高壓直流試驗線段電暈電流的取樣電阻法測量

王廣利 傅正財 陳 堅 孫 偉

（上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200030）

1 引言

我國幅員遼闊，經(jīng)濟發(fā)展和資源分布極不平衡。為優(yōu)化資源配置，滿足經(jīng)濟發(fā)展需要，必須發(fā)展長距離大容量的輸電線路，并實現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)。高壓直流輸電中由于強電場的存在致使導(dǎo)線周圍空氣電離，電離產(chǎn)生的帶電粒子在強電場下雜散運動形成電暈電流。由電暈引起的電暈?zāi)芰繐p耗、電暈噪聲等嚴(yán)重制約了高壓直流輸電的推廣，因此對高壓直流電暈特性進行研究，降低電暈影響顯得尤為必要。

隨著輸電線路電壓等級的提高，電暈測量越發(fā)受到重視。國內(nèi)外眾多學(xué)者對電暈進行了長期大量的研究，提出了電橋電路法、耦合天線法等測量方法[1]。但由于帶電粒子在空間電場中運動的雜散性等原因，導(dǎo)致電暈電流信號的獲取較為困難。同時電暈信號頻率高、頻帶寬，對測量系統(tǒng)的采樣頻率、信號存儲速率提出了較高要求。根據(jù)直流輸電線路的特點，設(shè)計電暈電流測量系統(tǒng)，實現(xiàn)電暈電流的安全、有效測量具有重要意義。本文提出取樣電阻法測量電暈電流的方案，并設(shè)計了一套電暈電流測量系統(tǒng)。利用高頻數(shù)據(jù)采集卡測量串入空載線路中的取樣電阻上的電流信號，實現(xiàn)對線路電暈電流的測量。在實驗室進行模擬試驗，驗證了方案的可行性。

2 取樣電阻法測電暈的原理及其實現(xiàn)

2.1 取樣電阻法測量原理

直流輸電線路電暈等值電路基本是一個非線性的RC電路[2]，如圖1所示。其中C1是正常的導(dǎo)線對地電容；C2是能使電暈電荷返回導(dǎo)線的那一部分電暈電容；C3將其電荷傾瀉到導(dǎo)線周圍空氣中永遠(yuǎn)損失的那一部分電容；G為與電荷損失等值的泄漏電導(dǎo)；V0是電暈起始電壓。當(dāng)空載線路電壓較低時，只存在逐漸衰減至零的導(dǎo)線對地電容充電電流以及極少量的絕緣子泄漏電流。當(dāng)線路電壓達(dá)到并超過電暈起始電壓V0時，圖1中的2、3支路導(dǎo)通，出現(xiàn)隨電壓增大的電暈電流。因此空載特高壓直流輸電線路中，在電源和導(dǎo)線間串接取樣電阻R，當(dāng)導(dǎo)線對地電容充電結(jié)束后，流過電阻R上的總電流減去絕緣子上的泄漏電流即得到導(dǎo)線上的電暈電流。由于絕緣子泄漏電流與電暈電流相比較小，測得的數(shù)據(jù)主要為線路的電暈電流。本文所描述的電暈測量系統(tǒng)正是基于此原理設(shè)計的。

圖1 電暈放電的等效電路模型

2.2 測量系統(tǒng)的實現(xiàn)

為防止串入線路的取樣電阻信號干擾及擊穿，采用無感電阻，兩端做均壓處理并對其并聯(lián)以放電管加以保護。取樣電阻用屏蔽箱屏蔽，測量引線采用BNC接口引入，有效減少了信號干擾。取樣電阻的阻值大小根據(jù)線路的電暈電流值以及數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓限額確定。根據(jù)在實驗室進行的模擬線路試驗條件，利用經(jīng)驗公式進行測算得到電暈電流值在幾到幾百微安左右，測量系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡輸入電壓在0～50V之間，試驗中測量系統(tǒng)采用了10k?的無感電阻。測量系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集卡、測量主機、信號轉(zhuǎn)換傳輸裝置和地面控制主機等部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 模擬試驗系統(tǒng)示意圖

實驗室測得的電暈脈沖信號主要能量分布在20MHz以內(nèi)，為提高實驗精確性，采用的數(shù)據(jù)采集卡實時采樣頻率500MHz，重復(fù)采樣頻率1GHz，模擬帶寬可達(dá)500MHz。試驗中采樣頻率設(shè)置為50MHz，經(jīng)試驗驗證可圓滿實現(xiàn)對電暈信號的測量。采集卡存儲深度為2M，在50MHz的取樣頻率下最大可存儲40μs時間內(nèi)的信號數(shù)據(jù)量，一般電暈脈沖波形的周期在幾百ns左右，所以完全能夠?qū)崿F(xiàn)對高頻信號的采集存儲。同時設(shè)置采集卡與測量主機內(nèi)部的緩存功能在系統(tǒng)突然斷電等故障時，實現(xiàn)對測量信號在測量主機的內(nèi)部暫存，控制主機可實現(xiàn)對測量主機內(nèi)數(shù)據(jù)的安全離線讀取，提高了系統(tǒng)的可靠性。

