高壓直流輸電線路靜電場測量裝置

張遠思 索春光 張文斌

摘? 要： 目前國內外在高壓輸電線、變電站的驗電設備研究較多，而針對高原架接的超高壓及特高壓驗電設備的研究處于起步階段，相關產品較少。目前國內外在直流輸電線路中并沒用形成，成熟、可靠的非接觸式驗電設備，也沒有具體的國際標準來借鑒。本文目的是解決電力作業人員在高壓輸電線路及超高壓、特高壓下的預警裝置的研究，針對環境復雜、接觸驗電過程困難等難題，該文研制出了基于開關調制技術的非接觸式電場傳感器。通過對輸電線路數學模型的建立，利用COMSOL仿真輸電線電場分布情況，結合調理電路對恒定靜電場的調制技術。實現了復雜電力環境下，超高壓、特高壓直流輸電線路的電場檢測，保障了作業人員安全作業。試驗結果表明，該電場測量裝置通過控制激勵源的調制，可以檢測電力作業下的恒定電場和工頻電場，實現±500kV超高壓直流輸電線路的電場測量。

關鍵詞： 工頻電場;非接觸式驗電;COMSOL;調制技術;恒定電場

中圖分類號： TM935? ? 文獻標識碼： B? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.035

【Abstract】： At present， there are many researches on electroscope equipment for high-voltage transmission lines and substations at home and abroad， and the research on ultra-high voltage and ultra-high-voltage electroscope equipment for plateau erection is in its infancy， and there are few related products. At present， there is no use in the direct current transmission lines at home and abroad. Mature and reliable non-contact electroscopes have no specific international standards for reference. The purpose of this paper is to solve the problem of electric power workers' high-voltage transmission lines and early warning devices under ultra-high voltage and ultra-high voltage. In view of the complicated environment and the difficulty of contact electro-induction process， this paper develops a non-contact electric field based on switching modulation technology. sensor. Through the establishment of the mathematical model of the transmission line， the electric field distribution of the transmission line is simulated by COMSOL， and the modulation technique of the constant electrostatic field by the conditioning circuit is combined. The electric field detection of ultra-high voltage and ultra-high voltage direct current transmission lines under complex power environment is realized， which ensures the safe operation of the operators. The test results show that the electric field measuring device can detect the constant electric field and the power frequency electric field under the electric power operation by controlling the modulation of the excitation source， and realize the electric field measurement of the 500 kV ultra-high voltage direct current transmission line.

【Key words】： Power frequency electric field; Non-contact test; COMSOL; Modulation technology; Constant electric field

0? 引言

我國針對工頻電力系統電容型驗電器有國內標準DL740-2000，但是這種驗電器屬于接觸式的驗電器，對于電力作業人員來說不具有便攜性。但是在直流輸電線路的檢測中，還沒有相關的驗電標準可以提供借鑒，只能通過國內外的相關技術及研究成果、技術標準的基礎上進行開發。如美國的Sallsbury公司的非接觸式驗電裝置使用的范圍為240 V～ 500 kV，但是便攜性、可靠性能、重復性等均不高，難以推廣使用。本文介紹了一種，便攜式驗電裝置恒定電場調制手段上具有一定的創新，通過理論仿真模型的搭建和實際永仁500 kV換流站的檢測，能夠實現空間電場檢測的功能。

就目前國內外的標準及規范而言，還沒有±500 kV及以上電壓等級輸電線路的驗電規范，國內外的直流輸電線路的非接觸式驗電器均在實驗室階段，未能達到成熟的產品應用。本技術的研究為實現產學研一體化的檢測裝置提供理論及實踐基礎。通過自主創新，將各種問題匯總分析，不同種類驗電器的原理分類，得到電容式驗電器的推廣優勢，并研制出±500 kV及以上電壓等級直流輸電的非接觸式預警裝置。如圖1所示為楚雄永仁±500 kV換流站。

