基于MEMS 靜電場傳感器在線監測二次壓板電壓技術

黃國平，黃華斌，許丹盈

（1.南方電網廣東佛山供電局，廣東 佛山 528000；2.南方電網廣東廣州供電局，廣東 廣州 510260）

0 引言

繼電保護是快速正確地切除電網故障設備，防止事故擴大，保障電網安全穩定運行的第一道防線［1-3］。要保證電網安全、可靠、穩定運行，就必須定期對繼電保護裝置及其二次回路進行檢驗，在一次設備停電的情況下，采用人工給保護裝置加量施加激勵，收集和測量輸出的狀態信息判斷繼電保護及其二次回路是否存在缺陷［4-12］。

但對母線保護裝置、安穩裝置、備自投裝置均是在一次設備不停電、退出裝置所有出口壓板的情況下進行檢驗，檢驗完成后將所有出口壓板投入前，需人工用萬用表測量出口壓板上、下端接線柱的電壓來判斷壓板是否可以正常投入，若萬用表內部短路同時疊加直流母線對地電容效應，將可能造成母差保護、安穩裝置、備自投裝置、主變壓器保護裝置誤跳閘事件的發生［13-18］。

近年來，國內許多研究單位對直流母線對地電容效應和二次壓板投退狀態在線監測進行了研究，如：二次電纜對地分布電容對強電開入回路的影響研究［19］；通過在操作回路的出口壓板兩側并入兩個電壓型繼電器來實現出口壓板的狀態監測［20］；將常開型干簧管和磁鋼組合成二次壓板狀態采集器，使二次壓板投退時的狀態轉換為電路的電平，利用單片機采集該電信號，從而實現了二次壓板的電路采集［21］；機器人圖像識別壓板狀態［22-23］；射頻電磁場傳感器的壓板狀態監測［24］；還有雙聯壓板、磁感應、微動開關傳感器等二次壓板的監測方法，這些方法均是非電量監測方法，只能實現二次壓板位置的監視，無法監測二次壓板上、下端接線柱的電壓是否正常，當發生二次壓板斷裂或接觸不良，或接線柱接線脫落等隱性隱患時，非電量監測方法均無法及時發現。所以本文提出一種基于MEMS 靜電場傳感器在線監測二次壓板電壓技術，此技術能監測二次壓板上、下端接線柱電壓極性和電壓值，能及時發現二次壓板斷裂或接觸不良，或接線柱接線脫落等隱性隱患。

1 直流系統對地電容充、放電造成保護誤跳閘事件的分析

1.1 一起110 kV母差保護誤跳閘事件分析

2022 年10 月26 日某220 kV 變電站1 號主變中102開關跳閘，110 kV Ι母失壓。此次事件主要原因是使用內部短路的萬用表測量110 kV母差保護對應1號主變中102開關跳閘出口壓板電壓，造成壓板上端（連接直流系統負極）接地，同時疊加直流母線對地電容效應，使跳閘回路繼電器TBJ動作，導致采用母差保護動作接點直接跳閘的1號主變中102開關跳閘，而測量采用永跳重動繼電器ZJ 接點跳閘的7 個間隔開關并未跳閘。

1.1.1 跳閘原因分析

某220 kV變電站1號主變中102開關跳閘的主要原因是由于萬用表直流電壓檔與公共端兩接線柱的金屬片松動，相互靠近導致內部短路。當用此萬用表進行母差保護出口壓板上端電壓測量時，導致直流負極接地，同時疊加直流母線對地電容（C2）效應，電容C2在負極接地瞬間電壓不能突變，造成直流母線對地電容C2 對TBJ 放電，TBJ 電阻越小，放電速度就越快，放電電流也就越大。放電電流方向如圖1所示。

圖1 直流系統對地電容C2對TBJ放電示意圖Fig.1 Schematic diagram of DC system ground capacitor C2 discharging to TBJ

