CN117706160B - 一种自构电场式非侵入式电压测量装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自构电场式非侵入式电压测量装置及其设计方法，属于电压测量装置技术领域，该装置包括屏蔽圆环、第一感应片、第二感应片以及电场传感器，所述第一感应片包括第一平面片和第一曲面片，所述第二感应片包括第二平面片和第二曲面片，其中，所述第一曲面片和所述第二曲面片均为所述屏蔽圆环的同心圆弧面，所述第一平面片和所述第二平面片与所述屏蔽圆环圆心的连线垂直于所述第一平面片、以及所述第二平面片，所述第一平面片与所述第二平面片平行且所述电场传感器设置在所述第一平面片和所述第二平面片之间；所述屏蔽圆环内部填充有绝缘材料，用于固定第一感应片、第二感应片和电场传感器，并将待测导线固定在所述屏蔽圆环的中心。

Description

一种自构电场式非侵入式电压测量装置及其设计方法

技术领域

本发明属于电压测量装置技术领域，具体而言，涉及一种自构电场式非侵入式电压测量装置及其设计方法。

背景技术

作为承载新型电力系统最佳形态的数字电网，其包含的感知层是其根基。但现有电压量测设备由于体积笨重、功能单一、造价高昂，已经难以满足数字电网全面、实时感知信息的基本需求。而小尺寸、低功耗的小微智能传感器以及集成先进传感器的智能装备可以实时获取电力系统中电压物理信息，为信息网络提供数据支撑，是实现电网数字化的物理基础和先决条件。目前，非侵入式电压测量技术受到广泛关注，通过不与被测设备发生直接接触，利用传感器获得设备周围的电磁场信息，采用对应的反演方法对被测设备的电压状态的测量是当前研究的关注点。

当前现有技术中，由于电压测量装置的尺寸、形状与待测导线形成的电场分布规律不够匹配，导致测量的数据准确度不够。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种自构电场式非侵入式电压测量装置及其设计方法，能够解决当前现有技术中，由于电压测量装置的尺寸、形状与待测导线形成的电场分布规律不够匹配，导致测量的数据准确度不够的技术问题。

本发明是这样实现的：

本发明的第一方面提供一种自构电场式非侵入式电压测量装置，包括屏蔽圆环、第一感应片、第二感应片以及电场传感器，所述第一感应片包括第一平面片和第一曲面片，所述第二感应片包括第二平面片和第二曲面片，其中，所述第一曲面片和所述第二曲面片均为所述屏蔽圆环的同心圆弧面，所述第一平面片和所述第二平面片与所述屏蔽圆环圆心的连线垂直于所述第一平面片、以及所述第二平面片，所述第一平面片与所述第二平面片平行且所述电场传感器设置在所述第一平面片和所述第二平面片之间；所述屏蔽圆环内部填充有绝缘材料，用于固定第一感应片、第二感应片和电场传感器，并将待测导线固定在所述屏蔽圆环的中心，所述电场传感器上还连接有信号传输光纤，用于连接显示装置显示所述电场传感器的采集数据，其中所述第一曲面片和所述第二曲面片的内弧面相对设置。

其中屏蔽圆环、第一感应片和第二感应片为铜、铁、铝和钢等金属或者合金导电材料制成；电场传感器并不限于D-dot传感器，满足测量空间条件的电场传感器均可以使用；

第一曲面片和第二曲面片与屏蔽圆环为同心圆设置，能够当待测导线端穿入屏蔽圆环中心时，能够在第一曲面片和第二曲面片上形成与电场分布贴近的感应电压。

在上述技术方案的基础上，本发明的一种自构电场式非侵入式电压测量装置还可以做如下改进:

其中，所述第一平面片的长度、宽度均大于所述第二平面片的长度、宽度且所述第二平面片的长度、宽度均大于所述电场传感器的长度、宽度。

采用上述改进方案的有益效果为：使得电场传感器处于第一平面片和第二平面片形成的电场中，第一感应片和第二感应片起到电场屏蔽作用，电场传感器不直接收到待测导线的影响。

进一步的，所述第一曲面片远离所述第一平面片的一端与所述第二曲面片的远离所述第二平面片的一端共面。

采用上述改进方案的有益效果为：使得第一曲面片和第二曲面片的感应电压与待测导线形成的电场更符合电场分布规律。

进一步的，所述第一感应片的厚度与第二感应片的厚度相同。

采用上述改进方案的有益效果为：避免由于不同厚度造成感应电压与待测导线形成的电场与电场分布规律形成较大差值。

进一步的，以所述第一曲面片和所述第二曲面片顶面中心点确立的直线，将所述屏蔽圆环的横截面分割为两部分，其中包括电场传感器的部分的面积不小于不包括电场传感器的部分的面积。

