不同海拔高度交流電暈電流脈沖特性實驗研究

劉永聰,何旺齡, 2,劉興發(fā),何澤宇,藍磊,魯海亮

(1.武漢大學 電氣與自動化學院,武漢 430072; 2.華北電力大學 電力工程系,河北 保定 071003; 3.電網環(huán)境保護國家重點實驗室,武漢 430000)

0 引 言

我國地域遼闊,建設以特高壓為骨干網架的堅強電網,可以實現(xiàn)跨區(qū)域、遠距離、大功率的電能輸送,這是我國國情與電力行業(yè)發(fā)展的必然選擇。因此我國高壓交流輸電線路運行環(huán)境與國外大多數(shù)地區(qū)相比情況更加復雜,高海拔跨越問題便是我國交流輸電技術面臨的關鍵問題之一[1-2]。相對于平原來說,高海拔地區(qū)輸電線路電暈效應問題更為嚴重[3]。

當海拔高度升高時,大氣壓強降低,空氣密度減小,電子平均自由程增加,使得電子碰撞前所積累的能量增大,有效碰撞電離更容易發(fā)生,電暈放電現(xiàn)象更加劇烈,引發(fā)的電磁環(huán)境問題也更加嚴重[1,4-7]。高海拔條件下交流輸電線路的電磁環(huán)境水平,已成為高海拔地區(qū)導線選型和線路結構設計的關鍵制約因素。因此有必要對電暈放電特性隨海拔高度的變化規(guī)律開展更深入的研究,進一步明確海拔高度對電暈放電現(xiàn)象的影響機理。

近年來,針對高海拔電暈放電及電磁環(huán)境問題,國內學者開展了大量研究工作[8-9]。2007年,文獻[10]首次計算分析了高海拔條件下1 000 kV交流輸電線路的起暈電壓和電暈損耗。2009年,文獻[11]利用人工氣候室研究了氣壓對導線直流電暈特性的影響,對電暈效應隨氣壓的變化規(guī)律進行了定性的分析。同年,文獻[12-13]在四個海拔高度獲得了四種型號導線的交流起暈電壓值,并提出了起暈電壓的海拔校正公式。同年,唐劍等開展了交流電暈無線電干擾試驗研究,得到了海拔高度對無線電干擾的影響特性[1]。2014年,文獻[14]提出了更準確的高海拔地區(qū)交流導線起暈電壓的海拔校正公式。2017年,文獻[7]通過5個海拔高度點的實測數(shù)據(jù)擬合,提出了新的無線電干擾海拔高度修正系數(shù)。2018年文獻[15]利用西寧市(2 200 m)的特高壓電暈籠,獲得了實際導線的電暈損失數(shù)據(jù)。

目前,低海拔地區(qū)導線電暈帶來的電磁環(huán)境問題基本得以解決,而國外少有高海拔大跨越輸電需求,因此對高海拔地區(qū)電暈效應研究較少[16]。上述國內現(xiàn)有研究大多針對高海拔地區(qū)真型導線電暈效應的外部特性,如起暈電壓、電暈損耗、無線電干擾等數(shù)值進行計算分析、試驗測量,提出針對特定型式導線的海拔修正方法。有必要從電流放電脈沖角度開展研究,進一步分析海拔高度對電暈特性的影響機理,為更加精細化、差異化地預測不同海拔高度下的電暈效應水平提供依據(jù),提升高海拔地區(qū)特高壓交流輸電的經濟性、可靠性和環(huán)保性。

文章利用可移動式小電暈籠及高頻電流高電位采集系統(tǒng),對5個海拔點的交流電暈電流脈沖數(shù)據(jù)、無線電干擾及可聽噪聲水平進行了實驗測量,分析了海拔高度對電暈電流脈沖特性的影響,以及不同海拔高度下電暈電流脈沖同無線電干擾、可聽噪聲水平之間的關聯(lián)關系,從而獲得了海拔高度對交流電暈特性的影響規(guī)律。文章主要結論可為我國高海拔地區(qū)交流輸電線路的設計及電磁環(huán)境水平預測工作提供一定的技術支撐。

