高壓電暈電流自主供能測量裝置

(北京縱橫機電技術開發公司，北京 100094)

隨著我國經濟的快速發展和電力資源需求的不斷提高，我國特高壓直流輸電工程得到了迅猛發展。隨著輸電電壓等級的不斷提高，特高壓直流輸電線路在運行過程中會產生電暈放電，從而引起電暈損耗。電暈放電引起的電暈損耗,不僅決定著導線的選型，還直接影響到線路的投資和年運行費用[1-3]。因此，減少電暈損失,節約電力能源,對電網的建設具有重要的現實意義。

電暈電流是反映電暈效應及起暈特性的重要指標[4-7]，線路的電暈損耗由電暈電流和電壓相乘得到，因此，特高壓直流輸電線路電暈損耗可以通過測量導線中的電暈電流來獲得。傳統的電暈電流測量裝置頻帶較窄(僅2 MHz)，遠不能滿足輸電線路電暈環境的精細化控制要求(電暈信號上限可達30 MHz)[8-10]。為了準確完成電暈電流的測量工作，研制了一套適用于特高壓環境，專門用于電暈電流測量的寬頻域電暈電流測量裝置，該裝置在實現電暈電流準確測量的同時，還解決了其供電問題，使其在特高壓環境下，利用太陽能進行自主供電，實現電暈電流信號的連續檢測。

研制出的電暈電流自主供能測量裝置已被應用于北京特高壓直流試驗基地，通過大量的特高壓直流實際線路測試，證明了該測量裝置在復雜特高壓電磁環境中工作的可靠性和自主供能的高效性，可以實現準確的電暈電流測量。

1 特高壓直流輸電線路電暈放電理論

1.1 電暈電流測量原理

直流輸電線路的電暈等值電路基本上是一個非線性RC電路[11]，其等效電路模型如圖1所示。

圖1 電暈放電等效電路模型

圖1中，C1為輸電線路幾何電容；C2為導線起暈時對地增加電容；C3為電暈放電損失的電容；G為泄漏電導；Von為起暈電壓。

當試驗線段空載加壓時，C2=C3=G=0，高壓發生器對C1充電且充電電流逐漸減小。當試驗線段電壓等級大于或等于起暈電壓Von時，導線周圍空氣被擊穿，產生空間電荷，從而產生電暈電流。將電暈電流測量系統串接在高壓發生器與傳輸線之間，通過設備內部的高速數據采集卡可以采集到流過高頻電阻傳感器的電暈電流信號。

1.2 導線表面起暈場強的計算

研究表明，導線表面電暈起始場強臨界值為30 kV/cm，通常只有輸電線路導線表面才具有如此大的電場強度，因此可以說電暈放電現象是輸電線路特有的。隨著電壓等級的升高，先出現起始電暈，然后是可見電暈，最后形成全面電暈。電暈起始場強的計算可用皮克公式。最初皮克通過大量實驗提出的電暈起始電場強度的計算公式只適用于交流線路情況，但是當假設直流輸電線路導線起暈電場強度和交流線路導線起暈電場強度的峰值相同時，皮克公式便可用于計算直流電壓作用下導線的起暈場強[12-14]，公式表述如下：

(1)

式中，Ec為導線的起暈場強，單位為kV/cm；r為子導線半徑，單位為cm；m為導線的表面粗糙度系數，電力行業標準DL/T436-2005《高壓直流架空送電線路技術導則》中規定，在計算電暈損失時，m的取值為0.47；δ為大氣校正系數。

δ=0.386P/(273+t)

(2)

式中，t為溫度，單位為℃；P為大氣壓力，單位為Pa。

1.3 電暈電流測量系統結構

本文研制的電暈電流自主供能測量系統的結構示意圖如圖2所示。該系統由高壓測量端裝置和安全位置測量端終端兩部分組成。高壓測量端裝置由特殊電阻傳感器、高速寬頻域數據采集模塊、獨立供電電池、能源綜合管理模塊、USB接口、串口、光電轉換單元、太陽能電池單元、太陽能供電控制模塊、儲能電池等組成，主要完成數據的采集和裝置的自主供能等工作。其中，USB通信接口負責實現寬頻域電暈電流測量系統與USB主機之間的數據傳輸。本設備采用Cypress公司生產的EZ-USB FX2 (CY7C68013) USB 2.0收發器，其自帶的智能SIE可以硬件處理USB 2.0協議，同時所具有的GPIF接口(General Programmable Interface)和主/從端點FIFO(8位或16位數據總線)為微處理器操作提供了無縫連接接口。USB數據在主機和外部邏輯設備中傳輸通常不需要FX2自帶CPU處理器的參與，而是通過內部SLAVE FIFO和USB引擎直接進行主機和處理器的數據傳輸。由于SLAVE FIFO采用的是量子FIFO結構，最高傳輸速度可以達到96 MB/s，因此能夠實現數據的高速傳輸。當遇到連續光照不充足的天氣條件，自主供能單元無法滿足供能需求時，裝置內部的獨立供電電池可自行啟動，作為備用電源繼續為系統供能。安全位置測量端包括光電轉換單元、USB接口、串口等，主要完成數據的接收工作，并實現和上位機的通信。上位機終端可以對采集的電暈電流數據進行相應的處理和保存。高壓測量端和安全位置測量端之間的通信通過光纖實現。

