直流電暈電流時域脈沖特性的統(tǒng)計分析

何金良，徐鵬飛

(清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京市 100086)

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直流電暈電流時域脈沖特性的統(tǒng)計分析

何金良，徐鵬飛

(清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京市 100086)

為了研究直流正負(fù)電暈電流時域脈沖的特性，基于實驗室開發(fā)的高頻電暈電流高壓端測量系統(tǒng)，開展了不同條件下直流正負(fù)電暈的線板放電實驗。基于大量實驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計、對比了正、負(fù)極性電暈脈沖的幅值、上升時間、半波時間和重復(fù)頻率等特征參數(shù)隨導(dǎo)線電壓及導(dǎo)線半徑變化的規(guī)律。實驗結(jié)果表明：導(dǎo)線電壓對單個正、負(fù)脈沖波形的影響較小，主要影響脈沖的重復(fù)頻率；負(fù)脈沖的上升時間平均值為20～30 ns，半波時間的平均值為90～110 ns；正脈沖的上升時間平均值為40～50 ns，半波時間的平均值為140～160 ns；隨著導(dǎo)線電壓的升高，正、負(fù)脈沖重復(fù)頻率均迅速增大，但相同電壓下，正脈沖的重復(fù)頻率顯著小于負(fù)脈沖的重復(fù)頻率，負(fù)脈沖重復(fù)頻率約為正脈沖的15～25倍。

電暈；電流脈沖；時域特性；統(tǒng)計規(guī)律；線板電極

0 引 言

我國的大型負(fù)荷中心與能源基地東西分離，這種供求狀態(tài)決定了采用特高壓直流輸電線路來實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量的電能傳輸意義重大[1-2]。

當(dāng)導(dǎo)線所加電壓的升高以至于導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度超過起暈場強(qiáng)時，導(dǎo)線周圍的氣體分子產(chǎn)生電離，分解為帶正電荷的離子與帶負(fù)電荷的電子。若導(dǎo)線表面場強(qiáng)進(jìn)一步增大，則出現(xiàn)“電子雪崩”現(xiàn)象，進(jìn)而形成穩(wěn)定自持的電暈放電。電暈放電會產(chǎn)生電暈損失、無線電干擾、可聽噪聲等效應(yīng)，影響輸電線路的運(yùn)行以及周圍環(huán)境[3-4]。電暈受導(dǎo)線表面的電場強(qiáng)度大小影響，在電壓等級越高的輸電線路中，電暈效應(yīng)會越明顯，在特高壓輸電線路中，電暈效應(yīng)成為決定導(dǎo)線選型的關(guān)鍵因素[5-10]。

早在1938年，Trichel[11]通過實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)在大曲率電極上加負(fù)極性電壓時，電場達(dá)到一定強(qiáng)度之后能夠檢測到十分規(guī)律的脈沖形式的電暈電流。這一電流由一系列上升時間和持續(xù)時間很短的脈沖組成，每個脈沖之間有一段較長的間隔時間，在此間隔內(nèi)放電中止，電流很小。這一種特殊的負(fù)極性電暈放電形式被稱為Trichel脈沖。Trinh和Jordan[12]通過實驗的方法總結(jié)了不同極性和不同外加電壓下電暈放電的存在形式，其中負(fù)電暈存在特里切爾脈沖、輝光放電、負(fù)極性流注等電暈放電階段；正電暈存在起始流注、輝光放電、擊穿流注等電暈放電階段。近年來，越來越多的研究人員開始關(guān)注不同條件下的電暈電流特性。王清亮[13]研究了空氣濕度對導(dǎo)線電暈起始電壓的影響。蔣興良[14]發(fā)現(xiàn)霧水電導(dǎo)率對交流輸電線路導(dǎo)線電暈的產(chǎn)生存在顯著影響。劉云鵬[15]研究了風(fēng)沙對于導(dǎo)線電暈特性的影響。律方成[16]研究了海拔高度對于交流輸電線路導(dǎo)線起始電暈特性的影響。