1 可移動式小電暈籠實驗

1.1 小電暈籠實驗裝置

文章利用可移動式小電暈籠及高頻電流測量系統(tǒng),在不同海拔高度下進行電暈放電實驗。小電暈籠具有投資小、實驗條件可控、結構調整方便、試驗周期短等優(yōu)勢[11-12]。小電暈籠主要用于電暈放電相關的基礎研究,通過設計合理的結構,電暈籠中細導線表面場強可以達到實際輸電線路表面場強水平,用來模擬實際導線的電暈過程。

文章實驗裝置的各個部分均為可拆卸設計,以便用車輛運輸至不同海拔高度點進行實驗。在各海拔高度點對實驗系統(tǒng)進行現(xiàn)場組裝,實驗布置如圖1所示,其中,電暈籠的尺寸為直徑0.4 m,長度1 m。

圖1 實驗布置圖

處于電暈籠外部的導線,其終端會發(fā)生端部效應,使得導線終端的表面場強發(fā)生畸變,畸變處導線表面電場較大,電暈放電強烈,從而影響整個實驗系統(tǒng)測量的準確性。因此實驗中采用了在導線終端接入均壓環(huán)的方法抑制端部效應。

1.2 測量系統(tǒng)與實驗方法

文章實驗所使用的高頻電流高電位采集系統(tǒng),通過光纖傳輸測量信號實現(xiàn)高、低電位之間的電氣隔離,保證測量人員的安全。實驗電路圖如圖2所示。

圖2 實驗電路圖

為了準確測量交流電暈放電脈沖,電流傳感器采用多個無感電阻同軸并聯(lián)的方式,減小雜散電感的影響,提高電流傳感器的上限帶寬,電流傳感器總阻值為400 Ω。測量裝置利用高速采集卡采集導線的放電電流數(shù)據(jù)。電暈高頻電流采集系統(tǒng)需分辨出最小上升沿小于10 ns的脈沖,單次采集數(shù)據(jù)應存儲至少一個交流周期。因此,系統(tǒng)高速采集卡選用模塊化示波器,帶寬200 MHz,單通道采用頻率為500 MSa/s,最小采樣間隔為2 ns,存儲深度為16 Mpts,單次可存儲數(shù)據(jù)時長為0.032 s。

電暈放電是由導線表面較高的電場強度所導致,而電場強度可以通過施加電壓來調節(jié)。文章實驗導線選擇為1 mm光滑細銅絲,施加交流電壓有效值為：15 kV、20 kV、25 kV、30 kV和35 kV。在不同海拔高度、不同施加電壓條件下,進行高頻電暈電流、無線電干擾水平及可聽噪聲水平數(shù)據(jù)采集。

1.3 實驗場地與測量條件

文章實驗在湖北武漢、青海西寧、青海共和、西藏拉薩、西藏羊八井,海拔高度分別為20 m、 2 260 m、 2 840 m、3 660 m、4 320 m等五個測量點進行,重點獲取高海拔地區(qū)的交流電暈特性。所有實驗選擇在室內場地進行,要求實驗場所空間足夠且周邊環(huán)境安靜,以盡量減小環(huán)境噪聲對試驗測量的影響。測量環(huán)境相對濕度維持在40%～60%,環(huán)境溫度維持在20 ℃～30 ℃。

實驗時將小電暈籠接地,對實驗導線施加不同有效值的交流電壓進行測量。通電后緩慢升壓,通過電暈電流脈沖信號及紫外成像儀觀測,判斷導線表面的電暈放電狀態(tài)。在導線起暈后,每隔5 kV同步記錄1組數(shù)據(jù),包括電暈電流脈沖信號、無線電干擾水平以及可聽噪聲水平。海拔高度較高時(3 000 m以上),導線施加電壓達到30 kV以上,實驗設備有擊穿的風險,因此測量數(shù)據(jù)記錄到30 kV為止。

