一种双差分式D-dot过电压传感器及测量系统技术领域
本发明涉及智能电网过电压监测技术领域，尤其涉及一种双差分式D-dot过电压
传感器及测量系统。
背景技术
过电压是指电力系统在特定条件下所出现的对绝缘有危险的电压升高和电位升
高的现象，其属于电力系统中的一种电磁扰动现象，包括外过电压和内过电压。外过电压包
括雷电过电压和大气过电压，外过电压会破坏电工设施绝缘，引起短路接地故障，还将以流
动波形式沿线路传播，侵入变电所引起绝缘破坏事故；内过电压是电力系统内部运行方式
发生改变而引起的过电压，包括暂态过电压和操作过电压。过电压会造成电力设备击穿、放
电、闪络、爆炸等一系列事故。
过电压信号的获取主要通过传感器来实现，目前主要为非接触式电容分压传感
器，如图1所示，工作原理如下：电容分压式传感器利用输电线路与传感器感应金属板之间
耦合而成的杂散电容C1作为高压臂电容，在感应金属板正下方连接一个电容为C2的定值电
容器作为低压臂电容，过电压信号从感应金属板经过匹配电阻引出，通过同轴电缆传输到
外部的数据采集系统，整个传感器安装在金属屏蔽壳内，屏蔽其他非测量项的干扰。
但是，目前传感器采集到的过电压信号容易受到复杂电磁环境的影响，抗干扰能
力较低，传感器灵敏度较低，造成测量精度较低，而且经常捕捉不到过电压信号。
发明内容
为克服相关技术中存在过电压传感器抗干扰能力较低、灵敏度较低，而且经常捕
捉不到过电压信号的问题，本发明提供一种双差分式D-dot过电压传感器及测量系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
本发明提供的双差分式D-dot过电压传感器包括第一单极D-dot传感器和第二单
极D-dot传感器，其中，
所述第一单极D-dot传感器和第二单极D-dot传感器上下对称设置；
所述第一单极D-dot传感器和第二单极D-dot传感器均包括金属半球壳本体，所述
金属半球壳本体的外表面设置外层电极，所述金属半球壳本体的内表面设置内层电极；
所述外层电极和内层电极之间设置绝缘填充物，且所述外层电极和内层电极通过
所述绝缘填充物连接。
优选地，上述双差分式D-dot过电压传感器中，所述外层电极和内层电极均为半球
壳状PCB板。
优选地，上述双差分式D-dot过电压传感器中，所述绝缘填充物包括环氧树脂。
优选地，上述双差分式D-dot过电压传感器中，所述外层电极和内层电极的同一端
分别设置输出端。
本发明提供的一种双差分式D-dot过电压传感器包括第一单极D-dot传感器和第
二单极D-dot传感器，其中，所述第一单极D-dot传感器和第二单极D-dot传感器上下对称设
置；所述第一单极D-dot传感器和第二单极D-dot传感器均包括金属半球壳本体，所述金属
本球壳本体的外表面设置外层电极，所述金属半球壳本体的内表面设置内层电极；所述外
层电极和内层电极之间设置绝缘填充物，且所述外层电极和内层电极通过所述绝缘填充物
连接。将本发明提供的双差分式D-dot过电压传感器放置在电场内采集电压信号，实现非接
触测量；绝缘填充物对整个传感器内部结构起到支撑作用的同时也起到调节传感器周围电
场的作用，提高整个传感器的绝缘能力；D-dot传感器具有较大的测量带宽；采用上下对称
设置的第一单极D-dot传感器和第二单极D-dot传感器，分别采集不同位置的电位信号，输
出不同的电压信号，提高传感器的测量精度、灵敏度。
基于本发明提供的双差分式D-dot过电压传感器，本发明还提供了一种过电压测
量系统。
本发明提供的过电压测量系统包括双差分式D-dot过电压传感器、放大电路、信号
调理电路、高速采集电路和过电压自识别模块，其中，
所述双差分式D-dot过电压传感器的输出端电连接所述放大电路的输入端；
所述放大电路的输出端电连接所述信号调理电路的输入端；
所述信号调理电路的输出端电连接所述高速采集电路的输入端；
所述高速采集电路的输出端电连接所述过电压自识别模块。
优选地，上述过电压测量系统中，所述放大电路为两级差分放大电路。
优选地，上述过电压测量系统中，所述信号调理电路包括滤波电路。
本发明提供的过电压测量系统包括双差分式D-dot过电压传感器、放大电路、信号
调理电路、高速采集电路和过电压自识别模块，其中，双差分式D-dot过电压传感器、放大电
路、信号调理电路、高速采集电路和过电压自识别模块依次串联电连接。双差分式D-dot过
电压传感器采集不同电场位置的电位信号，输出差分电压；放大电路将输出的电压信号进
行放大处理；信号调理电路对放大信号进一步处理，去除干扰信号；高速采集电路将模拟信
号转换成数字信号，便于比较识别；过电压自识别模块通过比较识别过电压信号。本发明提
供的过电压测量系统通过一系列电路处理自动识别过电压信号，具有很宽的测量带宽，抗
干扰能力强，灵敏度高。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不
能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施
例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而
