多极板电容直流导体带电状态检测传感器及其设计方法

本发明涉及继电保护检测的带电状态检测技术，具体涉及一种多极板电容直流导体带电状态检测传感器及其设计方法。

背景技术：

1、随着电力技术的不断进步，电网正朝着智能化、自动化方向发展。电网要求实现对电力设备的实时监测、智能诊断和自动化控制。继电保护电气设备的保护装置作为电力系统中的重要元件，也需要融入智能化管理体系，以提高电网运行的可靠性和效率。通过智能化的检测技术，可以实时获取电气设备的保护装置的状态信息，与电网的自动化控制系统进行交互，实现电气设备的保护装置状态的自动监测、分析和预警，为电网的智能化运行提供支持。然而，随着电网规模的不断扩大，变电站数量增多，继电保护装置及电气设备的保护装置的数量也大幅增多，继电保护装置的测量电路不能有直接的电接触，检测电气设备是否带电，需要使用非接触式的检测方式，传统的人工检测方式存在工作量巨大，效率低下，人工检测速度慢，难以满足电网快速发展和实时监控的需求。同时人工检测依赖于巡检人员的技术水平，容易出现误判漏判的情况，尤其是在面对大量相似的电气设备的保护装置和复杂的二次回路时，误判风险更高。图像识别技术使得利用摄像头对继电保护电气设备的保护装置进行拍照识别成为可能。通过对拍摄的电气设备的保护装置图像进行分析和处理，能够自动识别电气设备的保护装置的状态，与预设的正确状态进行对比，实现电气设备的保护装置状态的检测和判断。但可能出现电气设备的保护装置看起来处于闭合状态，但实际是断开的情况，出现误判情况的发生。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种多极板电容直流导体带电状态检测传感器及其设计方法，本发明旨在实现电气设备保护装置投退状态的精准检测与判断，减少电气设备保护装置投退状态误判情况的发生。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种多极板电容直流导体带电状态检测传感器，包括层叠布置的上极板、中间极板和下极板，所述中间极板被预先注入有电荷量，所述上极板和中间极板之间夹持布置有上介质层，所述中间极板和下极板之间夹持布置有下介质层，所述上极板作为输入端，所述中间极板作为输出端，所述下极板作为接地端。

4、可选地，所述上极板为被检测电气设备保护装置的一部分或者与被检测电气设备保护装置的带电部分电连接导通。

5、可选地，所述中间极板为由ptfe层和金属铝薄膜构成的双层结构，所述金属铝薄膜的边缘通过粘接或焊接的方式与ptfe层连接固定，所述ptfe层被预先注入有电荷量，所述ptfe层位于靠下极板的一侧，金属铝薄膜位于靠上极板的一侧。

6、可选地，所述下极板为金属铜极板。

7、可选地，所述上介质层的介电常数小于等于下介质层的介电常数。

8、一种前述多极板电容直流导体带电状态检测传感器的设计方法，包括下述步骤：

9、s101，确定为中间极板注入电荷量的初始值、取值范围和调节步长；

10、s102，计算当前电荷量下中间极板的中间膜电位和形变量；

11、s103，判断当前电荷量下中间极板的中间膜电位和形变量是否满足收敛条件，若任一满足收敛条件则跳转步骤s105；否则，跳转步骤s104；

12、s104，在当前电荷量的基础上结合调节步长生成新的当前电荷量，若新的当前电荷量未超出电荷量的取值范围，则跳转步骤s102；否则，表示所述取值范围内无法获得有效的电荷量，结束并退出；

13、s105，将当前电荷量作为最终确定的需要向中间极板预先注入的电荷量。

14、可选地，步骤s101中确定为中间极板注入电荷量的初始值、取值范围和调节步长时，包括结合传感器结构参数的取值范围来确定入电荷量的取值范围，所述传感器结构参数包括中间极板的有效面积、中间极板的等效弹性系数、上介质层的厚度以及下介质层的厚度，所述传感器结构参数与电荷量的关系为：

15、；

16、上式中，为当前传感器结构参数下中间极板带有的电荷量，为上介质层的介电常数，为下介质层的介电常数，为中间极板的有效面积，为中间极板的等效弹性系数，为上介质层的厚度，为下介质层的厚度。

17、可选地，步骤s103中计算当前传感器结构参数下中间极板的中间膜电位和形变量时，中间极板的中间膜电位的计算函数表达式为：

18、；

19、其中，为中间极板的中间膜电位，为当前传感器结构参数下中间极板带有的电荷量，为上极板、中间极板之间的电容大小，为中间极板和下极板之间的电容大小，为上极板的电位。

20、可选地，步骤s102中计算当前电荷量下中间极板的中间膜电位和形变量时，所述形变量的计算包括：

21、s201，计算中间极板的静电力：

22、；

23、其中，为中间极板的静电力，为上极板的电位，为中间极板的中间膜电位，为上极板、中间极板之间的电容大小，为中间极板和下极板之间的电容大小，为上介质层的厚度，为下介质层的厚度，为中间极板的形变量；

