用于電暈電流測量的高電位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)和應用

向 宇 盧鐵兵 劉 陽 崔 翔

用于電暈電流測量的高電位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)和應用

向 宇 盧鐵兵 劉 陽 崔 翔

（華北電力大學高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室 北京 102206）

電暈是高壓輸電線路設(shè)計中必須考慮的問題。電暈電流是導線周圍帶電粒子的復雜運動引起的，具有環(huán)境電壓高、頻譜寬、變化劇烈等特點。針對高壓試驗線路，采用屏蔽箱、電流探頭和高速采集卡設(shè)計了電暈電流測量系統(tǒng)，采用光電技術(shù)和計算機控制技術(shù)，解決了高壓絕緣、信號干擾和電暈信號高頻采樣記錄的測量困難，實現(xiàn)高壓試驗線段電暈電流的地面安全可靠測量。在實驗室搭建模擬線路，利用該系統(tǒng)進行了測量，測量現(xiàn)象和結(jié)果符合預期的分析，驗證了方案的可行性。

電暈電流 高電位 光電轉(zhuǎn)換 測量

1 引言

高壓輸電具有大容量、低損耗、低成本的特點，適合于遠距離、大容量電能輸送。我國區(qū)域性能源分布與電能需求極不均衡，高電壓輸電成為解決這一矛盾的主要手段。

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速增長，電能需求逐年增加，電壓等級也逐步升高。高壓輸電線路在正常運行狀態(tài)下，通常處于起暈的狀態(tài)，而電暈現(xiàn)象會產(chǎn)生一系列的環(huán)境效應。如電暈放電時，導線附近空氣被電離而使得其中存在許多自由電子及正、負離子。

當這些電子及正、負離子在強電場的作用下，加速向?qū)Ь€和地面運動，從而在導線上產(chǎn)生電暈電流。電暈電流具有高達30MHz的帶寬，覆蓋了無線電的中波和短波頻段。電暈電流在空間中激發(fā)出的電磁場會對無線電信號形成干擾，因此無線電干擾是電暈現(xiàn)象帶來的一個重要問題，必須對其進行深入研究。

無線電干擾的來源是電暈電流，因此必須掌握電暈電流的特性。國內(nèi)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]。但這些方法或是改變電路結(jié)構(gòu)，對測量結(jié)果產(chǎn)生一定影響，或是在低壓側(cè)測量由電暈電流產(chǎn)生的不同效應來反推。而且電暈信號頻率高、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[2]。如何從高壓側(cè)直接獲取準確的電暈電流參數(shù)，以分析其產(chǎn)生機理和傳播特性成為一個難題。本文提出了一套電暈電流測量系統(tǒng)，利用高速采集卡、光電技術(shù)以及計算機控制技術(shù)實現(xiàn)對高電位電暈電流的有效測量，該系統(tǒng)測量精度高、抗干擾能力強、尺寸小、重量輕，且人員在低電位進行操作，確保操作人員安全。

2 系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 工作原理

測量系統(tǒng)主要由高速數(shù)據(jù)采集卡、測量主機、光電轉(zhuǎn)換傳輸裝置和地面控制主機等部分構(gòu)成。

圖1為系統(tǒng)工作原理圖，其中，基于羅氏線圈原理的電流探頭用于采集流過導線的電暈電流，通過高速數(shù)據(jù)采集卡將模擬電信號轉(zhuǎn)為數(shù)字電信號傳送至測量主機，高壓側(cè)屏蔽箱內(nèi)的測量主機實時進行采集、運算和存儲，地面控制主機的信號通過光電轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，經(jīng)光纖傳輸線接入測量部分，再轉(zhuǎn)換成電信號接入測量主機以對其進行實時觀察和控制。光電轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集卡均由測量主機的電池供電。