采用上述改进方案的有益效果为：使得第一曲面片和第二曲面片的弧面覆盖增大。

进一步的，所述第二曲面片的横截面为半圆形。

采用上述改进方案的有益效果为：半圆形的第二曲面片的感应电压与待测导线形成的电场更符合电场分布规律。

进一步的，所述第一曲面片的横截面为半圆形。

采用上述改进方案的有益效果为：半圆形的第二曲面片的感应电压与待测导线形成的电场更符合电场分布规律。

其中，所述第一平面片与所述第二曲面片之间的最短距离大于所述第一平面片和所述第二平面片的距离。

采用上述改进方案的有益效果为：避免第一平面片的感应电压对第二曲面片产生的影响大于对第二平面片产生的影响。

本发明的第二方面提供一种自构电场式非侵入式电压测量装置的设计方法，用于设计上述的自构电场式非侵入式电压测量装置，其中，包括以下步骤：

S10、建立自构电场式非侵入式电压测量装置；

S20、建立序列尺寸的第一感应片及第二感应片；

S30、将序列尺寸的第一感应片及第二感应片安装在屏蔽圆环内，并对多组已知电压的导线进行测量，得到对应的测量电压；

S40、采用随机森林建立尺寸优选模型雏形，以第一平面片的长度、第二平面片的长度、第一曲面片的长度、第二曲面片的长度以及第一平面片与第二平面片的间距作为输入，以多组测量电压和已知电压的差值作为输出，对尺寸优选模型雏形进行训练，得到尺寸优选模型；

S50、设定第二曲面片的横截面为半圆形，利用尺寸优选模型得到匹配的第一平面片的长度、第二平面片的长度以及第一平面片与第二平面片的间距，记为第一尺寸组；

S60、设定第一曲面片的横截面为半圆形，利用尺寸优选模型得到匹配的第一平面片的长度、第二平面片的长度以及第一平面片与第二平面片的间距，记为第二尺寸组；

S70、分别按照所述第一尺寸组和所述第二尺寸建立一个电压测量装置，并采用实测方式进行优选，以优选结果作为最终设计的参数进行设计。

在上述技术方案的基础上，本发明的一种自构电场式非侵入式电压测量装置的设计方法还可以做如下改进:

进一步的，所述采用实测方式进行优选的步骤为：

在待测导线上加载多组已知电压记为基础电压组，并采用两个电压测量装置进行测量，得到多组测试电压，记为第一电压组和第二电压组；

分别计算第一电压组和第二电压组相对于基础电压组的相似度，记为第一相似度和第二相似度；

比较第一相似度和第二相似度，选择相似度最高的电压组对应的尺寸组作为优选尺寸组。

采用上述改进方案的有益效果为：由于待测导线电压为一个区间，因此采用多组测量求相似度的方法，便于进行优选。

与现有技术相比较，本发明提供的一种自构电场式非侵入式电压测量装置的有益效果是：在屏蔽圆环内设置于电场分布规律相匹配的第一感应片和第二感应片，其中第一感应片的第一曲面片以及第二感应片的第二曲面片与屏蔽圆环同心圆，且待测导线的圆心设固定在该同心圆圆心上，此时待测导线形成的电场以导线为中心同心圆分布，因此第一曲面片以及第二曲面片的的任意部分均感应到相同的电场，能够解决当前现有技术中，由于电压测量装置的尺寸、形状与待测导线形成的电场分布规律不够匹配，导致测量的数据准确度不够的技术问题。

本发明提供的一种自构电场式非侵入式电压测量装置的设计方法有益效果是：采用随机森林建立尺寸优选模型根据多组序列尺寸建立的电压测量装置进行实际测量并拟合，然后设定第一曲面片或第二曲面片的尺寸进行多组不同已知电压进行优选，最终得到设计参数，有助于得到更好的测量准确度的电压测量装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种自构电场式非侵入式电压测量装置的示意图；

