基于电场逆问题的新型电子式电压互感器测量机理研究

The intelligence, miniaturization and convenience of the sensor are key factors in the construction of smart grid. In the project, a new measuring method to the voltage in grid will be proposed and a novel electronic potential transformer on the high voltage power transmission equipment will be studied using charge induction principle and electromagnetic computing method. The voltage measuring method will be improved in the project. The real-time electric field strength in the fixed position and orientation near the high voltage transmission lines will be measured and the real-time voltage will be calculated by computing the electric field inverse problem. According to the electric field simulation with test data, the data compensation and calibration calculation will be carried out. With the rapid engineering method on computing voltage, a non-contact electronic potential transformer will be developed. Finally, the integration of the voltage and current and digital design will be carried out and the formed products will be manufactured. Based on the simulation and calculation of the model, the measuring mechanism of the potential transformer will be analyzed taking account of strong interference from electromagnetic field, electric field distortion, changes of temperature and humidity, impact between adjacent electric fields and conductor galloping. The measuring accuracy will be satisfied by data compensation. The novel sensor will provide some new ideas for the smart grid due to its wideband, small size and easy installation.

智能电网建设中，传感器的智能化、小型化、便捷化为关键环节。项目提出了一种电网中电压测量的新方法，利用电荷感应原理和电磁计算方法研究电子式高压输变电设备的新型电压传感器。项目针对电压测量方法进行了创新，测量高压导线附近固定位置与方向的即时电场值，通过电场逆问题计算推算出输电线路的即时电压，通过电场仿真计算并结合试验数据，进行数据补偿处理与标定计算，获得电压值快速工程算法，实现了电子式非接触式电压互感器。最后实现电压电流一体化并数字化设计，进行工艺设计成型。项目通过模型仿真与分析计算，对研制的电压互感器在强电磁场干扰、电场畸变、温湿度变化、邻相电场影响及导线舞动等情况下的机理研究分析，通过数据补偿算法达到测量精度。新型传感器频带宽、体积小、安装维护方便，为智能电网互感器解决方案提供了新思路。

电压测量是电力系统运行中的重要环节，保证其准确度与可靠性对推动智能电网的发展具有重要意义。传统的电压互感器由于其在体积、重量、绝缘成本、稳态测量精度以及暂态响应速度等方面的不足，越来越不适应智能电网的发展趋势。在此，提出基于自积分原理D-dot传感器的电子式电压互感器，互感器根据电场耦合原理以多重电极并联和差动输入结构实现了对输电线电压的无接触测量；设计出两种结构的D-dot传感器并进行实验；研究了三相电压测量方法，实现了三相电压测量模拟系统，为传感器的实用化提供了参考作用。.主要研究内容与研究情况如下：.1）研究了基于电场耦合的D-dot传感器的测量原理，并分析了其频率特性，提出了差动输入结构与多重电极结构，研究了传感器的优化目标与优化策略，通过Ansoft Maxwell对传感器进行建模与仿真，得到了优化的传感器结构。.2）对三相套管型D-dot传感器对位于导线近区的等效电路进行了分析，利用Ansoft Maxwell搭建了110kV三相架空输电导线的测量模型，并计算出传感器的分布参数，进行了幅频特性仿真分析，为传感器的设计进行了优化。.3）利用模拟电荷法推导了输电导线下的合成电场求解公式，解决了传感器位于导线远区时的合成场分解问题。以220kV线路为对象，推导出反代求解电压的算法，并采用Matlab软件进行验证，给出了三相电压测量的理论基础。.4）在分布参数及合成场分解的基础上，设计出三相电压测量系统，包括终端和系统，系统软件采用了LabVIEW编写。.5）搭建了高压试验平台，对所设计的传感器进行了稳态和暂态响应试验，并对测量系统进行了模拟试验。试验结果表明，传感器具有较高的测量精度和良好的频率特性；测量系统实现了多个终端信号的同步采集，信号无失真、无延迟，同步性也较好。.项目以电场逆问题为基础，研究出用于高电压测量的非接触式传感器，并设计出电压测量系统，解决了场式传感器实现非接触测量的一系列科学问题，为未来电网的智能测量进行了前期研究，具有一定的参考价值。