2 不同海拔高度下電暈電流脈沖的測量結果及分析

2.1 電流脈沖數(shù)據(jù)處理方法

文章采集了不同海拔高度下電暈電流脈沖波形數(shù)據(jù),采樣間隔為4×10-9s,單次采樣點數(shù)為1.25×107,波形時長為0.05 s。讀取實驗采集的數(shù)據(jù)后,對波形進行濾波處理,濾除測量系統(tǒng)噪聲及交流基波信號。繪制電暈電流脈沖波形圖,并統(tǒng)計分析不同海拔高度下電暈電流脈沖的特征參數(shù)。

導線施加電壓為30 kV時,不同海拔高度下一個交流周期(0.02 s)內的電暈電流脈沖典型波形圖如圖3所示。

圖3 不同海拔高度下電暈電流脈沖波形圖

從圖3可以看出,隨著海拔高度的增大,交流正、負半周的電暈電流脈沖數(shù)量和幅值都有明顯的增大。由于電暈籠中不均勻電場的極性效應,在相同施加電壓與環(huán)境條件下,正極性比負極性起暈電壓高,因此更容易觀測到負極性電暈。同時由于正極性擊穿電壓較低,為了保證試驗的安全性,不宜對導線施加過高的電壓,因此測量到的正半周脈沖數(shù)量不多,但總體趨勢和規(guī)律仍然可以從圖3中直觀地看出。

在每組脈沖波形數(shù)據(jù)中,均選取一個完整的正弦波周期(0.02 s)數(shù)據(jù)作為樣本進行統(tǒng)計分析。脈沖幅值、單位時間的脈沖數(shù)量、幅值概率密度、間隔時間概率密度等是電暈電流脈沖的重要表征參數(shù)[17],與電暈效應密切相關,下面分別對它們進行統(tǒng)計分析。由于正、負極性電暈電流脈沖的特征參數(shù)、變化規(guī)律均不一致[18],在文章實驗條件下測得的正極性脈沖數(shù)量較少,統(tǒng)計分析難以得出有效的規(guī)律性結論,因此后文主要對測量數(shù)據(jù)中交流負半周的負極性電暈電流脈沖特性進行統(tǒng)計分析。

2.2 電暈電流脈沖幅值及數(shù)量特征

文章實驗對每個海拔高度及每個導線施加電壓條件單獨測量10次,即每個數(shù)據(jù)點對應10個樣本,而后對不同海拔高度下電暈電流脈沖的幅值、數(shù)量及時間間隔等特征參數(shù)進行統(tǒng)計,總結分析海拔高度對交流電暈電流脈沖特性的影響規(guī)律。

在不同導線施加電壓下,交流負半周電暈電流脈沖幅值平均值和單個周期脈沖數(shù)量隨著海拔高度的變化曲線,如圖4和圖5所示。

圖4 不同海拔高度下電暈電流脈沖幅值

圖5 不同海拔高度下電暈電流脈沖數(shù)量

由圖4和圖5可以看出,海拔高度20 m施加20 kV電壓時的電流脈沖幅值的樣本方差很大,應為實驗時設備調試問題導致的異常數(shù)據(jù),剔除此數(shù)據(jù)后,電暈電流脈沖幅值和數(shù)量均隨著海拔高度的增大而增大。在電暈放電理論的流體動力學模型中,影響電暈放電的主要參數(shù)湯森電離系數(shù)和吸附系數(shù)均與相對空氣密度有關[19],海拔高度的增大會使氣壓p降低,相對空氣密度d減小,電離系數(shù)a和吸附系數(shù)h增大,導致電暈放電脈沖形成和發(fā)展過程中的正離子、電子和負離子等微觀粒子遷移的速度加快,宏觀表現(xiàn)即為電暈脈沖的幅值和數(shù)量增加,時間間隔減小。