測量系統(tǒng)簡易精巧，可方便架設(shè)在導(dǎo)線附近。數(shù)據(jù)采集卡、測量主機采用電池供電，通過光纖與地面控制主機進行連接。光纖通信具有速度快、抗干擾強等優(yōu)點。通過地面控制主機可實現(xiàn)測量主機以及數(shù)據(jù)采集卡的開關(guān)機控制，并能實現(xiàn)對測量主機、采集卡的測量參數(shù)進行修改，使系統(tǒng)更為可靠方便。

3 模擬線路試驗

3.1 模擬線路試驗裝置

在高電壓實驗室搭建模擬線路，室溫為24℃，空氣濕度為60%，氣壓為101kPa。試驗導(dǎo)線采用直徑分別為1.33mm、4mm的光滑裸銅線。導(dǎo)線對地高度為2.5m，首端通過取樣電阻接在高壓發(fā)生器上，末端利用絕緣棒支撐。

高壓線路的起暈電壓一直是電暈研究的重要內(nèi)容，實際線路的電暈起始臨界電場強度各不相同，各國學(xué)者提出了許多計算公式，其中最著名的是皮克公式[3]

式中，m為導(dǎo)線的表面系數(shù)；δ為大氣校正系數(shù)（δ=0.386P/（273+t），P為大氣壓力，毫米水銀柱高；t為溫度，℃）；r為導(dǎo)線的半徑，cm。相應(yīng)的導(dǎo)線電壓計算公式如下

式中，Ec為電暈的起始場強，kV/cm；r為導(dǎo)線半徑，cm；h為導(dǎo)線對地高度，cm。

利用經(jīng)驗公式對試驗導(dǎo)線進行計算，直徑為1.33mm和4mm的導(dǎo)線起暈電壓分別為38.9kV和72.8kV。由于導(dǎo)線表面并非絕對光滑，所以在線路電壓達(dá)到起暈電壓理論值之前會發(fā)生局部起暈。如圖3所示，直徑1.33mm長度3m的導(dǎo)線當(dāng)施加電壓達(dá)到37.5kV時第一次測到了明顯的脈沖波形，脈沖波形上升時間為0.07μs左右，與現(xiàn)有電暈脈沖上升時間為幾十ns的研究結(jié)論相符。

圖3 直徑1.33mm導(dǎo)線起暈波形

對直徑為4mm的導(dǎo)線施加正極性的直流高壓，當(dāng)電壓增至68kV時，才在取樣電阻上測得較明顯的電暈電流尖峰脈動，如圖4所示,這是由于粗導(dǎo)線表面曲率降低所致[5]。對不同導(dǎo)線進行多次試驗，將模擬線路電暈起始電壓的理論值與實測值進行多次對比，均為當(dāng)導(dǎo)線電壓增加至理論起暈電壓附近時，系統(tǒng)開始測得明顯脈沖電流信號，線路開始出現(xiàn)局部起暈，試驗結(jié)果與理論值之間存在一致性。

圖4 直徑4mm導(dǎo)線起暈波形

3.2 模擬線路電暈電流的分析

在測量到電暈脈沖電流后，繼續(xù)增大電壓會引起線路逐漸強烈的全面起暈，測到明顯的電暈電流波形。圖5為直徑1.33mm導(dǎo)線施加93kV正電壓時取樣電阻上的電暈電流波形。升高線路電壓，取樣電阻上測得的電暈電流逐漸增大，如圖6所示，為直徑 1.33mm的導(dǎo)線，施加150kV電壓時的電暈電流波形。

圖5 直徑1.33mm導(dǎo)線93kV電暈電流波形

圖 6 直徑1.33mm導(dǎo)線150kV電暈電流波形

電暈電流值是計算線路電暈損耗的重要因素[6]，實際線路運行經(jīng)驗表明，線路的電暈電流與線路電壓基本滿足關(guān)系式（3）[7]，其中U為線路電壓，U0為線路的起暈電壓，I為線路的電暈電流。

表1為線路電暈電流I跟導(dǎo)線電壓與線路起暈電壓差值乘積U (U-U0)的關(guān)系對比。對表1中數(shù)據(jù)進行分析可知，兩者基本符合公式4的變化關(guān)系，如圖7所示。

表1 電暈電流跟導(dǎo)線電壓與導(dǎo)線起暈電壓差值關(guān)系(U0=37kV)

圖7 電暈電流跟導(dǎo)線電壓關(guān)系圖

4 結(jié)論

本文基于取樣電阻法，設(shè)計了電暈電流測量系統(tǒng)，通過在實驗室進行模擬試驗，測得了導(dǎo)線上的電暈電流。試驗對模擬線路的起暈電壓以及電暈損耗進行了測量分析，測量結(jié)果與現(xiàn)有的經(jīng)驗公式計算結(jié)果基本相符，驗證了取樣電阻法測量電暈的可行性。本測量系統(tǒng)集成化高，安裝方便，能有效實現(xiàn)特高壓輸電線路電暈的地面可靠測量，具有較好的應(yīng)用前景。

[1] J.G.安德生.超高壓輸電線路[M].北京：水利電力出版社,1979: 159-207.

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[4] 劉云鵬,尤少華,陳維江.特高壓試驗線段電暈損失測量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].高電壓技術(shù),2008,34(9): 1797-1801.

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[7] 鄭正圻,成蘿蘭,陳維克.海拔高度對直流輸電線路電暈電流地面離子流密度及地面場強影響的研究中國學(xué)術(shù)期刊電子雜志出版社.