面向低压配电网的三电极电容耦合式非接触电压测量方法的学术报告

第一，研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为李勇（1990年生），西南交通大学电气工程学院副教授、博士生导师，研究方向包括无线电能传输技术、微能量收集技术及非接触电气量测量技术。合作作者包括硕士研究生杨成龙、博士研究生刘钊玮及硕士研究生龚熙涵。研究成果发表于《电网技术》（*Power System Technology*），网络首发日期为2025年5月19日，DOI编号10.13335/j.1000-3673.pst.2024.2073。

第二，学术背景与研究目标
本研究属于电力系统测量技术领域，聚焦低压配电网（220/380V）的非接触电压测量难题。传统电磁式电压互感器（PT）和电容式电压互感器（CVT）存在体积大、铁磁谐振风险及暂态响应差等问题，而现有非接触式测量方法因耦合电容（皮法级）受导线线径、绝缘材料等因素影响，导致传感器增益不确定，且电容测量误差会放大电压反演计算误差。
研究目标为：
1. 提出一种三电极电容耦合式非接触电压测量方法，解决耦合电容不确定性问题；
2. 开发皮法级结构电容的高精度计算方法；
3. 设计低误差传感器结构，并验证其稳态与暂态性能。

第三，研究流程与方法
1. 传感器原理设计
- 问题分析：传统两电极传感器（感应电极+接地电极）的耦合电容（C₁）受导线参数影响，导致增益不稳定。
- 创新方案：提出三电极结构（内层、中间、外层电极），通过拓扑变换生成两个传递函数方程，联立求解未知参数（C₁和待测电压Uᵢ）。外层电极接地以屏蔽电磁干扰。

1. 结构电容计算

   • 挑战：皮法级电容（如Cᵢₒ、Cᵢₘ）易受寄生电容和环境干扰影响。
     
   • 方法：
     
     • 采用电容分压法结合最小二乘法计算结构电容系数kᵢₘₘ（内-中电极）和kᵢₒₘ（内-外电极）。
       
     • 实验校准：通过施加已知电压激励，记录输入输出数据，拟合线性关系（附录表A2、A3）。
       

2. 传感器参数优化

   • 仿真验证：利用ANSYS/Maxwell建立有限元模型（图8），分析电极尺寸对耦合电容的影响。
     
     • 关键发现：减小内层电极直径可增大C₁（导线-内层电极电容），降低参数敏感度（图9）。
       
   • 设计准则：增大C₁和集总电容Cₘ，减小Cᵢₒ和Cᵢₘ，以降低反演误差。
     

3. 实验验证

   • 稳态测试：
     
     • 测试对象：三种导线线径（10mm、4.2mm、2.41mm），电压范围155.1V–260.9V。
       
     • 结果：10mm导线匹配时，最大相对误差仅0.34%（表3）；变线径测试最大误差2.68%。
       
   • 暂态测试：
     
     • 开关闸实验显示输出电压波形与输入波形重合（图14），响应时间满足工频及谐波测量需求。
       

第四，主要结果与逻辑关系
1. 结构电容计算：kᵢₘₘ和kᵢₒₘ的计算误差低于0.5%（表A2、A3），为后续电压反演提供高精度参数。
2. 稳态性能：传感器1（内层电极直径15.4mm）误差显著低于传感器2（20mm），验证了“小内层电极”设计的优越性（图13）。
3. 暂态性能：传感器在开关闸瞬态下波形重合（图14），证实其适用于动态电压监测。
4. 仿真与实验一致性：仿真预测的参数敏感度趋势（图9）与实验误差分布（表3）一致，验证了理论模型的可靠性。

第五，结论与价值
1. 科学价值：
- 提出三电极拓扑变换法，解决了非接触测量中耦合电容不确定性问题；
- 开发的最小二乘电容计算法，为皮法级电容测量提供了新思路。
2. 应用价值：
- 传感器体积小、成本低，适合低压配电网大规模部署；
- 无需破坏导线绝缘层，可替代传统PT/CVT在复杂环境中的应用。

第六，研究亮点
1. 方法创新：首次将拓扑变换与电容分压法结合，实现非接触电压的自校准测量。
2. 技术突破：通过电极结构优化，将工频稳态测量误差控制在0.53%以内，优于同类研究。
3. 多场景验证：覆盖稳态、变线径及暂态测试，全面验证传感器实用性。

第七，其他有价值内容
- 局限性：目前仅适用于低压场景，高电压等级需进一步研究；
- 附录数据：提供了详细的电极尺寸（表A1）和校准实验数据（表A2、A3），支持方法复现。

（注：全文严格遵循术语翻译规范，如“capacitive coupling”首次译为“电容耦合”，“self-integrating mode”译为“自积分模式”，并保留原期刊名《电网技术》及作者姓名原文。）