導線施加電壓越高,連線斜率越大,說明電暈電流脈沖幅值和數(shù)量隨海拔高度增加的幅度越大,這是因為導線施加電壓的增大也有利于電暈的發(fā)生,從而使海拔高度的影響更為顯著。另外,脈沖幅值在海拔高度3 000 m以下增幅較小,在3 000 m以上迅速增大,該現(xiàn)象在后文脈沖幅值概率分布特性分析中進行了解釋,而脈沖數(shù)量隨海拔高度的增加均勻增大。

2.3 電暈電流脈沖統(tǒng)計特性分析

為研究海拔高度的影響,取導線施加電壓為30 kV時的數(shù)據(jù),對不同海拔高度下的交流負半周電暈電流脈沖的幅值和脈沖時間間隔進行統(tǒng)計分析,繪制不同海拔高度下脈沖幅值和間隔時間的概率分布直方圖如圖6和圖7所示。

圖6 電暈電流脈沖幅值概率分布直方圖

圖7 電暈電流脈沖間隔時間概率分布直方圖

由圖6,電暈電流脈沖幅值概率分布與對數(shù)正態(tài)分布的密度曲線較為一致,海拔高度的增加使脈沖幅值的均值和最大值增大,同時使脈沖幅值概率分布更加分散,隨機性增大。當海拔高度較低時(≤2 840 m),海拔高度的變化對于負半周電暈電流脈沖幅值概率分布的影響較小,脈沖幅值大多分布在1 mA～2 mA范圍內;而當海拔高度≥3 660 m時,脈沖幅值出現(xiàn)了較大的部分,在2 mA～3 mA范圍內出現(xiàn)了第二個概率分布峰,且隨著海拔高度的繼續(xù)增大,高幅值范圍放電脈沖占比顯著增加。這標志著,在高海拔條件下電暈放電出現(xiàn)了新的放電脈沖形態(tài)。這一部分幅值較大的脈沖,可能是導致高海拔地區(qū)無線電干擾和可聽噪聲等電暈效應進一步增強的原因。

由圖7可知,電暈電流脈沖間隔時間分布呈現(xiàn)左高右低、指數(shù)衰減的趨勢,與指數(shù)分布的密度曲線較為一致。在海拔高度20 m時,電暈電流脈沖的時間間隔最大值超過200 ms,分布的隨機性很大。隨著海拔高度的增大,當海拔高度達到2 840 m時,脈沖時間間隔的最大值減小至了80 ms左右,并且概率分布的隨機性減小,分布更為集中。隨著海拔高度增大,電暈電流脈沖間隔時間減小,分布的隨機性也明顯減小。

2.4 海拔高度與電暈電流脈沖有效值的關系

文章研究發(fā)現(xiàn),電暈電流有效值包含了導線施加電壓、交流電暈電流脈沖幅值、數(shù)量等信息,采用電暈電流有效值作為特征量可以更全面準確地表征電暈電流脈沖與電暈效應之間的關系。因此將電暈電流有效值作為中間變量,進一步研究海拔高度對交流線路電暈效應的影響。

對電暈電流脈沖數(shù)據(jù)進行處理,計算交流一個周期內的電暈電流有效值IRMS(均方根值),結果如表1所示。

表1 交流一個周期內電暈電流有效值(單位：mA)

(1)

式中IRMS為電暈電流有效值,單位mA;T為一個交流周期0.02 s,單位s。

表1的每一列為在同一海拔高度,不同導線施加電壓下的電暈電流有效值數(shù)據(jù)。作圖可以得到在各個海拔高度下,電暈電流有效值均隨導線施加電壓的增大而增大,且電暈電流有效值與施加電壓呈線性增長關系。對二者進行線性擬合,結果如圖8所示。

圖8 不同海拔高度下電暈電流有效值與施加電壓的線性擬合

經統(tǒng)計分析得到,該線性擬合曲線簇的斜率k,截距b均為海拔高度h的函數(shù)。

I=k(h)U-b(h)

(2)