图2为是第一感应片或第二感应片的尺寸结构示意图；

图3为电场感应分布规律等效原理图；

图4为电场传感器布置等效原理图；

图5为测点位置布置分布图；

图6为3个测点的电场大小结果图；

图7为本发明的设计方法的流程图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

10、屏蔽圆环；11、第一感应片；110、第一平面片；111、第一曲面片；12、第二感应片；120、第二平面片；121、第二曲面片；13、电场传感器。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，是本发明第一方面提供一种自构电场式非侵入式电压测量装置的结构示意图，包括屏蔽圆环10、第一感应片11、第二感应片12以及电场传感器13，第一感应片11包括第一平面片110和第一曲面片111，第二感应片12包括第二平面片120和第二曲面片121，其中，第一曲面片111和第二曲面片121均为屏蔽圆环10的同心圆弧面，第一平面片110和第二平面片120与屏蔽圆环10圆心的连线垂直于第一平面片110、以及第二平面片120，第一平面片110与第二平面片120平行且电场传感器13设置在第一平面片110和第二平面片120之间；屏蔽圆环10内部填充有绝缘材料，用于固定第一感应片11、第二感应片12和电场传感器13，并将待测导线固定在屏蔽圆环10的中心，电场传感器13上还连接有信号传输光纤，用于连接显示装置显示电场传感器13的采集数据，其中第一曲面片111和第二曲面片121的内弧面相对设置。

其中，在上述技术方案中，第一平面片110的长度、宽度均大于第二平面片120的长度、宽度且第二平面片120的长度、宽度均大于电场传感器13的长度、宽度。

进一步的，在上述技术方案中，第一曲面片111远离第一平面片110的一端与第二曲面片121的远离第二平面片120的一端共面。

进一步的，在上述技术方案中，第一感应片11的厚度与第二感应片12的厚度相同。

进一步的，在上述技术方案中，以第一曲面片111和第二曲面片121顶面中心点确立的直线，将屏蔽圆环10的横截面分割为两部分，其中包括电场传感器13的部分的面积不小于不包括电场传感器13的部分的面积。

进一步的，在上述技术方案中，第二曲面片121的横截面为半圆形。

进一步的，在上述技术方案中，第一曲面片111的横截面为半圆形。

其中，在上述技术方案中，第一平面片110与第二曲面片121之间的最短距离大于第一平面片110和第二平面片120的距离。

如图7所示，是本发明第二方面提供一种自构电场式非侵入式电压测量装置的设计方法的流程图，本方法用于设计上述的自构电场式非侵入式电压测量装置，其中，包括以下步骤：

S10、建立自构电场式非侵入式电压测量装置；

S20、建立序列尺寸的第一感应片11及第二感应片12；

S30、将序列尺寸的第一感应片11及第二感应片12安装在屏蔽圆环10内，并对多组已知电压的导线进行测量，得到对应的测量电压；

S40、采用随机森林建立尺寸优选模型雏形，以第一平面片110的长度、第二平面片120的长度、第一曲面片111的长度、第二曲面片121的长度以及第一平面片110与第二平面片120的间距作为输入，以多组测量电压和已知电压的差值作为输出，对尺寸优选模型雏形进行训练，得到尺寸优选模型；

S50、设定第二曲面片121的横截面为半圆形，利用尺寸优选模型得到匹配的第一平面片110的长度、第二平面片120的长度以及第一平面片110与第二平面片120的间距，记为第一尺寸组；

S60、设定第一曲面片111的横截面为半圆形，利用尺寸优选模型得到匹配的第一平面片110的长度、第二平面片120的长度以及第一平面片110与第二平面片120的间距，记为第二尺寸组；

S70、分别按照第一尺寸组和第二尺寸建立一个电压测量装置，并采用实测方式进行优选，以优选结果作为最终设计的参数进行设计。

进一步的，在上述技术方案中，采用实测方式进行优选的步骤为：

在待测导线上加载多组已知电压记为基础电压组，并采用两个电压测量装置进行测量，得到多组测试电压，记为第一电压组和第二电压组；

分别计算第一电压组和第二电压组相对于基础电压组的相似度，记为第一相似度和第二相似度；

比较第一相似度和第二相似度，选择相似度最高的电压组对应的尺寸组作为优选尺寸组。

下面是本发明的一个具体的实施例：

基于电场传感器的自构电场式非侵入式电压测量装置如图1所示，其结构包括：金属感应电极、电场传感器、封装材料、金属屏蔽结构、后端电路模块和信号传输光纤。测量时，将两个弧度相同，半径不同金属弧形薄片感应结构按相反时钟方向，同心圆式布置固定在导线两侧。金属感应结构由于电荷感应原理会产生一个感应电压，设计感应结构之间有一部分重叠区域，重叠区域可构成近似匀强电场。由于上下间隙固定，通过D-dot电场传感器测量内部场强，结合电容分压原理，可准确计算待测导体的电势。

