本發(fā)明涉及智能電網(wǎng)過電壓監(jiān)測技術領域，尤其涉及一種雙差分式D-dot過電壓傳感器及測量系統(tǒng)。

背景技術：

過電壓是指電力系統(tǒng)在特定條件下所出現(xiàn)的對絕緣有危險的電壓升高和電位升高的現(xiàn)象，其屬于電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動現(xiàn)象，包括外過電壓和內過電壓。外過電壓包括雷電過電壓和大氣過電壓，外過電壓會破壞電工設施絕緣，引起短路接地故障，還將以流動波形式沿線路傳播，侵入變電所引起絕緣破壞事故；內過電壓是電力系統(tǒng)內部運行方式發(fā)生改變而引起的過電壓，包括暫態(tài)過電壓和操作過電壓。過電壓會造成電力設備擊穿、放電、閃絡、爆炸等一系列事故。

過電壓信號的獲取主要通過傳感器來實現(xiàn)，目前主要為非接觸式電容分壓傳感器，如圖1所示，工作原理如下：電容分壓式傳感器利用輸電線路與傳感器感應金屬板之間耦合而成的雜散電容C1作為高壓臂電容，在感應金屬板正下方連接一個電容為C2的定值電容器作為低壓臂電容，過電壓信號從感應金屬板經(jīng)過匹配電阻引出，通過同軸電纜傳輸?shù)酵獠康臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，整個傳感器安裝在金屬屏蔽殼內，屏蔽其他非測量項的干擾。

但是，目前傳感器采集到的過電壓信號容易受到復雜電磁環(huán)境的影響，抗干擾能力較低，傳感器靈敏度較低，造成測量精度較低，而且經(jīng)常捕捉不到過電壓信號。

技術實現(xiàn)要素：

為克服相關技術中存在過電壓傳感器抗干擾能力較低、靈敏度較低，而且經(jīng)常捕捉不到過電壓信號的問題，本發(fā)明提供一種雙差分式D-dot過電壓傳感器及測量系統(tǒng)。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供如下技術方案：

本發(fā)明提供的雙差分式D-dot過電壓傳感器包括第一單極D-dot傳感器和第二單極D-dot傳感器，其中，

所述第一單極D-dot傳感器和第二單極D-dot傳感器上下對稱設置；

所述第一單極D-dot傳感器和第二單極D-dot傳感器均包括金屬半球殼本體，所述金屬半球殼本體的外表面設置外層電極，所述金屬半球殼本體的內表面設置內層電極；

所述外層電極和內層電極之間設置絕緣填充物，且所述外層電極和內層電極通過所述絕緣填充物連接。

優(yōu)選地，上述雙差分式D-dot過電壓傳感器中，所述外層電極和內層電極均為半球殼狀PCB板。

優(yōu)選地，上述雙差分式D-dot過電壓傳感器中，所述絕緣填充物包括環(huán)氧樹脂。

優(yōu)選地，上述雙差分式D-dot過電壓傳感器中，所述外層電極和內層電極的同一端分別設置輸出端。

本發(fā)明提供的一種雙差分式D-dot過電壓傳感器包括第一單極D-dot傳感器和第二單極D-dot傳感器，其中，所述第一單極D-dot傳感器和第二單極D-dot傳感器上下對稱設置；所述第一單極D-dot傳感器和第二單極D-dot傳感器均包括金屬半球殼本體，所述金屬本球殼本體的外表面設置外層電極，所述金屬半球殼本體的內表面設置內層電極；所述外層電極和內層電極之間設置絕緣填充物，且所述外層電極和內層電極通過所述絕緣填充物連接。將本發(fā)明提供的雙差分式D-dot過電壓傳感器放置在電場內采集電壓信號，實現(xiàn)非接觸測量；絕緣填充物對整個傳感器內部結構起到支撐作用的同時也起到調節(jié)傳感器周圍電場的作用，提高整個傳感器的絕緣能力；D-dot傳感器具有較大的測量帶寬；采用上下對稱設置的第一單極D-dot傳感器和第二單極D-dot傳感器，分別采集不同位置的電位信號，輸出不同的電壓信號，提高傳感器的測量精度、靈敏度。