式中I為電暈電流有效值,單位μA;U為導線施加電壓,單位V。

對線性擬合曲線簇參數(shù)k、b與海拔高度h的關系曲線進行擬合,如圖9所示。

圖9 參數(shù)k、b與海拔高度h的三次函數(shù)關系

得到兩者呈三次函數(shù)關系。

(3)

式中h為海拔高度,單位km。

至此,文章得到了電暈電流脈沖有效值隨海拔高度的變化關系。為了進一步獲得海拔高度對交流電暈效應的影響機制,下文對不同海拔高度下電暈電流脈沖有效值與無線電干擾和可聽噪聲水平的關系進行研究。

3 電暈電流脈沖與無線電干擾和可聽噪聲的關聯(lián)關系

3.1 電流脈沖與無線電干擾的關系

以電暈電流有效值和0.5 MHz無線電干擾水平為特征量,分析不同海拔高度下電暈電流脈沖與無線電干擾水平的關系。不同海拔高度下,無線電干擾水平與電暈電流脈沖有效值的關系,如圖10所示。在各個海拔高度下,無線電干擾水平均隨電暈電流的增大而增大,且總體呈現(xiàn)對數(shù)增長關系。

圖10 無線電干擾水平與電暈電流有效值的關系

圖10中,在各個海拔高度下,無線電干擾水平隨電暈電流的增長趨勢均一致,且不同海拔高度數(shù)據(jù)雜亂分布,連線相互交叉,海拔高度對二者之間的關聯(lián)關系并無顯著影響。進一步對無線電干擾水平與電暈電流有效值進行函數(shù)擬合,從而定量分析兩者的關系。

文章利用多種函數(shù)模型,對無線電干擾水平與電暈電流有效值的關系曲線進行擬合,根據(jù)擬合效果評價指標最終選擇對數(shù)函數(shù)模型作為最優(yōu)擬合,結果如圖11和表2所示。

表2 無線電干擾水平與電暈電流有效值函數(shù)擬合結果

圖11 無線電干擾水平與電暈電流有效值的擬合曲線

f(x)=a+blnx(x>0)

(4)

表2中,a、b分別為函數(shù)模型最優(yōu)擬合曲線的參數(shù)值;RMSE為擬合標準差,值越接近0,表明模型對數(shù)據(jù)擬合的越好;R-square為確定系數(shù),取值范圍為[0,1],值越接近1,表明方程的自變量對y的解釋能力越強。

綜上所述,可以得到電暈電流脈沖與無線電干擾水平的函數(shù)關系,即無線電干擾水平V(dB)與電暈電流有效值I(μA)大致呈對數(shù)增長關系：

V=17.35+8.02ln(I) (I>0)

(5)

將式(2)和式(3)代入式(5),即可得到無線電干擾水平隨海拔高度的變化關系。

3.2 不同海拔高度下電流脈沖與可聽噪聲的關系

以電暈電流有效值和A聲級可聽噪聲水平為特征量,分析不同海拔高度下電暈電流脈沖與可聽噪聲水平的關系。不同海拔高度下,無線電干擾水平與電暈電流脈沖有效值的關系,如圖12所示。在各個海拔高度下,無線電干擾水平均隨電暈電流有效值的增大而增大,且均呈現(xiàn)對數(shù)增長關系。

圖12 可聽噪聲水平與電暈電流有效值的關系

觀察二者關系曲線的主要部分,在不同海拔高度下,可聽噪聲水平隨電暈電流有效值的增長趨勢均一致,但隨著海拔高度的增大,關系曲線逐漸旋轉并右移。

電暈放電過程中,電子和離子與空氣分子發(fā)生非彈性碰撞,將能量傳遞給空氣分子,引起空氣分子的振動,產生脈沖聲波。空間可聽噪聲就是脈沖聲波通過空氣分子振動傳播的結果[20]。因此,海拔高度升高,空氣的相對密度減小,影響了可聽噪聲的傳播過程,導致可聽噪聲水平與電暈電流脈沖的關聯(lián)關系隨海拔高度改變。而無線電干擾為一種電磁波信號,其傳播不受空氣相對密度變化的影響,因此各海拔高度下無線電干擾水平與電暈電流脈沖的關聯(lián)關系一致。