圖1 采集系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Fundamental diagram

2.2 設(shè)計難點

本文針對高電位測量主要存在三個難點：高速精確采集，防止裝置起暈和實現(xiàn)電位隔離，進行了設(shè)計和布置，如圖 2。

圖2 采集系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram

電暈脈沖信號主要能量分布在30MHz以內(nèi)，幅值幾十mA以內(nèi)。為實現(xiàn)采集系統(tǒng)的精確快速采集，數(shù)據(jù)采集卡選用Tiepie Handyscope HS5 XM，通過BNC接口的屏蔽電纜線與電流探頭相連，同時通過USb接口的傳輸線與測量主機相連。采集卡的最大實時采樣頻率為500MHz，12bit，量程±80A，最小分辨率約為0.1mA，在測量過程中采樣頻率、量程、顯示參數(shù)等可實時進行調(diào)整。

由于與高壓線路直接接觸，處于高電位的采集系統(tǒng)必須能有效防止自身起暈。采集系統(tǒng)的測量模塊置于屏蔽箱內(nèi)，屏蔽箱整體呈流線型，金屬蓋和金屬底盤通過尼龍螺絲及螺母緊密貼合，接觸環(huán)面上方放置有均壓環(huán)，過渡面光滑無毛刺，屏蔽箱上表面有半球形接線端子，通過波紋管接觸高壓導線以保持屏蔽箱處于的高電位，BNC接口電纜線置于波紋管內(nèi)，連接采集卡和電流探頭，電流探頭同樣有球形屏蔽罩保護以防止邊角起暈。

用光纖傳輸控制信號不僅能實現(xiàn)電位隔離，而且抗干擾能力強。本系統(tǒng)采用了光電轉(zhuǎn)換器，提供直通線/交叉線自適應的 RJ45網(wǎng)線接口和 1 000Base-SX/LX全雙工模式的光纖接口，能在極小的空間內(nèi)實現(xiàn)電信號與光信號的相互轉(zhuǎn)換，通過光纖達到電位隔離的目的，保證了控制端人員的安全。

3 測量系統(tǒng)的有效性驗證

為了檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的響應速度和數(shù)據(jù)精確度，利用信號發(fā)生器和高性能示波器搭建簡單的實驗平臺。

將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與高性能示波器同時連接信號發(fā)生器，分別用信號發(fā)生器輸出端輸出頻率20MHz，幅值1V的正弦波，以及上升沿約為10ns，幅值為1V的脈沖波形。測量得到波形對比如圖3。

可以看出，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所采集到的波形與高性能示波器基本重合，其測量的精確度完全能夠勝任電暈電流的測量工作。

圖3 采集系統(tǒng)與示波器對比Fig.3 Comparison diagrams of wave forms

4 模擬實驗線路電暈電流的測量

為了檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的光電控制性能和存儲速度，將其應用在高電位區(qū)進行了電暈電流的測量。

在高電壓實驗室搭建模擬線路，試驗導線采用直徑為4mm的絞線。導線兩端用絕緣棒支架固定，一端通過電感與高壓直流源連接，減少電源紋波干擾；另一端通過高壓電容器和匹配電阻接地，能有效的消除反射。

圖4 實驗線路示意圖Fig.4 Experimental platform

首先對測量導線施加正極直流電壓，加壓過程勻速緩慢。當施加電壓達到34.3kV的時候第一次測到了明顯的脈沖波形，如圖 5。脈沖波形上升時間為30ns左右。

圖5 單個脈沖電流波形Fig.5 A corona current pulse

分別對測量導線施加正極直流電壓、負極直流電壓以及交流電壓，采集系統(tǒng)存儲深度為32MiB，使用最大采樣率500MHz，記錄時間長度為66ms。為了比較三種情況下電暈電流的表現(xiàn)，加壓過程均為緩慢勻速加壓，電壓分別為正極 40kV，負極-40kV，交流有效值28.3kV（最大值±40kV）。

在加壓過程中，正極到 34.3kV的時候開始出現(xiàn)脈沖波形，而負極電壓加到 33kV就出現(xiàn)電暈電流的脈沖，這說明負極線路比正極線路更容易起暈。