基于本發(fā)明提供的雙差分式D-dot過電壓傳感器，本發(fā)明還提供了一種過電壓測量系統(tǒng)。

本發(fā)明提供的過電壓測量系統(tǒng)包括雙差分式D-dot過電壓傳感器、放大電路、信號調理電路、高速采集電路和過電壓自識別模塊，其中，

所述雙差分式D-dot過電壓傳感器的輸出端電連接所述放大電路的輸入端；

所述放大電路的輸出端電連接所述信號調理電路的輸入端；

所述信號調理電路的輸出端電連接所述高速采集電路的輸入端；

所述高速采集電路的輸出端電連接所述過電壓自識別模塊。

優(yōu)選地，上述過電壓測量系統(tǒng)中，所述放大電路為兩級差分放大電路。

優(yōu)選地，上述過電壓測量系統(tǒng)中，所述信號調理電路包括濾波電路。

本發(fā)明提供的過電壓測量系統(tǒng)包括雙差分式D-dot過電壓傳感器、放大電路、信號調理電路、高速采集電路和過電壓自識別模塊，其中，雙差分式D-dot過電壓傳感器、放大電路、信號調理電路、高速采集電路和過電壓自識別模塊依次串聯(lián)電連接。雙差分式D-dot過電壓傳感器采集不同電場位置的電位信號，輸出差分電壓；放大電路將輸出的電壓信號進行放大處理；信號調理電路對放大信號進一步處理，去除干擾信號；高速采集電路將模擬信號轉換成數(shù)字信號，便于比較識別；過電壓自識別模塊通過比較識別過電壓信號。本發(fā)明提供的過電壓測量系統(tǒng)通過一系列電路處理自動識別過電壓信號，具有很寬的測量帶寬，抗干擾能力強，靈敏度高。

應當理解的是，以上的一般描述和后文的細節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本發(fā)明。

附圖說明

此處的附圖被并入說明書中并構成本說明書的一部分，示出了符合本發(fā)明的實施例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，對于本領域普通技術人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為現(xiàn)有技術提供的一種非接觸式電容分壓傳感器的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的一種單極D-dot傳感器的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明提供的一種雙差分式D-dot過電壓傳感器的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明提供的一種過電壓測量系統(tǒng)的結構示意圖；

圖1-圖4符號表示：

01-上層電極，02-下層電極，1-第一單極D-dot傳感器，11-外層電極，12-內層電極，13-絕緣填充物，2-第二單極D-dot傳感器，3-放大電路，4-信號調理電路，5-高速采集電路，6-過電壓自識別模塊。

具體實施方式

這里將詳細地對示例性實施例進行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時，除非另有表示，不同附圖中的相同數(shù)字表示相同或相似的要素。以下示例性實施例中所描述的實施方式并不代表與本發(fā)明相一致的所有實施方式。相反，它們僅是與如所附權利要求書中所詳述的、本發(fā)明的一些方面相一致的裝置和方法的例子。

單極D-dot傳感器是通過測量電位移矢量的變化率來實現(xiàn)對雷電沖擊電壓信號的測量，當雷電擊在被測導線上或導線附近地面時，傳感器的上層電極01和下層電極02會通過電場耦合感應出電荷，當變化的感應電荷流過與電極相連接的測量電阻R_m時產生電阻壓降，此時將測得的上層電極01和下層電極02的懸浮電位之差作為傳感器的差分輸出，其上層電極01、下層電極02測量電場等效原理如圖2所示：

將單極D-dot傳感器置于電場強度為E(r,t)的空間中，金屬電極表面由于靜電感應原理將會出現(xiàn)感應電荷，其大小為q,由高斯定理得：

上式中，等式右邊表示電場強度E(r,t)在導體表面各微元上產生電荷的線性疊加，因此感應電荷與電場強度E(r,t)成正比關系。

若電場隨著時間變化，感應電荷也會相應隨著時間變化，式（1）變?yōu)椋?/p>

變化的電荷產生的電流將流過電阻R_m，則電阻R_m上壓降V_o(t)為：

由上式可以看出，D-dot傳感器的輸出電壓信號V_o(t)與電場強度的微分量成正比關系。

導體外表面電勢按函數(shù)f(r′)分布，r′是導體源點處的位置矢量，r是場點處位置矢量，E(r)為該點處電場強度，Ω區(qū)域中沒有自由電荷存在，即ρ(r′)＝0，F(xiàn)(r)為常數(shù)，經(jīng)過公式推導就可得到：

通過式（3）和式（4）可以得到輸電線電位值與D-dot傳感器輸出電壓信號的關系為：

經(jīng)過推導，D-dot傳感器輸入與輸出的關系表達式為：

其中，V_o(t)——D-dot傳感器的輸出電壓信號；

R_m——測量電阻；

A_eq——傳感器的等效面積；

由式（6）可知，對D-dot傳感器的輸出電壓信號進行積分，便能得到與空間區(qū)域測量點處電場強度大小成正比例關系的電壓信號，通過相應的比例修正系數(shù)校正后，便可以得到該點處的電場值。