由圖1可知，電容C2在萬用表接地前儲存的電場能量為，當用萬用表測量母差保護出口壓板上端時，電路中的TBJ 以i2R這樣的值不斷吸收電場能量。當TBJ（阻值約5.1 Ω）的電阻很小時，電路中的電流i將很大，超過TBJ（啟動電流約0.2 A）的啟動電流而造成母差保護跳閘。

測量采用永跳重動繼電器ZJ 接點跳閘的母差保護出口壓板電壓，雖然也同時存有疊加直流母線對地電容（C2）效應，電容C2 在負極接地瞬間電壓不能突變，造成直流母線對地電容C2 對中間重動繼電器ZJ放電，由于直流母線對地電容C2 的電壓最大值為50%Ue，小于電壓型中間重動繼電器ZJ的啟動電壓（啟動電壓55%～70%額定電壓），所以不能啟動電壓型ZJ中間重動繼電器，其放電電流示意圖如圖2所示。

圖2 直流系統對地電容C2對永跳重動繼電器ZJ放電示意圖Fig.2 Schematic diagram of DC system ground capacitor C2 discharging to permanent jump relay ZJ

母差跳閘回路先通過中間重動繼電器ZJ（電壓型，阻值約9 kΩ，啟動電壓為55%～70%額定電壓）后再輸出到信號繼電器TXJ 和自保持繼電器TBJ（TXJ+TBJ 阻值約10 Ω，TBJ 啟動電流約0.25 A）到開關機構箱跳閘，但中間重動繼電器ZJ不動作而未能跳閘。

如果在直流正極性經高阻接地，使直流母線對地電容C2 的電壓最大值達到50%Ue～70%Ue，此時萬用表（損壞的）測量采用永跳重動繼電器ZJ 接點跳閘的母差保護出口壓板上端時，電容C2在負極接地瞬間電壓不能突變，造成直流母線對地電容C2對中間重動繼電器ZJ 放電，由于直流母線對地電容C2 的電壓最大值為50%Ue～70%Ue，大于或等于電壓型中間重動繼電器ZJ 的啟動電壓（啟動電壓為額定電壓的55%～70%），將能啟動電壓型ZJ中間重動繼電器而造成母差保護跳閘，其放電電流示意圖如圖3所示。

圖3 直流正極性經高阻接地時，電容C2對重動繼電器ZJ放電示意圖Fig.3 Schematic diagram of capacitor C2 discharging to relay ZJ when DC positive polarity is grounded by high resistance

由圖3可知，當直流正極性經高阻接地時，應及時排查消除正極性高阻接地隱患后，才能用萬用表測量采用永跳重動繼電器ZJ 接點跳閘的母差保護出口壓板上端，否則可能造成母差保護跳閘。

1.2 一起主變瓦斯保護誤跳閘事件分析

2022年8月16日某220 kV變電站1號主變瓦斯保護動作跳開主變三側開關，造成1號主變失壓，經現場檢查1 號主變本體并未有故障，此次事件主要原因是由于直流系統正極發生了金屬性接地，同時疊加直流母線對地電容效應，對瓦斯跳閘二次回路進行充電導致主變三側開關跳閘。

1.2.1 跳閘原因分析

對于變壓器、電抗器瓦斯保護動作的中間繼電器，因連線長，電纜電容大，應防止直流電源正極性接地而造成誤動，如圖4所示。

圖4 直流正極性接地對長電纜對地電容C充電造成TBJ誤動示意圖Fig.4 Schematic diagram of TBJ misoperation caused by DC positive grounding when charging long cable ground capacitor C

由圖4可知，當直流母線正極性接地時的瞬間，直流母線負極電壓將升高至-220 V，但長電纜對地電容C的負極電壓不能同時突變至-220 V，所以蓄電池組將對長電纜對地電容C進行充電直至負極電壓達到-220 V。電容C充電的快慢與R（電路中的電阻）、C（電容）的結構和參數有關，時間、電阻、電容三者之間的換算公式關系：時間常數T=R×C；電壓Ue通過R對電容器C充電時，Uc為電容器電壓。通過上面公式，可以知道實時電容器的電壓是多少，T越大，充電越慢，T越小，充電越快。