雖然前人對于電暈電流的特性已做過大量研究，但是關(guān)于正、負(fù)電暈脈沖的時域波形以及波形的統(tǒng)計規(guī)律的研究仍非常少見。本文以高頻電暈電流高壓端測量系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用數(shù)值處理的方法消除了測量回路波過程的影響，對正、負(fù)極性直流電暈產(chǎn)生的高頻電暈電流進(jìn)行測量分析?；诖罅康膶嶒灁?shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了正、負(fù)極性電暈脈沖的幅值，上升時間，半波時間和重復(fù)頻率等特征參數(shù)的變化規(guī)律。

1 電暈電流高壓端測量平臺

高頻電暈電流高壓端測量系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1[17-19]所示。

圖1 高頻電暈電流高壓端測量系統(tǒng)

電流測量系統(tǒng)安裝在高壓直流電源和放電導(dǎo)線之間，導(dǎo)線上的電暈放電電流通過測量系統(tǒng)流回電源，因而該系統(tǒng)可以測量獲得導(dǎo)線上的電暈電流脈沖。測量系統(tǒng)以雙通道高速數(shù)據(jù)采集卡為基礎(chǔ)，電暈電流信號采用采樣電阻和羅氏線圈這2種方式進(jìn)行測量。采樣電阻采用無感電阻，在0～50 MHz頻率范圍擁有良好的阻抗特性。羅氏線圈測量頻率范圍為0.1～100 MHz。采集卡獲取電流信號后，電光轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，光纖將光信號傳遞到低壓側(cè)，實現(xiàn)測量的電氣隔離。在測量系統(tǒng)的低壓側(cè)，光電轉(zhuǎn)換器將光信號重新轉(zhuǎn)換為電信號，用電腦記錄測量數(shù)據(jù)。為了保護(hù)測量系統(tǒng)本身不會產(chǎn)生放電，高壓側(cè)部件均安裝在法拉第籠中。

由于電暈放電主要取決于施加到導(dǎo)線上的電壓，而整個測量系統(tǒng)上的電壓降相對于高壓直流電源的電壓而言可以忽略，因此測量系統(tǒng)對導(dǎo)線放電本身基本無影響。

2 電暈電流特征及統(tǒng)計分布特性

在電暈電流的測量過程中，測量回路的引線往往為1～2 m。測量較低頻率的信號時可將測量回路視為集中參數(shù)電路，測量回路中的波過程基本可以忽略。然而在測量電暈電流時，由于電流的頻率非常高，測量回路不再能夠被視為是集中參數(shù)電路，波過程對測量結(jié)果將產(chǎn)生影響。本文中對測量結(jié)果進(jìn)行修正，消除波過程的影響，具體方法參見文獻(xiàn)[20]。

2.1 負(fù)極性電暈電流特征及統(tǒng)計分布特性

實驗中，負(fù)極性電壓由1臺整流高壓直流電源提供，其電壓范圍為-100～0 kV，連續(xù)可調(diào)。選用半徑分別為0.4、0.6和0.8 mm的縮尺實驗導(dǎo)線。采用前述測量系統(tǒng)對負(fù)極性電暈電流進(jìn)行測量與統(tǒng)計，分析導(dǎo)線電壓和導(dǎo)線半徑對電暈電流的影響。

2.1.1 導(dǎo)線電壓對負(fù)電暈電流的影響

選取導(dǎo)線半徑r=0.4 mm，對地高度h=40 cm，導(dǎo)線長度l=1 m，每個電壓等級下，共測量20組電流信號。導(dǎo)線施加電壓分別為-30、-34和-38 kV時，測量得到的典型負(fù)電暈電流脈沖波形如圖2所示。隨著導(dǎo)線電壓的升高，電暈脈沖的幅值有增大的趨勢，但變化范圍較??；脈沖重復(fù)頻率顯著增大，說明導(dǎo)線電壓主要影響了脈沖電流的重復(fù)頻率。