D-dot傳感器依靠電場耦合方式對導體電位進行測量，是基于導體周圍電場值與導體自身電位成正比的原理，通過在被測導體周圍產生的電場中引入傳感器，獲得與電場值對時間微分量成正比的電壓信號。D-dot傳感器與導體之間并無直接的電氣連接，只是通過測量導體周圍的電場強度對導體電位進行間接測量，這個過程中間并無直接的能量傳遞。由于沒有繞組與鐵芯結構，在避免了波形畸變的同時，能夠憑借導體與傳感器之間的線性介質獲得較大的測量動態(tài)范圍。而且其結構簡單，非接觸測量的特性使其能夠減少絕緣結構，較低的輸出電壓范圍也實現(xiàn)了傳感器的小型化與數(shù)字化。

參見圖3，該圖示出了本發(fā)明實施例提供的雙差分式D-dot過電壓傳感器的基本結構。

基于上述的單極D-dot傳感器的測量原理，本發(fā)明提供的雙差分式D-dot過電壓傳感器包括第一單極D-dot傳感器1和第二單極D-dot傳感器2，其中：

第一單極D-dot傳感器1和第二單極D-dot傳感器2結構相同，且上下對稱設置，可以測量不同位置處的電場信號，分別輸出電壓信號U₁、U₂，可以提高測量精度，減少信號誤差對測量準確性的影響。

第一單極D-dot傳感器1和第二單極D-dot傳感器2均包括金屬半球殼本體，金屬半球殼本體的外表面設置外層電極11，金屬半球殼本體的內表面設置內層電極12。第一單極D-dot傳感器1和第二單極D-dot傳感器2均采用金屬半球殼結構，其原因在于，球結構與被測導體周圍電場等位面近似，可以使電極上電荷分布均勻，減小傳感器邊界與內部的局部電場強度最大值，有效降低傳感器發(fā)生絕緣擊穿的可靠性。并且，在這種情況下，電場強度矢量方向統(tǒng)一指向徑向方向，不會發(fā)生電場線的彎曲，可以在最大程度上降低邊緣效應，達到弱化由于傳感器的介入造成的原電場畸變的目的。優(yōu)選的，外層電極11和內層電極12均為半球殼狀PCB板。

外層電極11和內層電極12之間設置絕緣填充物13，且外層電極11和內層電極12通過絕緣填充物13連接。絕緣填充物對整個D-dot傳感器內部結構起支撐作用，同時也起調節(jié)傳感器周圍電場的作用，使強電場集中在具有很高臨界電場強度的絕緣填充物支架內，從而減小了外部電場的影響，最終達到了提高整個傳感器絕緣能力的目的，同時也降低了傳感器的輸出功率，使其能夠滿足二次測量裝置小功率驅動的要求。優(yōu)選的，本發(fā)明提供的雙差分式D-dot過電壓傳感器中絕緣填充物13采用環(huán)氧樹脂。

為方便傳感器輸出電壓信號，外層電極11和內層電極12的同一端分別設置輸出端，且第一單極D-dot傳感器1的輸出電壓為U₁，第二單極D-dot傳感器2的輸出電壓為U₂，后續(xù)對輸出電壓進行處理。

外層電極11和內層電極12為半徑不同的同心圓環(huán)，如外層電極11的半徑為5cm，內層電極12的半徑為7cm。

本發(fā)明實施例提供的雙差分式D-dot過電壓傳感器包括第一單極D-dot傳感器1和第二單極D-dot傳感器2，且第一單極D-dot傳感器1與第二單極D-dot傳感器2上下對稱設置；第一單極D-dot傳感器1和第二單極D-dot傳感器2均包括金屬半球殼本體，金屬半球殼本體的外表面設置外層電極11，金屬半球殼本體的內表面設置內層電極12，且外層電極11和內層電極12通過絕緣填充物13連接，單極D-dot傳感器通過外層電極11和內層電極12依靠電場耦合感應出電荷，輸出差分電壓。本發(fā)明實施例提供的雙差分式D-dot過電壓傳感器結構簡單，實現(xiàn)了非接觸測量，響應速度快、靈敏度高。

