用于電暈電流測(cè)量的高電位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用

向 宇 盧鐵兵 劉 陽(yáng) 崔 翔

用于電暈電流測(cè)量的高電位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用

向 宇 盧鐵兵 劉 陽(yáng) 崔 翔

（華北電力大學(xué)高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102206）

電暈是高壓輸電線路設(shè)計(jì)中必須考慮的問題。電暈電流是導(dǎo)線周圍帶電粒子的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)引起的，具有環(huán)境電壓高、頻譜寬、變化劇烈等特點(diǎn)。針對(duì)高壓試驗(yàn)線路，采用屏蔽箱、電流探頭和高速采集卡設(shè)計(jì)了電暈電流測(cè)量系統(tǒng)，采用光電技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，解決了高壓絕緣、信號(hào)干擾和電暈信號(hào)高頻采樣記錄的測(cè)量困難，實(shí)現(xiàn)高壓試驗(yàn)線段電暈電流的地面安全可靠測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)室搭建模擬線路，利用該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量現(xiàn)象和結(jié)果符合預(yù)期的分析，驗(yàn)證了方案的可行性。

電暈電流 高電位 光電轉(zhuǎn)換 測(cè)量

1 引言

高壓輸電具有大容量、低損耗、低成本的特點(diǎn)，適合于遠(yuǎn)距離、大容量電能輸送。我國(guó)區(qū)域性能源分布與電能需求極不均衡，高電壓輸電成為解決這一矛盾的主要手段。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，電能需求逐年增加，電壓等級(jí)也逐步升高。高壓輸電線路在正常運(yùn)行狀態(tài)下，通常處于起暈的狀態(tài)，而電暈現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生一系列的環(huán)境效應(yīng)。如電暈放電時(shí)，導(dǎo)線附近空氣被電離而使得其中存在許多自由電子及正、負(fù)離子。

當(dāng)這些電子及正、負(fù)離子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，加速向?qū)Ь€和地面運(yùn)動(dòng)，從而在導(dǎo)線上產(chǎn)生電暈電流。電暈電流具有高達(dá)30MHz的帶寬，覆蓋了無(wú)線電的中波和短波頻段。電暈電流在空間中激發(fā)出的電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)無(wú)線電信號(hào)形成干擾，因此無(wú)線電干擾是電暈現(xiàn)象帶來的一個(gè)重要問題，必須對(duì)其進(jìn)行深入研究。

無(wú)線電干擾的來源是電暈電流，因此必須掌握電暈電流的特性。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)電暈進(jìn)行了長(zhǎng)期大量的研究，提出了電橋電路法、耦合天線法等測(cè)量方法[1]。但這些方法或是改變電路結(jié)構(gòu)，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定影響，或是在低壓側(cè)測(cè)量由電暈電流產(chǎn)生的不同效應(yīng)來反推。而且電暈信號(hào)頻率高、頻帶寬，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的采樣頻率、信號(hào)存儲(chǔ)速率提出了較高要求[2]。如何從高壓側(cè)直接獲取準(zhǔn)確的電暈電流參數(shù)，以分析其產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性成為一個(gè)難題。本文提出了一套電暈電流測(cè)量系統(tǒng)，利用高速采集卡、光電技術(shù)以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)高電位電暈電流的有效測(cè)量，該系統(tǒng)測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、尺寸小、重量輕，且人員在低電位進(jìn)行操作，確保操作人員安全。

2 系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 工作原理

測(cè)量系統(tǒng)主要由高速數(shù)據(jù)采集卡、測(cè)量主機(jī)、光電轉(zhuǎn)換傳輸裝置和地面控制主機(jī)等部分構(gòu)成。

圖1為系統(tǒng)工作原理圖，其中，基于羅氏線圈原理的電流探頭用于采集流過導(dǎo)線的電暈電流，通過高速數(shù)據(jù)采集卡將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字電信號(hào)傳送至測(cè)量主機(jī)，高壓側(cè)屏蔽箱內(nèi)的測(cè)量主機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行采集、運(yùn)算和存儲(chǔ)，地面控制主機(jī)的信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，經(jīng)光纖傳輸線接入測(cè)量部分，再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)接入測(cè)量主機(jī)以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察和控制。光電轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集卡均由測(cè)量主機(jī)的電池供電。

圖1 采集系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Fundamental diagram

2.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

本文針對(duì)高電位測(cè)量主要存在三個(gè)難點(diǎn)：高速精確采集，防止裝置起暈和實(shí)現(xiàn)電位隔離，進(jìn)行了設(shè)計(jì)和布置，如圖 2。