對各電壓下20組電流信號中的所有電流脈沖的特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖3所示。圖中實線為各電壓下所有脈沖的特征參數(shù)的統(tǒng)計平均值，并通過誤差棒的方式給出了測量中的最大值和最小值。對于脈沖幅值，將負(fù)峰值轉(zhuǎn)換為正值，如圖3(a)所示，隨著導(dǎo)線電壓的升高，電流脈沖幅值有增大的趨勢，但幅值平均值的變化范圍較小，在1～2 mA內(nèi)。由于采集卡采樣頻率的限制，采樣數(shù)據(jù)的最小時間間隔為5 ns，可通過大量測試來求取電流脈沖上升時間的平均值及其范圍。由圖3(b)可見，隨著導(dǎo)線電壓的升高，負(fù)電暈脈沖的上升時間基本保持不變，其平均值為20～30 ns。由圖3(c)可見，負(fù)電暈脈沖的半波時間隨電壓的變化也很小，其平均值為90～110 ns。由圖3 (d)可見，隨著導(dǎo)線電壓的升高，脈沖重復(fù)頻率迅速增大。統(tǒng)計結(jié)果表明，導(dǎo)線電壓對單個負(fù)脈沖波形的影響較小，主要影響脈沖的重復(fù)頻率。

圖2 導(dǎo)線電壓對負(fù)極性電暈電流的影響

為了進(jìn)一步分析負(fù)極性電暈電流特征參數(shù)的隨機(jī)分布規(guī)律，需要對各參數(shù)的概率密度分布進(jìn)行統(tǒng)計。由于電暈脈沖的上升時間和半波時間隨電壓變化不顯著，這2個參數(shù)不再分析。電暈脈沖之間的間隔時間也具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，因而需要統(tǒng)計間隔時間的概率密度分布。

不同電壓下，負(fù)極性脈沖幅值和間隔時間的概率密度分布如圖4所示。由圖4(a)可見，脈沖幅值的概率密度分布基本符合正態(tài)分布或者對數(shù)正態(tài)分布。實際上，脈沖幅值的概率密度分布并不完全對稱，采用對數(shù)正態(tài)分布來分析脈沖幅值更為合理。隨著導(dǎo)線電壓的增加，脈沖幅值概率分布有向右平移的趨勢，但并不顯著。在后續(xù)研究中，可以采用對數(shù)正態(tài)分布來分析負(fù)極性脈沖幅值的隨機(jī)性。由圖4(b)可見，脈沖間隔時間呈指數(shù)分布規(guī)律，隨著導(dǎo)線電壓的增加，脈沖間隔時間顯著減小。

2.1.2 導(dǎo)線半徑對負(fù)電暈電流的影響

選取半徑r分別為0.4、0.6和0.8 mm的導(dǎo)線，對地高度h=40 cm，長度l=1 m，通過實驗分析導(dǎo)線半徑對負(fù)極性電暈放電的影響規(guī)律。

圖3 導(dǎo)線電壓對負(fù)電暈電流脈沖特征參數(shù)的影響

為了對不同半徑導(dǎo)線的電暈放電進(jìn)行比較，需要將外加電壓轉(zhuǎn)換為導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度。線板結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線表面標(biāo)稱電場可以采用下式近似計算：

圖4 負(fù)電暈脈沖幅值與間隔時間的概率密度

(1)

式中E為導(dǎo)線表面標(biāo)稱電場，不考慮空間電荷的影響。為了提高計算的準(zhǔn)確度，還可以采用模擬電荷法來計算導(dǎo)線表面的標(biāo)稱電場。