基于本發(fā)明提供的雙差分式D-dot過電壓傳感器，本發(fā)明還提供了一種過電壓測量系統(tǒng)，如圖4所示。

本發(fā)明實施例提供的過電壓測量系統(tǒng)包括雙差分式D-dot過電壓傳感器、放大電路3、信號調理電路4、高速采集電路5和過電壓自識別模塊6，其中：

雙差分式D-dot過電壓傳感器獲得被測輸電線周圍電場的電壓信號，且雙差分式D-dot過電壓傳感器的輸出端電連接放大電路3的輸入端，雙差分式D-dot過電壓傳感器輸出差分電壓，并傳輸至放大電路3。雙差分式D-dot過電壓傳感器放置在被測輸電線附近的電場中，依靠電場耦合感應出電荷，差分輸出電壓U₁、U₂，經(jīng)過放大電路3的放大處理，輸出差分電壓U_o。

為放大雙差分式D-dot過電壓傳感器的差分輸出電壓，放大電路3采用兩級差分放大電路。雙差分式D-dot過電壓傳感器的差分輸出電壓U₁、U₂分別為：

經(jīng)過第一級差分放大電路，輸出電壓U_o1、U_o2分別為：

U_o1＝k₁U₁ U_o2＝k₁U₂

其中，k₁——第一級差分電路差模放大倍數(shù)。

經(jīng)過第二級差分放大電路，輸出電壓U_o為：

U_o＝k₂(k₁U₁-k₁U₂) （9）

其中，k₂——第二級差分電路差模放大倍數(shù)。

一般兩級差分放大電路中，k為整體差分放大倍數(shù)，統(tǒng)一為k＝k₁k₂，k₁、k₂取值范圍為3-20之間。雙差分式D-dot過電壓傳感器中兩個半球形電極可以視作R_m1＝R_m2，A_eq1＝A_eq2，統(tǒng)一為R_m，A_eq。由式（7）、式（8）、式（9）推導可得，放大后的輸出電壓U_o為：

單級差分放大電路的共模抑制比為差模電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)之比的絕對值，兩級差分放大電路的共模抑制比則為單級差分放大電路共模抑制比的平方，因此放大電路3的共模抑制比為單個差分放大電路的平方，大致為10¹⁶-10²⁰數(shù)量級，差模信號放大能力也為單級差分放大電路的乘積，為9-400倍左右。雙差分式D-dot過電壓傳感器采集的電壓信號通過放大電路3的處理，大大提高了共模抑制能力，提高了信號信噪比，去掉部分干擾信號，具有較好的過電壓檢測能力。

為進一步提高抗干擾能力，信號調理電路4包括濾波電路，進一步過濾掉干擾信號，提高信號信噪比，避免干擾信號影響采集的電壓信號，進而影響測量的準確性。

為識別過電壓信號，高速采集電路5將模擬信號轉換為數(shù)字信號，便于比較，即將放大處理后的電壓信號轉換為電壓有效值，并將電壓有效值傳輸至過電壓自識別模塊6。

為進一步識別過電壓信號，過電壓自識別模塊6將電壓有效值與預先設定的電壓值進行比較，自動識別雷電過電壓、操作過電壓、暫態(tài)過電壓、工頻過電壓等過電壓信號。

本發(fā)明實施例提供的過電壓測量系統(tǒng)包括雙差分式D-dot過電壓傳感器、放大電路3、信號調理電路4、高速采集電路5和過電壓自識別模塊6，其中，雙差分式D-dot過電壓傳感器、放大電路3、信號調理電路4、高速采集電路5和過電壓自識別模塊6依次串聯(lián)電連接。雙差分式D-dot過電壓傳感器放置在被測輸電線附近的電場中，輸出電場的差分電壓信號，并將電壓信號傳輸至放大電路3；放大電路3對電壓信號進行兩級差分放大，方便后續(xù)電壓信號的識別，并將放大后的電壓信號傳輸至信號調理電路4；信號調理電路4對放大后的電壓信號進一步濾波，去除干擾信號；高速采集電路5將過濾后的電壓信號轉換為電壓有效值，便于過電壓信號識別；過電壓自識別模塊6將電壓有效值與預先設定的電壓數(shù)值進行比較，自動識別過電壓信號。本發(fā)明實施例提供的過電壓測量系統(tǒng)適用于各種過電壓信號的測量，具有很寬的測量帶寬，且抗干擾能力強。

本領域技術人員在考慮說明書及實踐這里發(fā)明的公開后，將容易想到本發(fā)明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發(fā)明的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本發(fā)明的一般性原理并包括本發(fā)明未公開的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發(fā)明的真正范圍和精神由下面的權利要求指出。

應當理解的是，本發(fā)明并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結構，并且可以在不脫離其范圍進行各種修改和改變。本發(fā)明的范圍僅由所附的權利要求來限制。