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

（上海交通大學電氣工程系，上海 200030）

1 引言

我國幅員遼闊，經濟發(fā)展和資源分布極不平衡。為優(yōu)化資源配置，滿足經濟發(fā)展需要，必須發(fā)展長距離大容量的輸電線路，并實現全國聯網。高壓直流輸電中由于強電場的存在致使導線周圍空氣電離，電離產生的帶電粒子在強電場下雜散運動形成電暈電流。由電暈引起的電暈能量損耗、電暈噪聲等嚴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。國內外眾多學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。根據直流輸電線路的特點，設計電暈電流測量系統(tǒng)，實現電暈電流的安全、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，并設計了一套電暈電流測量系統(tǒng)。利用高頻數據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

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是正常的導線對地電容；C2是能使電暈電荷返回導線的那一部分電暈電容；C3將其電荷傾瀉到導線周圍空氣中永遠損失的那一部分電容；G為與電荷損失等值的泄漏電導；V0是電暈起始電壓。當空載線路電壓較低時，只存在逐漸衰減至零的導線對地電容充電電流以及極少量的絕緣子泄漏電流。當線路電壓達到并超過電暈起始電壓V0時，圖1中的2、3支路導通，出現隨電壓增大的電暈電流。因此空載特高壓直流輸電線路中，在電源和導線間串接取樣電阻R，當導線對地電容充電結束后，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，測得的數據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

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線路的電暈電流值以及數據采集卡的輸入電壓限額確定。根據在實驗室進行的模擬線路試驗條件，利用經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)采用的數據采集卡輸入電壓在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)主要由數據采集卡、測量主機、信號轉換傳輸裝置和地面控制主機等部分構成，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，為提高實驗精確性，采用的數據采集卡實時采樣頻率500MHz，重復采樣頻率1GHz，模擬帶寬可達500MHz。試驗中采樣頻率設置為50MHz，經試驗驗證可圓滿實現對電暈信號的測量。采集卡存儲深度為2M，在50MHz的取樣頻率下最大可存儲40μs時間內的信號數據量，一般電暈脈沖波形的周期在幾百ns左右，所以完全能夠實現對高頻信號的采集存儲。同時設置采集卡與測量主機內部的緩存功能在系統(tǒng)突然斷電等故障時，實現對測量信號在測量主機的內部暫存，控制主機可實現對測量主機內數據的安全離線讀取，提高了系統(tǒng)的可靠性。

測量系統(tǒng)簡易精巧，可方便架設在導線附近。數據采集卡、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測量主機以及數據采集卡的開關機控制，并能實現對測量主機、采集卡的測量參數進行修改，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。試驗導線采用直徑分別為1.33mm、4mm的光滑裸銅線。導線對地高度為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容，實際線路的電暈起始臨界電場強度各不相同，各國學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為導線的表面系數；δ為大氣校正系數（δ=0.386P/（273+t），P為大氣壓力，毫米水銀柱高；t為溫度，℃）；r為導線的半徑，cm。相應的導線電壓計算公式如下

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

利用經驗公式對試驗導線進行計算，直徑為1.33mm和4mm的導線起暈電壓分別為38.9kV和72.8kV。由于導線表面并非絕對光滑，所以在線路電壓達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的導線當施加電壓達到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，與現有電暈脈沖上升時間為幾十ns的研究結論相符。

圖3 直徑1.33mm導線起暈波形

對直徑為4mm的導線施加正極性的直流高壓，當電壓增至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,這是由于粗導線表面曲率降低所致[5]。對不同導線進行多次試驗，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，均為當導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，線路開始出現局部起暈，試驗結果與理論值之間存在一致性。

圖4 直徑4mm導線起暈波形

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的導線，施加150kV電壓時的電暈電流波形。

圖5 直徑1.33mm導線93kV電暈電流波形

圖 6 直徑1.33mm導線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]，實際線路運行經驗表明，線路的電暈電流與線路電壓基本滿足關系式（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跟導線電壓與線路起暈電壓差值乘積U (U-U0)的關系對比。對表1中數據進行分析可知，兩者基本符合公式4的變化關系，如圖7所示。

表1 電暈電流跟導線電壓與導線起暈電壓差值關系(U0=37kV)

圖7 電暈電流跟導線電壓關系圖

4 結論

本文基于取樣電阻法，設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，測量結果與現有的經驗公式計算結果基本相符，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，能有效實現特高壓輸電線路電暈的地面可靠測量，具有較好的應用前景。

[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.

[2] J.G.安德生.345千伏及以上超高壓輸電線路[M].北京:電力工業(yè)出版社,1981: 195-199

[3] 嚴璋,朱德恒等.高電壓絕緣技術[M].北京:中國電力出版社,2007: 68-69.

[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)設計與實現[J].高電壓技術,2008,34(9): 1797-1801.

[5] I.A.Metwally.Factors Affecting Corona on Two-point Gaps under dc and ac HV[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol.3 No.4 August 1996.

[6] 李澍森,陳曉燕.試驗線段電暈測量技術及結果[J].高電壓技術,2006,32(12):33-39.

[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術期刊電子雜志出版社.