圖2 測量系統結構示意圖

2 ANSYS結構仿真

在電暈放電過程中，設備的幾何構型對其表面的電場強度分布起著十分重要的作用。電場的不均勻性把主要的電離過程局限于局部電場很高的電極附近，特別是發生在曲率半徑很小的電極附近薄層中(電暈層或起暈層)[15]。高壓輸電線路電暈放電一般發生在高電壓的導體表面，輸電電壓越高，電暈放電越強。高壓傳輸線上的電暈會引起電能的損耗和對無線電通信信號的干擾。研究電暈，限制電暈引起的能量損耗有著重要的實用價值。利用ANSYS對電暈電流自主供能測量裝置的結構進行仿真，可以有效地優化設備結構參數，降低設備表面電場強度，對設備的安全運行具有重要意義。

描述有限元仿真的基本數學模型如下所示[16]：

(3)

▽·J=0

(4)

J=kρE

(5)

E=-▽φ

(6)

式中，E為電場強度；ρ為空間電荷密度；ε0為自由空間介電常數；J為電流密度；k為離子遷移率。對上述公式進行整理可以得到：

▽·(kρ▽φ)=0

(7)

式(7)即為ANSYS靜電場求解器進行有限元求解所使用的基本方程。

電暈電流自主供能測量裝置原始結構模型如圖3所示。測量裝置由電暈電流測量裝置、太陽能自主供能單元、均壓環、太陽能電池等部件組成，光伏電池通過并聯的方式為儲能電池充電。由于市面現有的單晶硅太陽能電池板四周均存在曲率半徑很小的棱角，這些尖角部位在高壓下很容易放電，并且在安裝過程中，為了使太陽能電池板能夠獲得充足的光照，太陽能電池板無法得到均壓環的全面保護。通過圖4所示的ANSYS仿真計算結果可知，當電壓等級為350 kV時，太陽能電池板表面電場分布極不均勻，表面電場最大處可達35.4 kV/cm。根據以往的研究可知，導線表面電暈起始場強臨界值為30 kV/cm，本模型的表面電場強度已經超出電暈起始場強臨界值，因此必須對其結構加以改進來抑制電暈的產生。工程實際中限制電暈最有效的方法是改進電極的形狀，增大電極的曲率半徑，如采用均壓環、屏蔽環等，以改善電場分布、提高氣體間隙的擊穿電壓。同時，電極表面盡量避免毛刺、棱角等，以消除電場局部增強的現象。根據上述防暈措施，將太陽能電池板嵌入經過特殊加工的均壓環裝置中，使太陽能電池板的棱角能夠全部包裹在均壓裝置中，并且太陽能電池板表面能夠和均壓環裝置表面密切貼合，以減弱表面放電，其結構如圖5所示。嵌有太陽能電池板的均壓裝置背面裝有萬向軸頭，使其角度和方向可調，使太陽能電池能夠在最佳光照條件下工作。經過改進的自主供能測量設備結構如圖6所示。

圖3 原始模型

圖4 仿真結果

圖5 均壓裝置

圖6 改進的模型

模型中均壓環直徑D全部取固定值10 cm，設備所加的端電壓為350 kV。由于自主供能單元中只有兩個均壓裝置中的光伏電池可以調整為朝南的方位接受光照，因此，仿真計過程中，通過改變均壓裝置的個數和它與地面所成的角度來分析比較測量裝置表面的電場強度，仿真計算結果如圖7所示。

圖7 350 kV仿真結果

3 分析與討論

3.1 日照強度對光伏電池的影響

太陽能光伏電池的照射角度與其輸出特性息息相關，光伏電池輸出電流隨著陽光照射角度的變化而改變，只有當太陽光照射角度與電池板垂直時輸出電流和電壓才是最佳的，這時電池板才能最大化地全面地接收太陽光。因為嵌有太陽能電池板的均壓裝置角度可調，因此可以根據不同地區的日照角度調整太陽能電池板與地面所形成的角度并固定，通過跟蹤最大功率點，使太陽能電池板的發電性能達到最佳狀態。以北京地區為例，當太陽能電池板與地面夾角成40°左右時(冬季為60°左右)，太陽能電池發電性能最佳。