由以上分析可知，非電量保護的重動繼電器宜采用啟動功率不小于5 W、動作電壓介于55%Ue～70%Ue、動作時間不小于10 ms 的中間繼電器。同時，注意在進行直流系統正、負極性接地告警試驗時，必須保證所用的串聯電阻阻值符合要求，并在直流系統無任何異常的情況下進行，防止發生誤觸發跳閘回路而跳閘。

2 采用集成差分電容式MEMS微型靜電感應器監測保護出口壓板電壓技術

近年來，研究人員利用電荷感應原理研究出4 種類型的電場傳感器，即雙探針電場儀、靜電場計、光學傳感器和MEMS 傳感器。雙探針可以達到大約0.1 (μV m) Hz 的分辨率［25］，但依賴于稀釋的等離子體環境、精確形狀的探針電極和探針之間的距離，由于電勢探針通常是有源器件，因此需要精心設計主動屏蔽的吊桿，以確保待測場的適度失真。測量低頻電場的傳統系統是靜電場計，其典型分辨率約為50 (V m) Hz［26］，靜電場計主要由屏蔽電極、感應電極和信號處理電路組成，過去的幾十年里，由于靜電場計具有很好的穩定性和線性度，最常用于測量電離場［27-28］，周期性地旋轉屏蔽電極，將會導致傳感電極周期性地暴露在電場中，根據靜電感應定律，傳感電極的表面會出現不同數量的電荷。但值得注意的是，屏蔽電極必須接地以排除離子流的影響，表明這種解決方案在電場空間是不合適的。

近年來，一系列基于電荷感應原理的MEMS 電場傳感器陸續出現［29］。這種傳感器檢測來自梳狀電極的電場，其中感應電荷由諧振器調制，微型傳感器由于其低功耗、低成本、小尺寸和易于大規模生產，有望在未來得到廣泛應用。但環境適應性始終是MEMS傳感器的一個難題，尤其是MEMS電場傳感器，其芯片尺寸太小，容易被灰塵、雨水和低氣壓等惡劣環境損壞。本文設計了一種SOI 差分電容式MEMS 電場傳感器，該器件依靠物理相互作用避免外部環境因素的影響，該封裝依靠低噪聲、高動態范圍的接口IC對MEMS器件進行操作，所采用的容性器件具有響應速度快且易于IC集成的優點。

2.1 集成差分電容式靜電感應傳導方案

靜電感應效應是導電固體中自由電荷載流子的流動性的結果。如果一個導體被置于電場E中，導體內部的自由電荷載流子會重新分布，與格子狀的相反電荷形成對比，這種極化在場內補償了E，因此，在導體表面發展出相反的電荷區域。這些表面區域中的載流子都經歷了一個由于電場而產生的向外的約束力，而電場內的合力保持為零。如果把這些帶電區域分開，在它們之間保持一種連接，那么會產生電場所導致的斥力［30］。這是由于靜電對各個帶電表面的拉扯，以及連接的導電性所致，通過這種導電性保持了場內極化。在均勻場E=E0ez指向z方向（ez是z方向的單位矢量）內半徑為R的導電球體的情況下，總靜電力可以用分析法計算［31］：

式（1）中，as= 9πR24 考慮了球體的高度對稱的幾何形狀，ε0是絕對介電常數。球體的左半邊經歷了一個同樣強大的力，它指向相反的方向。因此，球體上的總力等于零。在基本的傳感器操作中，Fes的x分量被轉換為彈簧懸吊的MEMS 結構部分的相對位移δx。因此，這個系統可以用一個具有低通特性和傳遞函數的諧波振蕩器來描述：

2.2 MEMS及接口ICs設計

為了有效地轉移到硅微結構中，采用一種半覆蓋結構，即與移動部件之間有一個相對狹窄的間隙，如圖5所示。額外的硅本身受到靜電感應可以在間隙內集中電場，這增加了移動硅部分所經受的力［32-41］。

