基于電暈預(yù)測(cè)的高海拔直流輸電線路損耗檢測(cè)

張 旭，張 穎

（國網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏拉薩 850000）

高海拔直流輸電線路受到環(huán)境因素的影響，在工作過程中電能傳輸?shù)膿p耗會(huì)增加，降低了直流輸電的經(jīng)濟(jì)效益。直流輸電方式在遠(yuǎn)距離傳輸領(lǐng)域中具有較好的傳輸效率，但是海拔高度和環(huán)境的影響使得直流輸電方法在遠(yuǎn)距離輸電任務(wù)的傳輸效率降低，線路損耗增加[1-2]。

電暈預(yù)測(cè)主要是通過電暈測(cè)量裝置對(duì)高海拔直流輸電線路的電壓、海拔高度、線路周圍的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)線路周邊的電暈情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后通過分析以上測(cè)量的因素與高海拔直流輸電線路損耗之間的關(guān)系，完成基于電暈預(yù)測(cè)的高海拔直流輸電線路損耗檢測(cè)[3]。

綜上所述，提出高海拔直流輸電線路損耗檢測(cè)方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路損耗位置，并及時(shí)補(bǔ)救，提高直流輸電線路的傳輸效率。高海拔直流輸電線路損耗檢測(cè)方法在該領(lǐng)域內(nèi)存在一定的研究基礎(chǔ)，文中借鑒已經(jīng)存留的數(shù)據(jù)，通過電暈裝置對(duì)高海拔直流輸電線路的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，突破傳統(tǒng)檢測(cè)方法，提出基于電暈預(yù)測(cè)的直流輸電線路損耗檢測(cè)方法，提高檢測(cè)的工作效率和準(zhǔn)確度。

1 直流輸電線路特征提取

高海拔直流輸電線路電壓分為雙極電壓、正單極電壓以及負(fù)單極電壓，3 種電壓共同維持高海拔直流輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行，但是由于高海拔惡劣環(huán)境的影響，電壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)[4-5]。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，海拔的風(fēng)速、氣壓和濕度都會(huì)影響電壓出現(xiàn)非規(guī)律變化，從而出現(xiàn)直流輸電線路損耗的情況。因?yàn)橹绷鬏旊娋€路環(huán)境的氣壓低、濕度大，根據(jù)熱傳遞理論，輸電線路內(nèi)的溫度降低，電壓的消耗能力增強(qiáng)，使得線路傳輸速度降低，增加了線路的損耗[6-7]。隨著海拔高度的不斷增加，為了保證輸電線路的運(yùn)行，輸電電壓值應(yīng)按照某種規(guī)律成倍增加，但是如果過度增加電壓，線路損耗也會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)上升的趨勢(shì)，雙極加壓時(shí)負(fù)極導(dǎo)線產(chǎn)生的電壓稍高，未加壓導(dǎo)線上有感應(yīng)電流。電暈電流測(cè)量設(shè)備如圖1 所示。

圖1 電暈電流測(cè)量設(shè)備

在給定電壓下，雙極性每一極的電暈損耗明顯高于單極性電暈損耗，電壓大于800 kV 時(shí)，雙極電壓的總能量消耗為單極電壓總消耗值的5～10 倍，兩極導(dǎo)線產(chǎn)生的電場(chǎng)相互作用大大增加了線路的電暈損耗。所以必須合理控制海拔高度直流輸電線路的電壓值，電壓過高或者過低都會(huì)導(dǎo)致線路出現(xiàn)損耗情況[8]。

經(jīng)過對(duì)存檔數(shù)據(jù)的分析，高海拔直流輸電線路的場(chǎng)強(qiáng)在地面粒子密度橫向分布密集的位置，線路的場(chǎng)強(qiáng)值最大，并且以導(dǎo)體為中心，向水平方向分散，磁場(chǎng)強(qiáng)度向兩側(cè)逐漸降低。場(chǎng)強(qiáng)不僅受到地面粒子密度的影響，還受到風(fēng)力、風(fēng)速的影響，使得線路所依附的場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生變化，導(dǎo)致高海拔直流輸電線路的運(yùn)輸速度變慢，然而線路內(nèi)部損耗量的流速不會(huì)改變，結(jié)果輸電線路的損耗值呈正線性增加[9-10]。

高海拔直流輸電線路表面的最大電場(chǎng)強(qiáng)度與線路的損耗有一定的關(guān)系，文中通過電暈預(yù)測(cè)方法和公式計(jì)算出直流輸電線的臨界場(chǎng)強(qiáng)和雙極導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)極值。假設(shè)高海拔直流輸電線的起暈場(chǎng)強(qiáng)和交流線路的起暈場(chǎng)強(qiáng)峰值相同，計(jì)算高海拔直流輸電線路的氣壓校正系數(shù)，公式如下：