24、s202，将中间极板的静电力作为中间极板的弹力，根据构建中间极板的形变量计算模型：

25、；

26、其中，为中间极板受到的等效弹性系数；

27、s203，针对中间极板的形变量计算模型，采用牛顿迭代法求解中间极板的形变量，最终迭代完成后得到的中间极板最终的形变量。

28、可选地，步骤 s203中采用牛顿迭代法求解中间极板的形变量时，迭代完成的收敛条件包括：迭代次数大于或等于最大迭代次数，或者中间极板的中间膜电位小于第一预设阈值，或者中间极板的中间膜电位的变化量大于第二预设阈值，或者前后两次形变量变化的绝对值小于第三预设阈值，其中和为本次迭代和上一次迭代时中间极板的形变量，n和n-1分别为本次迭代和上一次迭代的迭代次数索引号。

29、和现有技术相比，本发明主要可起到下述有益效果：继电保护装置及电气设备是否带电，需要测量设备检测，传统的人工检测方式存在工作量巨大，效率低下，人工检测速度慢，难以满足电网快速发展和实时监控的需求。同时人工检测依赖于巡检人员的技术水平，容易出现误判漏判的情况，尤其是在面对大量相似的电气设备的保护装置和复杂的二次回路时，误判风险更高。为了实现继电保护装置及电气设备的带电检测，本发明多极板电容直流导体带电状态检测传感器采用非接触式测量，可无需调整保护及外部接线，不产生寄生回路，能够降低电磁干扰，实现电气设备的保护装置投退状态的精准检测与判断，减少电气设备保护装置投退状态误判情况的发生，提升了检测的效率，可满足日益增长的电气设备的保护装置状态监测需求，还能在确保操作人员安全的同时，提高设备的使用效率与经济性。

1.一种多极板电容直流导体带电状态检测传感器，其特征在于，包括层叠布置的上极板（1）、中间极板（2）和下极板（3），所述中间极板（2）被预先注入有电荷量，所述上极板（1）和中间极板（2）之间夹持布置有上介质层（4），所述中间极板（2）和下极板（3）之间夹持布置有下介质层（5），所述上极板（1）作为输入端，所述中间极板（2）作为输出端，所述下极板（3）作为接地端。

2.根据权利要求1所述的多极板电容直流导体带电状态检测传感器，其特征在于，所述上极板（1）为被检测电气设备保护装置的一部分或者与被检测电气设备保护装置的带电部分电连接导通。

3.根据权利要求1所述的多极板电容直流导体带电状态检测传感器，其特征在于，所述中间极板（2）为由ptfe层和金属铝薄膜构成的双层结构，所述金属铝薄膜的边缘通过粘接或焊接的方式与ptfe层连接固定，所述ptfe层被预先注入有电荷量，所述ptfe层位于靠下极板（3）的一侧，金属铝薄膜位于靠上极板（1）的一侧。

4.根据权利要求1所述的多极板电容直流导体带电状态检测传感器，其特征在于，所述下极板（3）为金属铜极板。

5.根据权利要求1所述的多极板电容直流导体带电状态检测传感器，其特征在于，所述上介质层（4）的介电常数小于等于下介质层（5）的介电常数。

6.一种权利要求1～5中任意一项所述的多极板电容直流导体带电状态检测传感器的设计方法，其特征在于，包括下述步骤：

7.根据权利要求6所述的多极板电容直流导体带电状态检测传感器的设计方法，其特征在于，步骤s101中确定为中间极板（2）注入电荷量的初始值、取值范围和调节步长时，包括结合传感器结构参数的取值范围来确定入电荷量的取值范围，所述传感器结构参数包括中间极板（2）的有效面积、中间极板（2）的等效弹性系数、上介质层（4）的厚度以及下介质层（5）的厚度，所述传感器结构参数与电荷量的关系为：

8.根据权利要求6所述的多极板电容直流导体带电状态检测传感器的设计方法，其特征在于，步骤s103中计算当前传感器结构参数下中间极板（2）的中间膜电位和形变量时，中间极板（2）的中间膜电位的计算函数表达式为：

9.根据权利要求6所述的多极板电容直流导体带电状态检测传感器的设计方法，其特征在于，步骤s102中计算当前电荷量下中间极板（2）的中间膜电位和形变量时，所述形变量的计算包括：

10. 根据权利要求9所述的多极板电容直流导体带电状态检测传感器的设计方法，其特征在于，步骤 s203中采用牛顿迭代法求解中间极板（2）的形变量时，迭代完成的收敛条件包括：迭代次数大于或等于最大迭代次数，或者中间极板（2）的中间膜电位小于第一预设阈值，或者中间极板（2）的中间膜电位的变化量大于第二预设阈值，或者前后两次形变量变化的绝对值小于第三预设阈值，其中和为本次迭代和上一次迭代时中间极板（2）的形变量，n和n-1分别为本次迭代和上一次迭代的迭代次数索引号。