圖5 電場傳感器布局Fig.5 Electric field sensor layout

對于諧振器，典型的解決方案是將其與一個跨阻放大器（Trans-Impedance Amplifier，TIA）串聯，如圖6所示。在TIA 設計中，需要考慮由諧振器本身引起的相移。為了引起共振，整個回路的相移需要是360°的某個倍數。因此，如果一個諧振器引起了相位偏移，TIA 或輔助電路必須將其取消。此外，可能會有幾個頻率的共振模式，所以在設計MEMS 及接口時應該考慮抑制或避免這種情況出現。

圖6 連接TIA和MEMS諧振器之間的簡化電路Fig.6 Simplified circuit connecting TIA and MEMS resonator

對于諧振器，MEMS從輸入到輸出的相移是0°，因為整個裝置在固有頻率處發生諧振，而其他模式的相移被設計成180°，所以已經抑制了相移，不需要額外的補償或加載。在考慮了這些關鍵問題之后，需要對電路進行優化，以實現低功耗和低相位噪聲?？梢酝ㄟ^選擇低功耗的TIA，用多級優化，沒有過大的晶體管或電流來減少能源的使用。實現低相位噪聲的最好方法是采用高Q值，因為相位噪聲與它的平方成反比，相位噪聲的形式如下：

式（3）中，F是噪聲系數，k是玻爾茲曼常數，T是絕對溫度，C是載波功率，Rm是諧振器的電阻，Rout是放大器的輸出阻抗，fm是共振的偏移頻率。

接口集成電路如圖7（a）所示，將反饋電容Cfeedback分別設置為0.5 pF或1.0 pF來打開或關閉增益開關，其控制和輸出波形如圖7（b）所示。在測量期間，傳感器會產生一個與其電容直接相關的電荷，然后在采樣期間，接口的第一級將其轉換為電壓，第二級將該值保持一定的時間，輸出與輸入的關系如式（4）。

圖7 充放電指示電路及其控制和輸出波形Fig.7 Charge/discharge indicator circuit and its control and output waveforms

采用SOI 作為結構材料，長度和寬度分別為255 μm和85 μm，寬度為1μm的電極施加1 V 電壓激發諧振器的振動。差分電容式MEMS 靜電場敏感芯片的工作原理如圖8所示，在施加該驅動電壓后，電容兩端形變量分別達到最大，較高的位移意味著更高的振幅頻率震蕩，這可以帶來更好的性能。通過不同頻率電壓下的振幅振動，在感應梳齒上調制感應信號。差分電容式MEMS電場敏感芯片的輸出與被測電場之間存在良好的線性關系，通過感應信號的處理，即可實現測量壓板下端接線柱的電壓極性和電壓值，判斷二次壓板的投退狀態。

圖8 差分電容式MEMS 靜電場敏感芯片的工作原理Fig.8 Working principle of differential capacitive MEMS electrostatic field sensitive chip

3 差分電容式MEMS靜電場敏感芯片工程應用

3.1 差分電容式MEMS 靜電場敏感芯片工程應用原理

將差分電容式MEMS靜電場敏感芯片探頭安裝在220 kV線路保護裝置跳閘出口壓板下端接線柱處，如圖9所示，直流系統電壓為220 V。

圖9 220 kV線路保護裝置跳閘出口回路圖Fig.9 Diagram of tripping outlet circuit of 220 kV line protection device

繼電保護跳閘回路在斷路器不同狀態下繼電保護跳閘出口端子至壓板下端接線柱之間帶電特征差異性很大，在硬壓板為投入狀態時壓板帶正電或負電，當壓板在退出狀態或壓板虛投狀態時，壓板不帶電，MEMS 靜電場傳感器理想狀態下監測到的電壓如表1所示。

表1 靜電場傳感器在斷路器不同狀態下壓板的電壓及極性監測結果Table 1 Monitoring results of voltage and polarity of pressure plate of electrostatic field sensor under different conditions of circuit breaker

