,曾 鋒,趙 紅,等.特高壓輸電塔實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(9):42-45.

[4] 黃子璇,席黎明,樊夢(mèng)旭,.特高壓交流輸電線路電暈放電對(duì)工頻電場(chǎng)的影響[J].高壓電器,2014(2):6-11.

[5] 姚 境,汪 沨,胡 凱,等.傳感器在高壓輸電線路絕緣子檢測(cè)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(10):1-3，8.

[6] 方奕庚,彭春榮,方東明,等.微型折疊式三維電場(chǎng)傳感器[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(5):1-4.

[7] 王 宇,方東明,陳 博,等.基于旋轉(zhuǎn)諧振結(jié)構(gòu)的單芯片二維電場(chǎng)傳感器[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(2):103-105，112.

[8] 余夢(mèng)婷,汪金剛,李 健.人體對(duì)高壓工頻電場(chǎng)測(cè)量影響與試驗(yàn)研究[J].電測(cè)與儀表,2013(6):24-27，48.

[9] 佘東生,楊一柳,魏澤飛,等.基于激波的MEMS微結(jié)構(gòu)底座沖擊激勵(lì)方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2015(8):1892-1900.

[10] Peng Chunrong,Yang Pengfei,Wen Xiaolong,et al.Design of a novel micromachined non-contact resonant voltage sensor for power distribution systems[C]∥IEEE Sensors 2014,Valencia,Spain,2014.

[11] Yang Pengfei,Peng Chunrong,Zhang Haiyan,et al.A high sensitivity SOI electric-field sensor with novel comb-shaped micro electrodes[C]∥The 16th International Conference on Solid-state Sensors,Actuators & Microsystems,Tranducers’11,Beijing,China,2011.

[12] Peng C,Yang P,Zhang H,et al.Design of a novel closed-loop SOI MEMS resonant electrostatic field sensor[C]∥Proc of Eurosensors XXIV,2010.