分別對不同海拔高度下可聽噪聲水平與電暈電流有效值進行函數(shù)擬合,從而定量分析兩者的關系以及海拔高度的影響。根據(jù)圖12中各海拔高度數(shù)據(jù)點的分布及連線趨勢,選擇對數(shù)函數(shù)模型對數(shù)據(jù)進行擬合,結果如表3和圖13所示。

表3 不同海拔高度下可聽噪聲水平與電暈電流有效值函數(shù)擬合結果

圖13 可聽噪聲水平與電暈電流有效值的擬合曲線

為了揭示海拔高度對可聽噪聲水平與電暈電流有效值關系的影響,首先對全部數(shù)據(jù)點進行擬合,然后采用保持函數(shù)模型參數(shù)a、b中的一個不變,來分別擬合不同海拔高度下另一個參數(shù)的方式,揭示關聯(lián)函數(shù)的參數(shù)隨海拔高度的變化情況,如表4所示。

表4 可聽噪聲水平與電暈電流有效值對數(shù)函數(shù)擬合結果

根據(jù)表4中擬合結果,可以看到單獨對a、b進行擬合時,隨著海拔高度的提升,a、b的值均呈現(xiàn)減小趨勢,相應對數(shù)關系曲線逐漸旋轉并右移。如圖13所示,隨著海拔高度的提升,對數(shù)關系曲線逐漸旋轉并右移,與對數(shù)據(jù)初步分析的結果一致。

綜上所述,可以得到電暈電流脈沖與可聽噪聲水平的函數(shù)關系,即可聽噪聲水平A(dB)與電暈電流有效值I(μA)大致呈對數(shù)增長關系：

A=29.88+5.347ln(I) (I>0)

(6)

海拔高度對二者關系的影響為,隨著海拔高度的升高,對數(shù)函數(shù)關系的系數(shù)a、b會逐漸減小,關系曲線逐漸旋轉并右移。

將式(2)和式(3)代入式(6),即可得到可聽噪聲水平隨海拔高度的變化關系。

4 結束語

文章利用可移動式小電暈籠裝置在5個海拔高度點進行了交流電暈特性實驗,對不同海拔高度下電暈電流脈沖、無線電干擾與可聽噪聲數(shù)據(jù)進行了采集。在文章實驗條件下,通過對采集數(shù)據(jù)的分析,得到如下結論：

(1)隨著海拔高度升高,交流電暈電流脈沖的幅值平均值增大,同時幅值的概率密度分布逐漸分散,隨機性增大。在海拔高度大于3 000 m時,幅值概率分布在較大的2 mA～3 mA范圍出現(xiàn)了第二個峰,導致脈沖幅值平均值在3 000 m以上迅速增大;

(2)隨著海拔高度升高,一個周期內交流電暈電流脈沖的數(shù)量增加,相鄰脈沖之間的時間間隔減小,且時間間隔的概率分布逐漸集中,隨機性減小,脈沖形成時間變得更加規(guī)律、均勻;

(3)采用電暈電流有效值作為特征量可以更全面準確地表征電暈電流脈沖與電暈效應之間的關系。電暈電流有效值與導線施加電壓呈線性函數(shù)關系,該線性函數(shù)的斜率k、截距b為海拔高度h的三次函數(shù);

(4)在不同海拔高度下,無線電干擾水平均隨電暈電流的增大而增大,且無線電干擾水平與電暈電流有效值呈對數(shù)增長關系。不同海拔高度下二者的增長關系特性沒有明顯區(qū)別;

(5)在不同海拔高度下,可聽噪聲水平均隨電暈電流的增大而增大,可聽噪聲水平與電暈電流有效值呈f(x)=a+bln(x)形式的對數(shù)增長關系。且隨著海拔高度的增大二者函數(shù)關系的系數(shù)a、b的值逐漸減小,相應關系曲線逐漸旋轉并右移。