圖2 采集系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram

電暈脈沖信號(hào)主要能量分布在30MHz以內(nèi)，幅值幾十mA以內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)的精確快速采集，數(shù)據(jù)采集卡選用Tiepie Handyscope HS5 XM，通過BNC接口的屏蔽電纜線與電流探頭相連，同時(shí)通過USb接口的傳輸線與測(cè)量主機(jī)相連。采集卡的最大實(shí)時(shí)采樣頻率為500MHz，12bit，量程±80A，最小分辨率約為0.1mA，在測(cè)量過程中采樣頻率、量程、顯示參數(shù)等可實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

由于與高壓線路直接接觸，處于高電位的采集系統(tǒng)必須能有效防止自身起暈。采集系統(tǒng)的測(cè)量模塊置于屏蔽箱內(nèi)，屏蔽箱整體呈流線型，金屬蓋和金屬底盤通過尼龍螺絲及螺母緊密貼合，接觸環(huán)面上方放置有均壓環(huán)，過渡面光滑無(wú)毛刺，屏蔽箱上表面有半球形接線端子，通過波紋管接觸高壓導(dǎo)線以保持屏蔽箱處于的高電位，BNC接口電纜線置于波紋管內(nèi)，連接采集卡和電流探頭，電流探頭同樣有球形屏蔽罩保護(hù)以防止邊角起暈。

用光纖傳輸控制信號(hào)不僅能實(shí)現(xiàn)電位隔離，而且抗干擾能力強(qiáng)。本系統(tǒng)采用了光電轉(zhuǎn)換器，提供直通線/交叉線自適應(yīng)的 RJ45網(wǎng)線接口和 1 000Base-SX/LX全雙工模式的光纖接口，能在極小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與光信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，通過光纖達(dá)到電位隔離的目的，保證了控制端人員的安全。

3 測(cè)量系統(tǒng)的有效性驗(yàn)證

為了檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)精確度，利用信號(hào)發(fā)生器和高性能示波器搭建簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與高性能示波器同時(shí)連接信號(hào)發(fā)生器，分別用信號(hào)發(fā)生器輸出端輸出頻率20MHz，幅值1V的正弦波，以及上升沿約為10ns，幅值為1V的脈沖波形。測(cè)量得到波形對(duì)比如圖3。

可以看出，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所采集到的波形與高性能示波器基本重合，其測(cè)量的精確度完全能夠勝任電暈電流的測(cè)量工作。

圖3 采集系統(tǒng)與示波器對(duì)比Fig.3 Comparison diagrams of wave forms

4 模擬實(shí)驗(yàn)線路電暈電流的測(cè)量

為了檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的光電控制性能和存儲(chǔ)速度，將其應(yīng)用在高電位區(qū)進(jìn)行了電暈電流的測(cè)量。

在高電壓實(shí)驗(yàn)室搭建模擬線路，試驗(yàn)導(dǎo)線采用直徑為4mm的絞線。導(dǎo)線兩端用絕緣棒支架固定，一端通過電感與高壓直流源連接，減少電源紋波干擾；另一端通過高壓電容器和匹配電阻接地，能有效的消除反射。

圖4 實(shí)驗(yàn)線路示意圖Fig.4 Experimental platform

首先對(duì)測(cè)量導(dǎo)線施加正極直流電壓，加壓過程勻速緩慢。當(dāng)施加電壓達(dá)到34.3kV的時(shí)候第一次測(cè)到了明顯的脈沖波形，如圖 5。脈沖波形上升時(shí)間為30ns左右。

圖5 單個(gè)脈沖電流波形Fig.5 A corona current pulse

分別對(duì)測(cè)量導(dǎo)線施加正極直流電壓、負(fù)極直流電壓以及交流電壓，采集系統(tǒng)存儲(chǔ)深度為32MiB，使用最大采樣率500MHz，記錄時(shí)間長(zhǎng)度為66ms。為了比較三種情況下電暈電流的表現(xiàn)，加壓過程均為緩慢勻速加壓，電壓分別為正極 40kV，負(fù)極-40kV，交流有效值28.3kV（最大值±40kV）。

在加壓過程中，正極到 34.3kV的時(shí)候開始出現(xiàn)脈沖波形，而負(fù)極電壓加到 33kV就出現(xiàn)電暈電流的脈沖，這說明負(fù)極線路比正極線路更容易起暈。

