输电线路的D‑dot电场传感器的设计方法与流程

本发明涉及一种设计方法，尤其涉及一种输电线路的D-dot电场传感器的设计方法。

背景技术：

传统的电场传感器的设计中，通过如下方法实现：先制作传感器的样机，放入待测电场环境中，通过变换电场强度研究传感器的输出特性、幅频响应等性能，如果测试结果不满足传感器的预先设计标准，则进行传感器的优化设计再进行实验；这种方式使得电场传感器的设计成本高昂，更为重要的是，在设计过程中具有盲目性，通过反复的结构改进以及测试实现最终的结构确定，导致效率低下，而且最终的产品在电场测量中精确度低下；因此，为了解决上述技术问题，需要提出一种新的电场传感器设计方法

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种输电线路的D-dot电场传感器的设计方法，能够对电场传感器的参数进行精确的确定，提高电场传感器的检测精度，而且，无需反复进行样机测试，提高设计效率，并且降低设计成本。

本发明提供的一种D-dot电场传感器的设计方法，包括

S1.获取输电线路的参数，建立输电线电场分布模型，得到输电线周围电场的分布状况；

S2.获取设计目标D-dot电场传感器的设计参数，建立电场传感器模型，将电场传感器模型代入到输电线电场分布模型中；

S3.建立设计目标D-dot电场传感器与输电线路的场路耦合模型及等效电路，并对场路耦合等效电路的传递函数进行仿真分析计算，得出设计目标D-dot电场传感器的输出参数；

S4.判断设计目标D-dot电场传感器的输出结果与理论计算的输出结果的误差，如误差在设定范围内，当前的电场传感器模型符合设计要求；如果误差在设定范围之外，则对设计参数进行优化调整，返回到S2中。

进一步，目标D-dot的设计参数包括电场传感器的电极形状、电极尺寸、电极材料、绝缘介质材料、电极间距以及电极感应面积、

进一步，通过有限元分析软件Ansoft Maxwell进行输电线电场分布模型的建立。

进一步，输电线路的参数包括输电线路电压等级、输电电流以及各相的相电压。

进一步，所述场路耦合等效电路的传递函数为：

其中：

$C_1=\frac{C_{m1}{C}_{s2}-C_{m2}{C}_{s1}}{C_{m1}+C_{m2}+C_{s1}+C_{s1}};$

C_s1和C_s2分别D-dot电场传感器的上电极和下电极对地杂散电容，C_m1、C_m2分别为被测输电导线与D-dot电场的上电极与下电极的互电容；R_m为D-dot电场传感器的差分放大器的输入阻抗；C_m0为上电极和下电极之间的互电容，为输电线路的实时电压，U_O(s)为D-dot电场传感器的输出电压，即输入阻抗R_m两端的电压。

进一步，输电线的电场分布模型如下：

将输电线路的空间区域以及D-dot电场传感器在该空间区域内进行边界划分：划分为输电线路的空间场域、D-dot电场传感器内部以及D-dot电场传感器与空间场域的分界面，其中：

输电线路的空间场域电场分布：

D-dot电场传感器内部电场分布：

$\▿\×v\▿\×A-\▿(\mathrm{\υ}\▿\·A)=J$

J＝γE；

D-dot电场传感器与空间场域的分界面电场分布：

${\mathrm{\υ}}_1\▿\·A_1={\mathrm{\υ}}_2\▿\·A_2$

$v_1\▿\×A_1\×n_{12}=v_2\▿\×A_2\×n_{12}$

A₁＝A₂；

其中：ν为磁阻率，σ为传感器电极的电导率，υ为罚因子，n₂₁为输电线路与电场传感器的分界面的法向量；n12为填充介质分界面上的法向量；A为输电线路的空间场域的矢量磁位，A1和A2分别为输电线路与D-dot电场传感器的分界面之间的矢量磁位，J为电流密度，γ为D-dot电场传感器的填充介质的电导率；为电场传感器的标量电位；E为电场强度。

进一步，场路耦合模型为：

其中，为电场传感器的积分电路的积分系数；V(t)电场传感器的输出电压，U(t)为电场传感器的积分电路输出电压；E为电场场强；为电场传感器的标量电位，A为矢量磁位，Rm为电场传感器的差分电路的输入阻抗；A_εq为电场传感器的电极的等效面积。