1? 靜電場傳感器基本原理

本文研制的非接觸式特高壓輸電線路靜電場測量裝置，如圖2所示，傳感器模塊主要包括電容型感應面板、調制開關、IV轉換電路、同相儀表放大器電路、工頻陷波器、二階低通濾波電路、MCU處理單元。相比非接觸式工頻電場傳感器的設計，主要區別在于調制開關和工頻陷波器的設計，調制電路主要是因為，電容型感應面板在特高壓輸電線路靜電場中電荷分布處于靜電力平衡狀態，要打破力學平衡。需要引入外界激勵控制源，對于MEMS電場傳感器使用力學激勵來控制電荷分布實現放電回路。本設計是基于靜電感應原理，在電容型面板感應到電場信號時，通過接入小電阻實現放電回路，小電阻的引入勢必帶來高電位，通過上下極板不同電阻的接入。控制高速開關，可實現上下極板的電位調制，實現方波信號的輸出[1-5]。

算法上將硬件采集的信號通過卡爾曼濾波可以得到平滑的電場信號。利用電場信號在dt時間內的微分可以作為電場情況的判斷依據。對于不同電壓等級的工況下，可以通過分離算法來確定電壓等級不同及電場強度重疊的區域。如圖6所示為電場傳感器采集電場后的處理流程。

3? 不同工況下的電壓檢測及區分

為滿足不用電壓等級下的電場檢測，首先針對工頻電場進行了測量實驗，在現場的實測數據與大量的模擬仿真實驗下。如圖7所示，在高壓輸電線路，10 kV與35 kV的檢測曲線，在靠近帶電導線的過程中出現了場域重疊的部分，通過定長微分的處理，可以使得重疊的電壓等級進行區分。其中定長的處理，選擇不同傳感器之間的相對距離。

在我國，輸電網電壓等級一般分為高壓、超高壓和特高壓。交流電壓等級中，高壓指110千伏和220千伏;超高壓指330千伏、500千伏和750千伏;特高壓指1000千伏。直流電壓等級中，超高壓指±500千伏和±660千伏，特高壓指±800千伏。其中1000千伏交流電壓已成為國標標稱電壓。圖7為工

在不同工況下，需要知道輸電線路的電壓等級，才能夠得到當前的預警距離，在電力作業人員進行作業時才能提醒作業人員危險紅線在哪里。而不同的電壓等級在空間電場上具有重疊區域，通過特征提取才能判斷電壓等級。如圖9所示，作業人員在運動時，通過距離測量，三軸加速度讀取，結合作業的電壓等級得到區域的電場分布特點，才能判別預警閾值在哪里，進而實現預警功能。

4? 系統測試及試驗

電網輸電線路及變電站現場的電磁環境極其復雜，設備之間交錯分布等因素，導致作業人員面對的電場分布布局不具有唯一規律性，需要預警裝置判斷的電壓等級及安全距離的確定來達到預警的目的。此時需要現場的實測數據與大量的模擬仿真實驗。提取不同電壓等級的電場強度分布特征，對電場與安全距離模型進行自適應調整。

如圖10所示，靠近帶電體靜電場感應加強，遠離時減弱。通過調壓裝置并設定不同的電壓等級，為了驗證算法的可行性和樣機的工作性能，提取不同電壓等級，通過在不同的實驗室平臺，進行了如下工況的實驗測試及驗證，以及后臺服務器對檢測數據的存儲。

5? 結論

本文為了解決電力人員在輸電線路、變電站下的安全作業問題，該文研制了基于開關調制技術的非接觸式電場傳感器結合作業現場電塔及輸電線路數學模型的建立。得到了靜電場空間電場分布情況，實現了復雜電力環境下的高壓直流輸電線路的電場檢測，能夠檢測空間交直流電場分布情況，為作業人員提供預警功能。試驗結果表明，該電場測量裝置通過控制激勵源的調制，可以檢測電力作業下的恒定電場和工頻電場，實現±500kV超高壓直流輸電線路的電場測量。

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