當(dāng)導(dǎo)線具有正極電壓時(shí)，空氣中出現(xiàn)的電子向?qū)Ь€端運(yùn)動(dòng)并開始引起電離現(xiàn)象而形成電子崩。隨著電壓的逐漸上升，到放電達(dá)到自持、爆發(fā)電暈之前，空氣中形成相當(dāng)多的電子崩。當(dāng)電子崩達(dá)到導(dǎo)線后，其中的電子進(jìn)入導(dǎo)線，而正離子仍留在空間，并在導(dǎo)線表面積聚起正空間電荷，從而減小了導(dǎo)線表面的電場(chǎng)，而略為加強(qiáng)了外部空間的電場(chǎng)。這樣，導(dǎo)線附近的電場(chǎng)被削弱，難以造成流注，這也使得電暈放電難以形成。而當(dāng)導(dǎo)線具有負(fù)極性時(shí)，電子崩中的正離子逐漸向?qū)Ь€運(yùn)動(dòng)而消失于導(dǎo)線中，但由于其運(yùn)動(dòng)速度較慢，所以在導(dǎo)線附近總是存在著正空間電荷。導(dǎo)線表面的電場(chǎng)得到增強(qiáng)，因而自持放電條件易于得到滿足、易于轉(zhuǎn)入流注而形成電暈放電。分析表明，正極性導(dǎo)線的起暈電壓比負(fù)極性導(dǎo)線略高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。

從長(zhǎng)時(shí)間的正極電暈電流波形可以發(fā)現(xiàn)，電暈電流脈沖基本都是相隔固定的時(shí)間成簇出現(xiàn)的。其中正極電暈電流每一簇中包含一大一小兩個(gè)脈沖，這是因?yàn)樵诘谝淮坞姇灧烹娭螅臻g中會(huì)有殘余的正離子，影響了導(dǎo)線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度，使得第二次放電的強(qiáng)度降低。

圖6 正極40kV電暈電流Fig.6 Corona current produced by +40kV corona

對(duì)比正負(fù)極的電暈電流波形可以看出，在施加的電壓絕對(duì)值相同的情況下，正極的脈沖個(gè)數(shù)多于負(fù)極的脈沖個(gè)數(shù)，且正極電暈電流幅值的絕對(duì)值要遠(yuǎn)大于負(fù)極，說明正極導(dǎo)線起暈要比負(fù)極導(dǎo)線起暈更強(qiáng)烈。這是因?yàn)椋谡龢O導(dǎo)線電暈放電的過程中，參與運(yùn)動(dòng)的主要是正離子，而負(fù)極導(dǎo)線電暈放電過程中主要參與者是電子，其質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正離子，在碰撞空氣分子產(chǎn)生電離等過程中作用效果也沒有正離子那么明顯，所以無(wú)論是在幅值或者放電次數(shù)方面，負(fù)極電暈電流都不如正極電暈電流。

圖7 負(fù)極-40kV電暈電流Fig.7 Corona current produced by -40kV corona

圖 8為導(dǎo)線通以±28.3kV交流電源的電暈電流波形。由于是交流電壓，正極和負(fù)極的電暈電流脈沖都存在，并且交替出現(xiàn)，每隔 10ms左右會(huì)有一簇交流電暈出現(xiàn)，同一簇中的正負(fù)電暈電流幅值相差不多。

5 結(jié)論

圖8 交流±28.3kV電暈電流Fig.8 Corona current produced by ±28.3kV corona

本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)能直接有效地對(duì)高壓線路上電暈電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，通過在高電壓實(shí)驗(yàn)室搭建模擬線路，測(cè)得了導(dǎo)線上的電暈電流。實(shí)驗(yàn)對(duì)正極直流、負(fù)極直流和交流的電暈電流分別進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)各自的產(chǎn)生機(jī)理和現(xiàn)象特征進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)在高電位完全能夠快速準(zhǔn)確地捕捉到電暈電流脈沖，在最大采樣率的情況下，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá) 67ms的脈沖波形記錄，且每個(gè)波形保存完整。

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Design and Application of HV-Side Acquisition System for Corona Current Measurement

Xiang Yu Lu Tiebing Liu Yang Cui Xiang

（Beijing Key Laboratory of High V oltage & Electromagnetic Compatibility North China Electric Power University Beijing 102206 China）

Corona effect is an important issue that must be considered in designing HV transmission lines. It is caused by the compound movement of charged particles around the conductors, and has the characteristics of high voltage, wide spectrum, and strenuous diversification. According to the HV test line, a corona current measurement system is developed for the investigation of HV test line. The measurement principle and system configuration is described. Problems such as high-voltage insulation, high-frequency signal sampling, interference suppression, and signal record and transmission etc. are solved. Simulation experiments are also carried out in laboratory. By analyzing the test results, the feasibility of the developed measurement system is validated.

Corona current, HV side, optoelectronic conversion, measurement

TM743

向 宇 男，1988年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)電磁環(huán)境。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51177041）。

2013-10-08 改稿日期 2014-06-09

盧鐵兵 男，1970年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)電磁環(huán)境、電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算。