言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的一种非接触式电容分压传感器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种单极D-dot传感器的结构示意图；
图3为本发明提供的一种双差分式D-dot过电压传感器的结构示意图；
图4为本发明提供的一种过电压测量系统的结构示意图；
图1-图4符号表示：
01-上层电极，02-下层电极，1-第一单极D-dot传感器，11-外层电极，12-内层电
极，13-绝缘填充物，2-第二单极D-dot传感器，3-放大电路，4-信号调理电路，5-高速采集电
路，6-过电压自识别模块。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及
附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例
中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附
权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
单极D-dot传感器是通过测量电位移矢量的变化率来实现对雷电冲击电压信号的
测量，当雷电击在被测导线上或导线附近地面时，传感器的上层电极01和下层电极02会通
过电场耦合感应出电荷，当变化的感应电荷流过与电极相连接的测量电阻Rm时产生电阻压
降，此时将测得的上层电极01和下层电极02的悬浮电位之差作为传感器的差分输出，其上
层电极01、下层电极02测量电场等效原理如图2所示：
将单极D-dot传感器置于电场强度为E(r,t)的空间中，金属电极表面由于静电感
应原理将会出现感应电荷，其大小为q,由高斯定理得：
上式中，等式右边表示电场强度E(r,t)在导体表面各微元上产生电荷的线性叠
加，因此感应电荷与电场强度E(r,t)成正比关系。
若电场随着时间变化，感应电荷也会相应随着时间变化，式（1）变为：
变化的电荷产生的电流将流过电阻Rm，则电阻Rm上压降Vo(t)为：
由上式可以看出，D-dot传感器的输出电压信号Vo(t)与电场强度的微分量成正比
关系。
导体外表面电势按函数f(r′)分布，r′是导体源点处的位置矢量，r是场点处位置
矢量，E(r)为该点处电场强度，Ω区域中没有自由电荷存在，即ρ(r′)＝0，F(r)为常数，经过
公式推导就可得到：
通过式（3）和式（4）可以得到输电线电位值与D-dot传感器输出电压信号的关系
为：
经过推导，D-dot传感器输入与输出的关系表达式为：
其中，Vo(t)——D-dot传感器的输出电压信号；
Rm——测量电阻；
Aeq——传感器的等效面积；
由式（6）可知，对D-dot传感器的输出电压信号进行积分，便能得到与空间区域测
量点处电场强度大小成正比例关系的电压信号，通过相应的比例修正系数校正后，便可以
得到该点处的电场值。
D-dot传感器依靠电场耦合方式对导体电位进行测量，是基于导体周围电场值与
导体自身电位成正比的原理，通过在被测导体周围产生的电场中引入传感器，获得与电场
值对时间微分量成正比的电压信号。D-dot传感器与导体之间并无直接的电气连接，只是通
过测量导体周围的电场强度对导体电位进行间接测量，这个过程中间并无直接的能量传
递。由于没有绕组与铁芯结构，在避免了波形畸变的同时，能够凭借导体与传感器之间的线
性介质获得较大的测量动态范围。而且其结构简单，非接触测量的特性使其能够减少绝缘
结构，较低的输出电压范围也实现了传感器的小型化与数字化。
参见图3，该图示出了本发明实施例提供的双差分式D-dot过电压传感器的基本结
构。
基于上述的单极D-dot传感器的测量原理，本发明提供的双差分式D-dot过电压传
感器包括第一单极D-dot传感器1和第二单极D-dot传感器2，其中：
第一单极D-dot传感器1和第二单极D-dot传感器2结构相同，且上下对称设置，可
以测量不同位置处的电场信号，分别输出电压信号U1、U2，可以提高测量精度，减少信号误差
对测量准确性的影响。
第一单极D-dot传感器1和第二单极D-dot传感器2均包括金属半球壳本体，金属半
球壳本体的外表面设置外层电极11，金属半球壳本体的内表面设置内层电极12。第一单极
D-dot传感器1和第二单极D-dot传感器2均采用金属半球壳结构，其原因在于，球结构与被
测导体周围电场等位面近似，可以使电极上电荷分布均匀，减小传感器边界与内部的局部
电场强度最大值，有效降低传感器发生绝缘击穿的可靠性。并且，在这种情况下，电场强度
矢量方向统一指向径向方向，不会发生电场线的弯曲，可以在最大程度上降低边缘效应，达
到弱化由于传感器的介入造成的原电场畸变的目的。优选的，外层电极11和内层电极12均
为半球壳状PCB板。
外层电极11和内层电极12之间设置绝缘填充物13，且外层电极11和内层电极12通
过绝缘填充物13连接。绝缘填充物对整个D-dot传感器内部结构起支撑作用，同时也起调节
传感器周围电场的作用，使强电场集中在具有很高临界电场强度的绝缘填充物支架内，从
而减小了外部电场的影响，最终达到了提高整个传感器绝缘能力的目的，同时也降低了传
感器的输出功率，使其能够满足二次测量装置小功率驱动的要求。优选的，本发明提供的双
差分式D-dot过电压传感器中绝缘填充物13采用环氧树脂。