本发明的有益效果：本发明的输电线路的D-dot电场传感器的设计方法；能够对电场传感器的参数进行精确的确定，而且在设计过程中将电场传感器对被测电场的影响也考虑其中，从而提高电场传感器的检测精度，而且，无需反复进行样机测试，提高设计效率，并且降低设计成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的边界划分示意图。

图2为本发明电场传感器输出等效电路。

图3为本发明的积分电路等效电路图。

图4为本发明的电场传感器与输电线路电场耦合的等效电路图。

具体实施方式

图1为本发明的边界划分示意图，图2为本发明电场传感器输出等效电路，图3为本发明的积分电路等效电路图，图4为本发明的电场传感器与输电线路电场耦合的等效电路图，如图所示，本发明提供的一种输电线路的D-dot电场传感器的设计方法，包括

S1.获取输电线路的参数，建立输电线电场分布模型，得到输电线周围电场的分布状况；其中，输电线路的参数包括：输电线路的参数包括输电线路电压等级、输电电流以及各相的相电压；本发明通过有限元分析软件Ansoft Maxwell进行输电线电场分布模型的建立，提高计算效率；

S2.获取设计目标D-dot电场传感器的设计参数，建立电场传感器模型，将电场传感器模型代入到输电线电场分布模型中；目标D-dot的设计参数包括电场传感器的电极形状、电极尺寸、电极材料、绝缘介质材料、电极间距以及电极感应面积；

S3.建立设计目标D-dot电场传感器与输电线路的场路耦合模型及等效电路，并对场路耦合等效电路的传递函数进行仿真分析计算，得出设计目标D-dot电场传感器的输出参数；

S4.判断设计目标D-dot电场传感器的输出结果与理论计算的输出结果的误差，如误差在设定范围内，当前的电场传感器模型符合设计要求；如果误差在设定范围之外，则对设计参数进行优化调整，返回到S2中，通过上述方法，能够对电场传感器的参数进行精确的确定，而且在设计过程中将电场传感器对被测电场的影响也考虑其中，从而提高电场传感器的检测精度，而且，无需反复进行样机测试，提高设计效率，并且降低设计成本。

本实施例中，所述场路耦合等效电路的传递函数为：

其中：

$C_1=\frac{C_{m1}{C}_{s2}-C_{m2}{C}_{s1}}{C_{m1}+C_{m2}+C_{s1}+C_{s1}};$

C_s1和C_s2分别D-dot电场传感器的上电极和下电极对地杂散电容，C_m1、C_m2分别为被测输电导线与D-dot电场的上电极与下电极的互电容；R_m为D-dot电场传感器的差分放大器的输入阻抗；C_m0为上电极和下电极之间的互电容，为输电线路的实时电压，U_O(s)为D-dot电场传感器的输出电压，即输入阻抗R_m两端的电压。

本实施例中，输电线的电场分布模型如下：

将输电线路的空间区域以及D-dot电场传感器在该空间区域内进行边界划分：划分为输电线路的空间场域、D-dot电场传感器内部以及D-dot电场传感器与空间场域的分界面，其中：

输电线路的空间场域电场分布：

D-dot电场传感器内部电场分布：

$\▿\×v\▿\×A-\▿(\mathrm{\υ}\▿\·A)=J$

J＝γE；

D-dot电场传感器与空间场域的分界面电场分布：

${\mathrm{\υ}}_1\▿\·A_1={\mathrm{\υ}}_2\▿\·A_2$

$v_1\▿\×A_1\×n_{12}=v_2\▿\×A_2\×n_{12}$

A₁＝A₂；

其中：ν为磁阻率，σ为传感器电极的电导率，υ为罚因子，n₂₁为输电线路与电场传感器的分界面的法向量；n12为填充介质分界面上的法向量；A为输电线路的空间场域的矢量磁位，A1和A2分别为输电线路与D-dot电场传感器与空间场域的分界面之间的矢量磁位，J为电流密度，γ为D-dot电场传感器的填充介质的电导率；为电场传感器的标量电位；E为电场强度。

本实施例中，场路耦合模型为：

其中，为电场传感器的积分电路的积分系数；V(t)电场传感器的输出电压，U(t)为电场传感器的积分电路输出电压；E为电场场强；为电场传感器的标量电位，A为矢量磁位，Rm为电场传感器的差分电路的输入阻抗；A_εq为电场传感器的电极的等效面积

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。