其中，δ表示直流輸電線路的氣壓校正系數(shù)；P表示相應(yīng)海拔高度對(duì)應(yīng)的規(guī)范大氣壓力值；t0表示海拔高度的溫度值。

在不同加壓方式下，電暈損耗隨著電壓的增加呈指數(shù)上升的趨勢(shì)，電暈損耗隨著單、雙級(jí)電壓的變化規(guī)律如圖2 所示。

圖2 電暈損耗隨著單、雙級(jí)電壓的變化規(guī)律

由圖2 可知，在雙級(jí)電壓模式，負(fù)極導(dǎo)線產(chǎn)生的電暈損耗高于正極導(dǎo)線，而在單級(jí)電壓模式，沒有經(jīng)過加壓的導(dǎo)線上存在一定的感應(yīng)電流。當(dāng)電壓超過800 kV 時(shí)，雙極電壓、負(fù)極導(dǎo)線和負(fù)單極電壓，負(fù)極導(dǎo)線的電暈損耗大大降低[11-12]。

計(jì)算高海拔直流輸電線路所處于的臨界場(chǎng)強(qiáng)，此場(chǎng)強(qiáng)規(guī)范了線路電壓和電流的極值，計(jì)算公式如下：

其中，m表示直流輸電線路的表面系數(shù)，規(guī)范區(qū)間為0.47～0.5；r表示直流輸電線路導(dǎo)線的半徑，單位為cm；g0表示直流輸電線路所處于的臨界場(chǎng)強(qiáng)，單位為kV∕cm[13-14]。

導(dǎo)線的對(duì)地高度對(duì)電暈也有一定的影響，不同導(dǎo)線最小對(duì)地高度隨電壓變化的規(guī)律如圖3 所示。

圖3 不同導(dǎo)線的最小對(duì)地高度隨電壓變化規(guī)律

觀察圖3 可知，隨著導(dǎo)線最小對(duì)地高度的不斷增加，電暈損耗也隨之發(fā)生變化，導(dǎo)線對(duì)地高度越低，導(dǎo)線表面的場(chǎng)強(qiáng)就越高，電暈的放電能力就越強(qiáng)。

計(jì)算高海拔直流輸電線路表面的最大場(chǎng)強(qiáng)，該因素決定了線路的最大耗損值，輔助計(jì)算公式如下：

其中，U表示直流輸電線路的對(duì)地電壓，單位為kV；h表示線路的水平高度（規(guī)定為對(duì)地最小距離H+1∕3 弧垂），單位為cm；N表示直流輸電線路分向傳輸?shù)母鶖?shù)；R表示線路導(dǎo)線所在圓的半徑，單位為cm；s表示直流輸電線路最近電路間隔的距離，單位為cm[15-16]。

通過以上公式可以計(jì)算出高海拔直流輸電線路的最大場(chǎng)強(qiáng)、臨界場(chǎng)強(qiáng)的數(shù)值，進(jìn)而計(jì)算出線路內(nèi)電壓電流運(yùn)輸?shù)臓顟B(tài)，為線路損耗檢測(cè)提供分析數(shù)據(jù)。

不同導(dǎo)線分裂間距隨雙極性電壓的變化規(guī)律如圖4 所示。

圖4 不同導(dǎo)線分裂間距隨雙極性電壓的變化規(guī)律

觀察圖4 可知，不同導(dǎo)線分裂間距雖然會(huì)對(duì)電暈損耗產(chǎn)生一定的影響，但是影響較小，這種變化不明顯。

2 直流輸電線路損耗檢測(cè)

文中采用電暈測(cè)試裝置完成電暈的預(yù)測(cè)，裝置主要由遠(yuǎn)端單元器、本地單元器以及終端計(jì)算機(jī)構(gòu)成。遠(yuǎn)端單元器通過電流信號(hào)采集方法完成高海拔直流輸電線路參數(shù)的測(cè)量，其器材包括電流采樣模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用太陽能供電，與終端計(jì)算機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)控制。本地單元器的工作輸出阻抗為50 Ω，測(cè)量線路電壓頻率范圍為150 kHz～30 MHz，頻率分辨率為1 kHz，測(cè)量誤差在4 dB 范圍內(nèi)。終端計(jì)算機(jī)的主要任務(wù)是匯總遠(yuǎn)程單元器和本地單元器測(cè)量的數(shù)據(jù)，提供準(zhǔn)確的電暈測(cè)量數(shù)據(jù)。

將電暈預(yù)測(cè)的高海拔直流輸電線路相關(guān)因素的數(shù)值代入線路電暈損耗計(jì)算公式內(nèi)，得出實(shí)時(shí)線路的損耗數(shù)值，判斷輸電線路的損耗程度，計(jì)算公式如下：

其中，M1表示直流輸電線路的傳輸距離，單位為cm；β表示直流輸電線路的誤差系數(shù)。

根據(jù)我國高海拔直流輸電線路運(yùn)行規(guī)范得出當(dāng)線路損耗值在0～200 kV 范圍內(nèi)時(shí)，屬于低級(jí)損耗程度，采用小型維修措施即可維修；當(dāng)線路損耗值在200～1 200 kV 范圍內(nèi)時(shí)，屬于中級(jí)損耗程度，運(yùn)輸?shù)膿p耗率和運(yùn)輸率持平，需要停止直流輸電線路工作，進(jìn)行維修；若線路損耗值超過1 200 kV，則屬于高級(jí)損耗，必須立即停止高海拔直流輸電線路的運(yùn)行工作，保證線路的安全，防止線路在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)連帶效應(yīng)，加速其他直流輸電線路的損耗。