因此，通過監測繼電保護跳閘出口端子至硬壓板連接端子之間接線的直流電場的強度和極性即可快速識別到繼電保護硬壓板的電壓值及投退狀態，當壓板在投入狀態且檢測為正電壓時，說明繼電保護裝置動作或蓄電池組對長電纜對地電容C進行充電直至負極電壓達到-220 V，將引起跳閘或誤跳閘；當壓板在投入狀態且檢測不到電壓時，說明直流系統監測裝置平衡橋未接地。當壓板在退出狀態且檢測不到電壓時，說明繼電保護裝置肯定沒有動作或蓄電池組沒有對長電纜對地電容C進行充電直至負極電壓達到-220 V，否則會有正電壓，此時就可以不用萬用表測量二次壓板上下端電壓即可投入二次壓板，可避免直流母線對地電容（C2）效應造成110 kV母差誤跳閘事件的發生。

3.2 差分電容式MEMS 靜電場敏感芯片探頭的設計安裝

差分電容式MEMS 靜電場傳感器探頭采用BNC接口，引出線為帶屏蔽絕緣線，一頭為BNC 接頭與差分電容式MEMS 靜電場傳感器相接，另一頭安裝于繼電保護出口端子至壓板下樁頭連接線上，由于二次回路接線的表皮采用的塑料絕緣材料，因此差分電容式MEMS靜電場傳感器探頭的安裝不會對繼電保護的二次回路產生任何影響。如圖10所示，采用T型分線器結構，將壓板連接線套入接線器的直連線空隙中，傳感器引出線另一端接在T 型位置，利用銅附件與壓板連接線緊密接觸。差分電容式MEMS靜電場傳感器探頭工程應用中監測到的電壓如表2所示。

表2 差分電容式MEMS靜電場傳感器探頭在斷路器不同狀態下監測壓板電壓及極性的結果Table 2 Results of differential capacitive MEMS electrostatic field sensor probe monitoring platen voltage and polarity under different conditions of circuit breaker

圖10 引出線T型接線端子Fig.10 T-shaped terminal of outgoing line

從表2可知，工程應用中監測到的電壓有點偏差，但并不影響監測結果的正確性。

3.3 繼電保護出口壓板在線監測系統結構

靜電場的繼電保護出口壓板在線監測系統，主要由接入層、匯聚層和傳感層構成，如圖11所示。

圖11 繼電保護出口壓板在線監測系統Fig.11 Online monitoring system for relay protection outlet platen

傳感層的差分電容式靜電場智能監測傳感器安裝在繼電保護裝置屏柜內，每個傳感器通過3 路靜電場采樣接頭與3 個出口壓板的絕緣皮接觸，采集出口壓板靜電場狀態。

匯聚層在保護屏柜內安裝靜電場智能采集終端，屏柜內各靜電場智能監測傳感器經RS485線纜接入采集終端，實時采集壓板回路帶電強度并分析壓板投退狀態。

接入層站內部署壓板集中監測管理單元，實時讀取采集終端內的壓板電壓值及投退狀態，對壓板信息進行集中管理，并支持通過IEC61850通訊協議向外部系統（保信系統）提供壓板信息。

在保護信息系統主站/分站開展基于基準值的在線核對和自動巡視。壓板基準值、巡視范圍、巡視周期可設置，自動生成巡視報表，內容包括巡視范圍、巡視結果綜述、巡視異常內容等信息。

4 結語

本文通過分析直流系統對地電容的充放電對繼電保護二次回路的影響，提出采用差分電容式MEMS 靜電場傳感器在線監測二次壓板電壓技術，在斷路器不同狀態下可有效監測繼電保護二次壓板下端的電壓值及極性，可實現二次壓板的巡檢、狀態告警提示和斷路器分合閘狀態、直流系統監測裝置平衡橋接地情況監視。

通過工程應用，為在線監測繼電保護二次壓板投退狀態、斷路器分合閘狀態、直流系統監測裝置平衡橋接地情況等提供了理論支撐和應用參考。