以相同導(dǎo)線表面標(biāo)稱電場作為對比基準(zhǔn)，將不同半徑導(dǎo)線的電暈放電電流波形的特征參數(shù)進(jìn)行比較。不同導(dǎo)線半徑情況下，負(fù)極性電暈電流特征參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可見，在相同導(dǎo)線表面標(biāo)稱電場前提下，隨著導(dǎo)線半徑的增大，電暈電流幅值絕對值有增大的趨勢，且幅值的最大值會明顯增加，這是因為半徑大的導(dǎo)線表面更可能出現(xiàn)局部的強(qiáng)放電點，但是幅值的平均值變化不明顯，為1～2 mA。由圖5(b)和(c)可見，導(dǎo)線半徑變化對單個負(fù)脈沖的上升時間和半波時間影響不顯著，負(fù)脈沖的上升時間約為30 ns，半波時間約為100 ns。由圖5(d)可見，導(dǎo)線半徑增加會使得脈沖重復(fù)頻率顯著增大，這是因為在相同的導(dǎo)線表面電場條件下，半徑大的導(dǎo)線表面存在更多的放電點，多個放電點的電流脈沖疊加，使得脈沖重復(fù)頻率增加。因此，在在相同電壓條件下，如果增大導(dǎo)線半徑，會降低導(dǎo)線表面電場，會使得脈沖重復(fù)頻率減小。

圖5 導(dǎo)線半徑對負(fù)電暈脈沖特征參數(shù)的影響

2.2 正極性電暈電流特征及統(tǒng)計分布特性

正極性高壓直流電源的電壓變化范圍為0～100 kV，連續(xù)可調(diào)。選用與負(fù)極性電壓實驗中相同的導(dǎo)線，對正極性電暈電流進(jìn)行測量與統(tǒng)計。

2.2.1 導(dǎo)線電壓對正電暈電流的影響

與負(fù)電壓實驗類似，選取導(dǎo)線半徑r=0.4 mm，對地高度h=40 cm，導(dǎo)線長度l=1 m，導(dǎo)線施加電壓分別為30 、34 和38 kV時，測量得到的典型正電暈電流脈沖波形如圖6所示，圖示結(jié)果中已經(jīng)濾除了脈沖之間的低幅值干擾信號。與負(fù)電暈脈沖的情況相似，隨著導(dǎo)線電壓的升高，電暈脈沖的幅值變化不顯著，但脈沖重復(fù)頻率明顯增大，說明導(dǎo)線電壓主要影響正電暈脈沖的重復(fù)頻率。

對正極性電壓下的電流脈沖特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖7所示。正電暈脈沖特征參數(shù)隨電壓的變化規(guī)律與負(fù)電暈脈沖的情況非常接近。正脈沖幅值的個數(shù)平均值遠(yuǎn)大于負(fù)脈沖，為負(fù)脈沖平均幅值的10～15倍，其范圍為15～25 mA。正電暈脈沖上升時間的平均值為40～50 ns，半波時間的平均值為140～160 ns。由圖7(d)可見，隨著導(dǎo)線電壓的升高，正脈沖重復(fù)頻率迅速增大，但相同電壓下，正脈沖的重復(fù)頻率顯著小于負(fù)脈沖的重復(fù)頻率，負(fù)脈沖重復(fù)頻率為正脈沖的15～25倍。

圖6 導(dǎo)線電壓對正極性電暈電流的影響

圖7 導(dǎo)線電壓對正電暈電流脈沖特征參數(shù)的影響

不同導(dǎo)線電壓下，正電暈脈沖幅值和間隔時間的概率密度分布如圖8所示。與負(fù)電暈脈沖的情況類似，正電暈脈沖幅值的概率密度分布基本符合對數(shù)正態(tài)分布規(guī)律，間隔時間近似呈現(xiàn)指數(shù)分布的規(guī)律。在后續(xù)研究中，同樣可以采用對數(shù)正態(tài)分布來分析正電暈脈沖幅值的隨機(jī)性，采用指數(shù)分布來分析正電暈脈沖間隔時間的隨機(jī)性。