设计两个弧度均为α，半径不同的大小开口金属圆弧感应结构，在圆弧的终端拼接相同材质相同厚度的金属薄面。两圆弧感应的结构尺寸图如图2所示。工频下铁电极的透入深度为0.599mm，铜为9.35mm，铝为11.96mm为了避免电场从小圆弧感应结构穿过，影响大圆弧感应结构感应电压，同时为了有效减小传感器内部体积，选择大小感应结构为厚度D为1mm-2mm的铁电极，可采用金属铁箔裁剪、金属片弯折或者圆柱体攻削制作。小圆弧的半径r2应大于导线的半径r，大的圆弧的半径r1应大于小圆弧的半径r2。并且大圆弧电极的侧面长度a1应保证与小圆弧电极的侧面长度a2相等，如此保证两感应结构重叠部分面积应相同，且长宽a1，b1(a2，b2)大于传感器的结构长宽a，b。

根据以上原理，忽略金属电极、导线、和金属顶板的电阻，基于空间杂散电容分压原理可建立等效电路分析模型，等效原理图如附图3所示。图中Us为待测导体的电压，Um1为大金属感应结构的电压，Um1为大金属感应结构的电压，E为两感应结构间匀强电场。

感应结构上感应电压的产生的原理是利用利用感应金属板与输电导线之间存在的耦合杂散电容和其他杂散电容串联构成的非接触式电容分压器。取电容C1为待测导线与大金属感应结构间的耦合电容，电容C2为大金属感应结构与其他部分的耦合电容，电容C3为待测导线与小金属感应结构间的耦合电容，电容C4为小金属感应结构与其他部分的耦合电容。

杂散电容C1，C2，C3，C4都可以按以下公式计算：

式中，ε为填充材料的介电常数，h为金属板与导线(屏蔽结构)间的垂直正对距离，S为金属板与导线(屏蔽结构)的正对面积，f为校准系数(考虑边缘效应)。

大小金属感应结构上的感应电压计算公式如下：

电场传感器的布置如图4所示，可计算两感应结构之间的匀强电场：

d为两感应结构间的等效距离，θ1和θ2分别为两重叠部分与导线圆心夹角。

使用D-dot传感器对匀强电场进行测量，根据传感器输出Uo与匀强电场间关系：

传感器的输出信号Uo(t)与待测电场E(t)的一阶微分成比例关系，所以将光纤传输数据进行积分并成以响应的校准系数，即可还原电压波形，实现电压实时监测。

屏蔽结构其作用为屏蔽其他干扰导体对敏感结构的干扰。屏蔽结构处于同心圆位置，且屏蔽电极侧面位置与感应电极中心对齐。外筒选用铜材料加工，与感应电极、传感器之间空隙采用环氧树脂填充实现固定与绝缘。信号传输光纤从传感器屏蔽外壳的底部小孔引出，直接进入电站内部的有效进行数据监测。

为了进一步验证该理论，对10kV电压等级单相线路测量进行仿真计算。

设置装置半径ra＝10cm，大圆弧感应结构半径r1＝9cm，大圆弧感应结构半径r2＝6cm，两感应结构重叠部分长宽均为10cm，感应结构厚度1mm，两重叠部分高度差为2.511cm；线路材质为铝，导线半径16mm，长度为2m。距离地面为6.5m，线路相间距为0.65m。设置导线电压为10kV电压，电压频率为50Hz，地面边界电压设为0V。计算重叠区域电场分布，在重叠区域正中心选取3个测点如图5所示，测点的电场大小如图6和表1所示