为方便传感器输出电压信号，外层电极11和内层电极12的同一端分别设置输出
端，且第一单极D-dot传感器1的输出电压为U1，第二单极D-dot传感器2的输出电压为U2，后
续对输出电压进行处理。
外层电极11和内层电极12为半径不同的同心圆环，如外层电极11的半径为5cm，内
层电极12的半径为7cm。
本发明实施例提供的双差分式D-dot过电压传感器包括第一单极D-dot传感器1和
第二单极D-dot传感器2，且第一单极D-dot传感器1与第二单极D-dot传感器2上下对称设
置；第一单极D-dot传感器1和第二单极D-dot传感器2均包括金属半球壳本体，金属半球壳
本体的外表面设置外层电极11，金属半球壳本体的内表面设置内层电极12，且外层电极11
和内层电极12通过绝缘填充物13连接，单极D-dot传感器通过外层电极11和内层电极12依
靠电场耦合感应出电荷，输出差分电压。本发明实施例提供的双差分式D-dot过电压传感器
结构简单，实现了非接触测量，响应速度快、灵敏度高。
基于本发明提供的双差分式D-dot过电压传感器，本发明还提供了一种过电压测
量系统，如图4所示。
本发明实施例提供的过电压测量系统包括双差分式D-dot过电压传感器、放大电
路3、信号调理电路4、高速采集电路5和过电压自识别模块6，其中：
双差分式D-dot过电压传感器获得被测输电线周围电场的电压信号，且双差分式
D-dot过电压传感器的输出端电连接放大电路3的输入端，双差分式D-dot过电压传感器输
出差分电压，并传输至放大电路3。双差分式D-dot过电压传感器放置在被测输电线附近的
电场中，依靠电场耦合感应出电荷，差分输出电压U1、U2，经过放大电路3的放大处理，输出差
分电压Uo。
为放大双差分式D-dot过电压传感器的差分输出电压，放大电路3采用两级差分放
大电路。双差分式D-dot过电压传感器的差分输出电压U1、U2分别为：
经过第一级差分放大电路，输出电压Uo1、Uo2分别为：
Uo1＝k1U1 Uo2＝k1U2
其中，k1——第一级差分电路差模放大倍数。
经过第二级差分放大电路，输出电压Uo为：
Uo＝k2(k1U1-k1U2) （9）
其中，k2——第二级差分电路差模放大倍数。
一般两级差分放大电路中，k为整体差分放大倍数，统一为k＝k1k2，k1、k2取值范围
为3-20之间。双差分式D-dot过电压传感器中两个半球形电极可以视作Rm1＝Rm2，Aeq1＝Aeq2，
统一为Rm，Aeq。由式（7）、式（8）、式（9）推导可得，放大后的输出电压Uo为：
单级差分放大电路的共模抑制比为差模电压放大倍数和共模电压放大倍数之比
的绝对值，两级差分放大电路的共模抑制比则为单级差分放大电路共模抑制比的平方，因
此放大电路3的共模抑制比为单个差分放大电路的平方，大致为1016-1020数量级，差模信号
放大能力也为单级差分放大电路的乘积，为9-400倍左右。双差分式D-dot过电压传感器采
集的电压信号通过放大电路3的处理，大大提高了共模抑制能力，提高了信号信噪比，去掉
部分干扰信号，具有较好的过电压检测能力。
为进一步提高抗干扰能力，信号调理电路4包括滤波电路，进一步过滤掉干扰信
号，提高信号信噪比，避免干扰信号影响采集的电压信号，进而影响测量的准确性。
为识别过电压信号，高速采集电路5将模拟信号转换为数字信号，便于比较，即将
放大处理后的电压信号转换为电压有效值，并将电压有效值传输至过电压自识别模块6。
为进一步识别过电压信号，过电压自识别模块6将电压有效值与预先设定的电压
值进行比较，自动识别雷电过电压、操作过电压、暂态过电压、工频过电压等过电压信号。
本发明实施例提供的过电压测量系统包括双差分式D-dot过电压传感器、放大电
路3、信号调理电路4、高速采集电路5和过电压自识别模块6，其中，双差分式D-dot过电压传
感器、放大电路3、信号调理电路4、高速采集电路5和过电压自识别模块6依次串联电连接。
双差分式D-dot过电压传感器放置在被测输电线附近的电场中，输出电场的差分电压信号，
并将电压信号传输至放大电路3；放大电路3对电压信号进行两级差分放大，方便后续电压
信号的识别，并将放大后的电压信号传输至信号调理电路4；信号调理电路4对放大后的电
压信号进一步滤波，去除干扰信号；高速采集电路5将过滤后的电压信号转换为电压有效
值，便于过电压信号识别；过电压自识别模块6将电压有效值与预先设定的电压数值进行比
较，自动识别过电压信号。本发明实施例提供的过电压测量系统适用于各种过电压信号的
测量，具有很宽的测量带宽，且抗干扰能力强。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其
它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或
者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识
或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的
权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并
且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。