圖8 正電暈脈沖幅值與間隔時間的概率密度

2.2.2 導(dǎo)線半徑對正電暈電流的影響

與負(fù)電壓實驗類似，選取導(dǎo)線半徑r分別為0.4、0.6 和0.8 mm，對地高度h=40 cm，導(dǎo)線長度l=1 m，分析導(dǎo)線半徑對正極性電暈放電的影響規(guī)律。

不同導(dǎo)線半徑情況下，正極性電暈電流特征參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果如圖9所示。與負(fù)極性脈沖電流的統(tǒng)計規(guī)律類似，隨著導(dǎo)線表面電場和導(dǎo)線半徑的變化，正脈沖幅值、上升時間和半波時間均變化不明顯，正脈沖幅值為15～25 mA，上升時間約為50 ns，半波時間約為160 ns。當(dāng)導(dǎo)線表面標(biāo)稱電場相同時，導(dǎo)線半徑增大，正脈沖的重復(fù)頻率增大。

圖9 導(dǎo)線半徑對正電暈脈沖特征參數(shù)的影響

3 結(jié) 論

(1)隨著導(dǎo)線電壓增加，正、負(fù)極性電暈電流脈沖的幅值有增大趨勢，但變化不明顯。相同導(dǎo)線電壓下，正電暈脈沖幅值為負(fù)電暈脈沖幅值的10～15倍。正、負(fù)電暈脈沖幅值的概率密度近似服從對數(shù)正態(tài)分布。

(2)導(dǎo)線外加電壓對正、負(fù)極性電暈的脈沖波形影響不明顯。

(3)隨著導(dǎo)線電壓的增加，正、負(fù)極性電暈電流脈沖的重復(fù)頻率顯著增大。相同導(dǎo)線電壓下，負(fù)脈沖重復(fù)頻率為正脈沖的15～25倍。正、負(fù)電暈脈沖的間隔時間近似服從指數(shù)分布。

(4)導(dǎo)線半徑變化對正、負(fù)極性電暈的單個脈沖波形影響不大。當(dāng)導(dǎo)線表面標(biāo)稱電場相同時，導(dǎo)線半徑增大，則正、負(fù)電暈脈沖的重復(fù)頻率增大，這是由于其他條件相同時半徑大的導(dǎo)線表面放電點更多。

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(編輯： 蔣毅恒)

Statistical Analysis on the Time-Domain Characteristics of the DC Corona Current Pulse

HE Jinliang, XU Pengfei

(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100086, China)

In order to study the time-domain characteristics of DC corona current pulse, a high-frequency current measurement system is built to measure corona currents on HV terminal under different conditions. Based on the numerous experimental results, the characteristics of positive and negative corona current pulses, such as the amplitude, rise time, half-wave time and repetition frequency, are statistically analyzed. Statistical analysis of experimental results shows: the applied voltage has little effect on the pulse waveform of positive and negative corona, but it largely affects the pulse repetition rate; the rise time and half-peak time for negative pulse and positive pulse are respectively 20～30 ns, 90～110 ns and 40～50 ns, 140～160 ns; at the same applied voltage, the pulse repetition rate of negative corona pulse are 15～25 times larger than that of positive corona pulse.

corona; current pulse; time-domain characteristics; statistical laws; line-plate electrode

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(973計劃)(2011CB209402)；國家自然科學(xué)基金項目(51237004)。

TM 721

A

1000-7229(2015)09-0002-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.001

2015-06-19

2015-08-13

何金良(1966)，男，博士，長江學(xué)者特聘教授，博導(dǎo)，IEEE Fellow，主要從事輸變電技術(shù)、電磁環(huán)境技術(shù)及電介質(zhì)材料等方面的研究工作；

徐鵬飛(1991)，男，博士生,主要從事輸電線路電磁環(huán)境方面的研究工作。

Project Supported by National Basic Research Program of China (973 Program)(2011CB209402) and National Natural Science Foundation of China(NSFC)(51237004).