表1 3个不同测点不同时间电场大小

从图6和表1中可以看出，忽略边缘效应，重叠区域电场为匀强电场

测量结构实际应用时可以设计成分离式结构，方便测试结构与导线卡扣固定。安装将开口分离部分打开将待测导线与电压测量装置贴合，并将开口闭合实现装置的固定和安装。只需要求安装固定后的结构满足上述位置要求，并且导线与与测量结构的相对位置固定不动。该非侵入式电压测量结构可同时满足带绝缘层和不带绝缘层的输电线路或者电缆测量。并且电压测量装置的电压测量信号不受线缆晃动的干扰影响。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种自构电场式非侵入式电压测量装置，其特征在于，包括屏蔽圆环、第一感应片、第二感应片以及电场传感器，所述第一感应片包括第一平面片和第一曲面片，所述第二感应片包括第二平面片和第二曲面片，其中，所述第一曲面片和所述第二曲面片均为所述屏蔽圆环的同心圆弧面，所述第一平面片和所述第二平面片与所述屏蔽圆环圆心的连线垂直于所述第一平面片、以及所述第二平面片，所述第一平面片与所述第二平面片平行且所述电场传感器设置在所述第一平面片和所述第二平面片之间；所述屏蔽圆环内部填充有绝缘材料，用于固定第一感应片、第二感应片和电场传感器，并将待测导线固定在所述屏蔽圆环的中心，所述电场传感器上还连接有信号传输光纤，用于连接显示装置显示所述电场传感器的采集数据，其中所述第一曲面片和所述第二曲面片的内弧面相对设置。

2.根据权利要求1所述的一种自构电场式非侵入式电压测量装置，其特征在于，所述第一平面片的长度、宽度均大于所述第二平面片的长度、宽度且所述第二平面片的长度、宽度均大于所述电场传感器的长度、宽度。

3.根据权利要求2所述的一种自构电场式非侵入式电压测量装置，其特征在于，所述第一曲面片远离所述第一平面片的一端与所述第二曲面片的远离所述第二平面片的一端共面。

4.根据权利要求3所述的一种自构电场式非侵入式电压测量装置，其特征在于，所述第一感应片的厚度与第二感应片的厚度相同。

5.根据权利要求4所述的一种自构电场式非侵入式电压测量装置，其特征在于，以所述第一曲面片和所述第二曲面片顶面中心点确立的直线，将所述屏蔽圆环的横截面分割为两部分，其中包括电场传感器的部分的面积不小于不包括电场传感器的部分的面积。

6.根据权利要求5所述的一种自构电场式非侵入式电压测量装置，其特征在于，所述第二曲面片的横截面为半圆形。

7.根据权利要求6所述的一种自构电场式非侵入式电压测量装置，其特征在于，所述第一曲面片的横截面为半圆形。

8.根据权利要求1所述的一种自构电场式非侵入式电压测量装置，其特征在于，所述第一平面片与所述第二曲面片之间的最短距离大于所述第一平面片和所述第二平面片的距离。

9.一种自构电场式非侵入式电压测量装置的设计方法，用于设计权利要求1～5任一项所述的自构电场式非侵入式电压测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

S10、建立自构电场式非侵入式电压测量装置；

S20、建立序列尺寸的第一感应片及第二感应片；

S30、将序列尺寸的第一感应片及第二感应片安装在屏蔽圆环内，并对多组已知电压的导线进行测量，得到对应的测量电压；

S40、采用随机森林建立尺寸优选模型雏形，以第一平面片的长度、第二平面片的长度、第一曲面片的长度、第二曲面片的长度以及第一平面片与第二平面片的间距作为输入，以多组测量电压和已知电压的差值作为输出，对尺寸优选模型雏形进行训练，得到尺寸优选模型；

S50、设定第二曲面片的横截面为半圆形，利用尺寸优选模型得到匹配的第一平面片的长度、第二平面片的长度以及第一平面片与第二平面片的间距，记为第一尺寸组；

S60、设定第一曲面片的横截面为半圆形，利用尺寸优选模型得到匹配的第一平面片的长度、第二平面片的长度以及第一平面片与第二平面片的间距，记为第二尺寸组；

S70、分别按照所述第一尺寸组和所述第二尺寸建立一个电压测量装置，并采用实测方式进行优选，以优选结果作为最终设计的参数进行设计。

10.根据权利要求9所述的一种自构电场式非侵入式电压测量装置的设计方法，其特征在于，所述采用实测方式进行优选的步骤为：

在待测导线上加载多组已知电压记为基础电压组，并采用两个电压测量装置进行测量，得到多组测试电压，记为第一电压组和第二电压组；

分别计算第一电压组和第二电压组相对于基础电压组的相似度，记为第一相似度和第二相似度；

比较第一相似度和第二相似度，选择相似度最高的电压组对应的尺寸组作为优选尺寸组。