3.2 仿真結果分析

由ANSYS仿真計算得到的測量設備表面電場強度變化規律如圖8所示。圖8(a)顯示的是太陽能電池板角度與測量設備表面電場強度的關系，由圖8(a)可知，測量設備表面電場強度隨均壓裝置對地夾角的變大而減弱。其中具有3個均壓裝置的測量設備的表面電場強度低于只有2個均壓裝置的測量設備，并且當太陽能電池板對地角度超過45°時，表面電場強度差值較為明顯。根據北京地區光伏電池最佳入射角度和表面場強與角度的仿真結果，對均壓裝置對地夾角為45°的測量設備進行了不同電壓等級下的表面電場強度的仿真計算，結果如圖8(b)所示。由圖可知，當電壓等級達到500 kV時，設備表面的電場強度仍低于電暈起始場強臨界值，因此通過ANSYS仿真優化出的系統結構可以滿足工程需要。

圖8 設備表面電場強度變化規律

4 試驗驗證

4.1 電阻傳感器阻抗特性試驗

電暈電流具有非常寬的頻帶范圍(0 Hz至幾十MHz)，因此，對傳感器的特性阻抗測試是非常有必要的。傳感器的特性阻抗一般通過網絡分析儀(VNA)來進行。圖9為傳感器的特性阻抗實部和虛部輸出結果。由圖9可以看出，取樣電阻傳感器在15 MHz以下時，其阻抗呈純阻性，輸出值為50 Ω；當頻率超過30 MHz以后，傳感器阻抗發生諧振，輸出值變化很大。因此，在進行信號采樣前，首先要通過濾波器對該頻率以上的信號進行處理，使得ADC采集到的源數據準確，可靠。

圖9 電阻傳感器阻抗特性

4.2 設備充電性能測試

電暈電流自主供能測量系統在利用太陽能對其內部電池進行充電時，可以采用1塊太陽能電池板進行光電轉化，也可以通過2塊或3塊太陽能電池板以并聯的形式為系統供能。為了測試系統的供能情況，分別對其在典型工作狀況下使用1塊、2塊和3塊太陽能電池板充電時的充電電流情況進行了統計分析，表1為試驗獲得的最大和最小充電電流情況。

表1 太陽能自主供能裝置性能分析

由表1的試驗數據可知，并聯使用的太陽能電池板越多，系統所獲得的充電電流就越大，電池的充電速度就越快。然而受季節性因素的影響，系統所獲得的充電電流大小是不斷變化的，并且最大充電電流與最小充電電流之間相差很多。表2為北京地區11月份不同天氣條件下，采用3塊太陽能電池板以并聯方式供能的供能裝置試驗參數情況，由表2可知，天氣狀況越好，電池充電時間越短。

4.3 高壓放電測試

該電暈電流自主供能測量裝置現已用于實際高壓

表2 不同天氣條件供能裝置參數對比

直流線路試驗。設備的安裝如圖10所示。試驗過程采用試驗線路雙極加壓的形式，電壓等級為350 kV，通過紫外成像儀(DayCor-SUPERB)觀察電暈電流自主供能測量裝置表面放電情況，高壓放電測試結果如圖11所示，紫外成像儀中光子計數率在可接受值范圍內，說明該設備結構的設計可以滿足工程需要。

圖10 安裝現場

圖11 設備高壓放電測試

4.4 實際線路測試

該電暈電流測量系統現已用于實際線路4分裂LGJ-95/20導線電暈電流的測量。測試線路長100 m，線路對地最小高度為7 m，正負極之間距離為6 m。試驗線路測試的電壓等級范圍為0～±300 kV。圖12為試驗線段±300 kV電壓等級下電暈電流頻譜分布，由圖可知，電暈電流信號測量范圍可達30 MHz。經過長期的線路試驗，該自主供能電暈電流測量系統可以穩定工作，并能夠實現電暈電流信號的連續檢測，可以滿足工程實際標準。圖13為試驗線段正負極電暈電流隨電壓等級變化的關系曲線，由圖可知，隨著線路上電壓等級的升高，電暈電流逐漸變大，當負極的電壓等級高于100 kV時，電暈電流信號開始產生較為明顯的變化；當正極的電壓等級高于125 kV時，電暈電流信號才開始產生較為明顯的變化。正負極的電暈電流信號隨線路上的電壓等級升高呈指數上升趨勢。雙極加壓時，同樣的電壓等級下，負極的電暈電流信號強度略高于正極。

5 結論

① 為了研究高壓輸電線路的電暈電流特性，計算線路的電暈損耗，研制了一套寬頻域電暈電流自主供能測量裝置，最大電暈測量寬度可達30 MHz。

② 利用太陽能和獨立電源兩種供能形式，可有效延長測量裝置的工作周期，提高工作效率。

圖12 ±300 kV電暈電流頻譜分布

圖13 電暈電流變化的V-I特性

③ 通過對測量裝置的ANSYS建模仿真，優化得到最佳結構參數，有效降低設備表面電場強度。

④ 測量裝置在實際輸電線路下經過長期的測試，結果表明，該測量裝置性能穩定，可完成高壓復雜電磁環境下的電暈電流測量任務。