當導線具有正極電壓時，空氣中出現(xiàn)的電子向?qū)Ь€端運動并開始引起電離現(xiàn)象而形成電子崩。隨著電壓的逐漸上升，到放電達到自持、爆發(fā)電暈之前，空氣中形成相當多的電子崩。當電子崩達到導線后，其中的電子進入導線，而正離子仍留在空間，并在導線表面積聚起正空間電荷，從而減小了導線表面的電場，而略為加強了外部空間的電場。這樣，導線附近的電場被削弱，難以造成流注，這也使得電暈放電難以形成。而當導線具有負極性時，電子崩中的正離子逐漸向?qū)Ь€運動而消失于導線中，但由于其運動速度較慢，所以在導線附近總是存在著正空間電荷。導線表面的電場得到增強，因而自持放電條件易于得到滿足、易于轉(zhuǎn)入流注而形成電暈放電。分析表明，正極性導線的起暈電壓比負極性導線略高，實驗結(jié)果也證明了這一點。

從長時間的正極電暈電流波形可以發(fā)現(xiàn)，電暈電流脈沖基本都是相隔固定的時間成簇出現(xiàn)的。其中正極電暈電流每一簇中包含一大一小兩個脈沖，這是因為在第一次電暈放電之后，空間中會有殘余的正離子，影響了導線表面的電場強度，使得第二次放電的強度降低。

圖6 正極40kV電暈電流Fig.6 Corona current produced by +40kV corona

對比正負極的電暈電流波形可以看出，在施加的電壓絕對值相同的情況下，正極的脈沖個數(shù)多于負極的脈沖個數(shù)，且正極電暈電流幅值的絕對值要遠大于負極，說明正極導線起暈要比負極導線起暈更強烈。這是因為，在正極導線電暈放電的過程中，參與運動的主要是正離子，而負極導線電暈放電過程中主要參與者是電子，其質(zhì)量遠遠小于正離子，在碰撞空氣分子產(chǎn)生電離等過程中作用效果也沒有正離子那么明顯，所以無論是在幅值或者放電次數(shù)方面，負極電暈電流都不如正極電暈電流。

圖7 負極-40kV電暈電流Fig.7 Corona current produced by -40kV corona

圖 8為導線通以±28.3kV交流電源的電暈電流波形。由于是交流電壓，正極和負極的電暈電流脈沖都存在，并且交替出現(xiàn)，每隔 10ms左右會有一簇交流電暈出現(xiàn)，同一簇中的正負電暈電流幅值相差不多。

5 結(jié)論

圖8 交流±28.3kV電暈電流Fig.8 Corona current produced by ±28.3kV corona

本文設(shè)計的采集系統(tǒng)能直接有效地對高壓線路上電暈電流進行實時測量，通過在高電壓實驗室搭建模擬線路，測得了導線上的電暈電流。實驗對正極直流、負極直流和交流的電暈電流分別進行了測量，并對各自的產(chǎn)生機理和現(xiàn)象特征進行了對比分析，結(jié)果表明：本文設(shè)計的采集系統(tǒng)在高電位完全能夠快速準確地捕捉到電暈電流脈沖，在最大采樣率的情況下，可實現(xiàn)長達 67ms的脈沖波形記錄，且每個波形保存完整。

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Design and Application of HV-Side Acquisition System for Corona Current Measurement

Xiang Yu Lu Tiebing Liu Yang Cui Xiang

（Beijing Key Laboratory of High V oltage & Electromagnetic Compatibility North China Electric Power University Beijing 102206 China）

Corona effect is an important issue that must be considered in designing HV transmission lines. It is caused by the compound movement of charged particles around the conductors, and has the characteristics of high voltage, wide spectrum, and strenuous diversification. According to the HV test line, a corona current measurement system is developed for the investigation of HV test line. The measurement principle and system configuration is described. Problems such as high-voltage insulation, high-frequency signal sampling, interference suppression, and signal record and transmission etc. are solved. Simulation experiments are also carried out in laboratory. By analyzing the test results, the feasibility of the developed measurement system is validated.

Corona current, HV side, optoelectronic conversion, measurement

TM743

向 宇 男，1988年生，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)電磁環(huán)境。

國家自然科學基金資助項目（51177041）。

2013-10-08 改稿日期 2014-06-09

盧鐵兵 男，1970年生，教授，博士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)電磁環(huán)境、電磁場數(shù)值計算。