根據(jù)對(duì)電暈測(cè)量裝置、高海拔直流輸電線路電壓變化規(guī)律的分析以及對(duì)直流輸電線路場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算與分析，文中綜合以上的分析成果，總結(jié)出基于電暈預(yù)測(cè)的高海拔直流輸電線路損耗檢測(cè)方法的工作流程，如下所示：

1）對(duì)需要檢測(cè)的高海拔直流輸電線路的海拔高度、濕度、風(fēng)速、電壓等其他相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，采取兩次測(cè)量數(shù)值的平均值，保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率；

2）根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算直流輸電線路所處的場(chǎng)強(qiáng)值與場(chǎng)強(qiáng)臨界值，計(jì)算結(jié)果與規(guī)定海拔高度的直流輸電線路參數(shù)相對(duì)比，提取出參數(shù)存在異常的因素，完成進(jìn)一步的分析；

3）調(diào)用電暈測(cè)量裝置重新測(cè)量異常的直流輸電線路參數(shù)變量，將電暈測(cè)量結(jié)果代入電暈預(yù)測(cè)公式內(nèi)，計(jì)算變量的有效波動(dòng)范圍，然后對(duì)比異常數(shù)據(jù)；

4）根據(jù)對(duì)比結(jié)果，計(jì)算直流輸電線路的損耗程度，并確定高海拔直流輸電線路出現(xiàn)損耗的線路區(qū)域段，將檢測(cè)結(jié)果提交到輸電線路管理中心，等待維修，完成檢測(cè)操作。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證該文研究的基于電暈預(yù)測(cè)的高海拔直流輸電線路損耗檢測(cè)方法，文中進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，因?yàn)橹绷鬏旊娋€路故障具有發(fā)展性，所以采用同樣海拔高度的兩個(gè)相同型號(hào)的直流輸電線路共同完成實(shí)驗(yàn)。設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)開始前，隨機(jī)抽取兩種檢測(cè)方法需要檢測(cè)的線路，避免出現(xiàn)偶然性，然后將兩種檢測(cè)方法錄入兩個(gè)計(jì)算機(jī)內(nèi)，同時(shí)兩個(gè)計(jì)算機(jī)會(huì)再連接兩個(gè)數(shù)據(jù)分析儀器，數(shù)據(jù)分析儀器用于實(shí)時(shí)記錄兩種檢測(cè)方法在檢測(cè)過程中的行為和相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。同一時(shí)間開始實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí)，專業(yè)直流輸電線路損耗檢測(cè)儀器也會(huì)對(duì)兩條線路進(jìn)行損耗檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果保存至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，用于對(duì)比兩種檢測(cè)方法檢測(cè)的結(jié)果，驗(yàn)證檢測(cè)方法的準(zhǔn)確度。若兩種檢測(cè)方法都提交了檢測(cè)結(jié)果，則終止實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯總，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

得到的不同導(dǎo)線的對(duì)地最低高度下測(cè)量的輸電線路損耗如圖5 所示。

圖5 不同導(dǎo)線的對(duì)地最低高度下測(cè)量的輸電線路損耗

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和對(duì)比，實(shí)驗(yàn)最終的結(jié)論是基于電暈預(yù)測(cè)的高海拔直流輸電線路損耗檢測(cè)方法比基于電力預(yù)測(cè)的高海拔直流輸電線路損耗檢測(cè)方法檢測(cè)時(shí)間短，并且檢測(cè)結(jié)果精度高。得到這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因是文中檢測(cè)出了直流輸電線路出現(xiàn)損耗的具體線路段，檢測(cè)方法的每個(gè)程序任務(wù)分明，在一定程度上減少了不必要的工序，節(jié)省了直流輸電線路損耗的檢測(cè)時(shí)間，并且采用雙重檢測(cè)方法，保證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。另外，基于電暈預(yù)測(cè)的高海拔直流輸電線路損耗檢測(cè)方法分析了各個(gè)因素與線路損耗程度的關(guān)系，根據(jù)測(cè)量的損耗值，可以快速反饋出損耗程度和出現(xiàn)損耗的線路位置段，提高檢測(cè)方法的工作效率。

4 結(jié)束語

文中首先介紹了高海拔直流輸電線路的現(xiàn)狀，然后利用電暈測(cè)量?jī)x對(duì)線路周圍的電壓、海拔、線間距、場(chǎng)強(qiáng)等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，然后分析了上述因素對(duì)高原直流輸電線路損耗的影響以及它們與線損的關(guān)系，最后總結(jié)了基于電暈測(cè)試的高原直流輸電線路線損檢測(cè)方法的工作流程可以達(dá)到該文的目的。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，文中研究的高海拔直流輸電線路損耗檢測(cè)方法是高效、準(zhǔn)確的。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，該文方法可以及時(shí)修復(fù)直流輸電線路的損耗位置，避免輸電線路的連續(xù)損耗，保證高海拔直流輸電線路的輸電效率。