华南理工大学电力学院的研究人员江陶然、刘希喆，在2019年第1期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于拓扑变换的非接触式电压传感器”）指出，设立线路电压监测点获取节点电压数据对电力系统运行状态进行评估，若采用接触式电压传感器在某些无法破坏线路绝缘层的节点处将无法获得电压数据。相对于传统电压传感器，非接触式电压传感器具有装卸简便、施工安全性高、不受线路绝缘影响等优势，将成为未来电压测量装置的发展方向。

该文对传统电场耦合式非接触电压传感器测量原理进行分析，针对传统方法下线路与极板间寄生电容无法实地求解的问题提出改进方案。改进后的电压传感器通过拓扑变换法获得一系列原始数据，原始数据经Butterworth数字高通滤波、小波降噪后进行寄生电容计算，最终重构待测电压。

对基于拓扑变换的非接触式电压传感器进行稳态响应、暂态响应测试，测试结果表明，改进后的电压传感器具有较好的稳态及暂态性能，幅值与相位偏移较小，且能够较好地复现暂态电压波形，具有实用价值。

电力系统中，线路电压作为一项基本数据，在众多的工程项目与理论研究中具有十分重要的地位。目前中压电网普遍使用的电压测量方法是采用传统电压互感器将电压隔离并降低到测量表计可承受的范围内，在二次侧通过电压表计获得电压信息。然而，传统的电磁式电压互感器（Potential Transformer,PT）和电容式电压互感器（Capacitive Voltage Transformer, CVT）因体积大、价格昂贵、绝缘结构复杂、不易安装等缺点极大地限制了传统电压互感器的应用场景。

在低压配电网电压监测中，尽管不需要电压互感器进行隔离降压，但在一些不便于破坏绝缘层的线路节点，接触式电表无法有效获得电压值。我国当前正处于大力发展配电网的时期，实现对配电网进行大量的实时数据采集对配电网发展将有重要的现实意义。因此，一种小型化、低成本、无需金属接触、具有较好环境适应性的电压传感器具有极大地研究价值。

文献[8]最早提出了非接触式的电压测量原理，采用以一定频率振动的探头靠近待测线路，通过构造时变的线路-探头电容用以获取待测线路电位。但这种测量方案因测量带宽受限于探头振动频率而在实际应用中存在极大的局限性。

近年来提出的测量方案多数采用静止耦合电容探头，根据电压等级的不同固定在线路绝缘表面或者线路附近，利用待测金属线路与金属探头间形成的微小寄生电容将待测线路电压作为未知电压源耦合到测量装置，再对流入装置的感应电流进行信号处理，获得未知电压。

文献[9]用金属杆作为测量探头，通过电位系数矩阵重构出待测三相线路电压。但此测量方案需要待测电压有足够高的幅值，并且高压线路附近较为空旷，测量方案因此进行了较大简化，所以此测量原理并不能适应测量环境较为复杂的低压电网。

文献[10]通过电容分压法进行电压测量，并考虑了电压电网附近杆塔等接地体、温度、湿度等测量环境对测量结果的影响，但实际环境中待测线路-探头间电容、大地-探头间电容均随测量场景变化而变化，不能作定值处理。文献[11]提出一种基于电场耦合的双探头非接触式测量方案，可以有效地减小来自其他方向干扰源造成的误差，但测量环境变化导致寄生电容变化的问题仍未得到解决。

本文基于电场耦合原理，分析了传统非接触式电压传感器在不同测量环境、测量不同型号线路时将金属探头-待测线路电容、金属探头-大地电容用固定数值来替代所造成的误差，以所处环境变化较大的低压配电网电压监测作为研究目标，提出一种新的非接触式电压测量方法，解决了金属探头-待测线路电容、金属探头-大地电容未知造成的误差，并通过实验验证本测量方案的可行性。

图5 传感器实际测量图

结论

本文通过对传统电场耦合式非接触电压传感器测量原理进行分析，指出传统测量原理在测量不同型号线路时将出现较大误差。为满足能够准确测量未知型号线路电压、适应复杂的低压测量环境的目的，设计了基于拓扑变换的电场耦合式电压传感器，并对样机进行了稳态、暂态响应测试，均获得了能够满足测量要求的结果，能够实现较为准确的测量不同型号线路的电压，在暂态下复现线路电压波形。

本设计在实现电压传感器小型化、低成本、无需金属接触的基础上，克服了测量中线路与探头间寄生电容未知的问题，对电网电压监测点的推广具有实际应用意义。

本文对基于拓扑变换原理的电压传感器进行了初步研究，但在某些方面仍需开展进一步的研究。比如：设计利用互感器原理的感应取电模块为传感器供电，而将锂电池设为后备电源；研究无需挂接地线的传感器测量原理。

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• 基于拓扑变换的非接触式电压传感器