高壓直流輸電線路靜電場(chǎng)測(cè)量裝置

張遠(yuǎn)思 索春光 張文斌

摘? 要： 目前國(guó)內(nèi)外在高壓輸電線、變電站的驗(yàn)電設(shè)備研究較多，而針對(duì)高原架接的超高壓及特高壓驗(yàn)電設(shè)備的研究處于起步階段，相關(guān)產(chǎn)品較少。目前國(guó)內(nèi)外在直流輸電線路中并沒(méi)用形成，成熟、可靠的非接觸式驗(yàn)電設(shè)備，也沒(méi)有具體的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)來(lái)借鑒。本文目的是解決電力作業(yè)人員在高壓輸電線路及超高壓、特高壓下的預(yù)警裝置的研究，針對(duì)環(huán)境復(fù)雜、接觸驗(yàn)電過(guò)程困難等難題，該文研制出了基于開(kāi)關(guān)調(diào)制技術(shù)的非接觸式電場(chǎng)傳感器。通過(guò)對(duì)輸電線路數(shù)學(xué)模型的建立，利用COMSOL仿真輸電線電場(chǎng)分布情況，結(jié)合調(diào)理電路對(duì)恒定靜電場(chǎng)的調(diào)制技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜電力環(huán)境下，超高壓、特高壓直流輸電線路的電場(chǎng)檢測(cè)，保障了作業(yè)人員安全作業(yè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電場(chǎng)測(cè)量裝置通過(guò)控制激勵(lì)源的調(diào)制，可以檢測(cè)電力作業(yè)下的恒定電場(chǎng)和工頻電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)±500kV超高壓直流輸電線路的電場(chǎng)測(cè)量。

關(guān)鍵詞： 工頻電場(chǎng);非接觸式驗(yàn)電;COMSOL;調(diào)制技術(shù);恒定電場(chǎng)

中圖分類號(hào)： TM935? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.035

【Abstract】： At present， there are many researches on electroscope equipment for high-voltage transmission lines and substations at home and abroad， and the research on ultra-high voltage and ultra-high-voltage electroscope equipment for plateau erection is in its infancy， and there are few related products. At present， there is no use in the direct current transmission lines at home and abroad. Mature and reliable non-contact electroscopes have no specific international standards for reference. The purpose of this paper is to solve the problem of electric power workers' high-voltage transmission lines and early warning devices under ultra-high voltage and ultra-high voltage. In view of the complicated environment and the difficulty of contact electro-induction process， this paper develops a non-contact electric field based on switching modulation technology. sensor. Through the establishment of the mathematical model of the transmission line， the electric field distribution of the transmission line is simulated by COMSOL， and the modulation technique of the constant electrostatic field by the conditioning circuit is combined. The electric field detection of ultra-high voltage and ultra-high voltage direct current transmission lines under complex power environment is realized， which ensures the safe operation of the operators. The test results show that the electric field measuring device can detect the constant electric field and the power frequency electric field under the electric power operation by controlling the modulation of the excitation source， and realize the electric field measurement of the 500 kV ultra-high voltage direct current transmission line.

【Key words】： Power frequency electric field; Non-contact test; COMSOL; Modulation technology; Constant electric field

0? 引言

我國(guó)針對(duì)工頻電力系統(tǒng)電容型驗(yàn)電器有國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)DL740-2000，但是這種驗(yàn)電器屬于接觸式的驗(yàn)電器，對(duì)于電力作業(yè)人員來(lái)說(shuō)不具有便攜性。但是在直流輸電線路的檢測(cè)中，還沒(méi)有相關(guān)的驗(yàn)電標(biāo)準(zhǔn)可以提供借鑒，只能通過(guò)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)技術(shù)及研究成果、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。如美國(guó)的Sallsbury公司的非接觸式驗(yàn)電裝置使用的范圍為240 V～ 500 kV，但是便攜性、可靠性能、重復(fù)性等均不高，難以推廣使用。本文介紹了一種，便攜式驗(yàn)電裝置恒定電場(chǎng)調(diào)制手段上具有一定的創(chuàng)新，通過(guò)理論仿真模型的搭建和實(shí)際永仁500 kV換流站的檢測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)空間電場(chǎng)檢測(cè)的功能。

就目前國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范而言，還沒(méi)有±500 kV及以上電壓等級(jí)輸電線路的驗(yàn)電規(guī)范，國(guó)內(nèi)外的直流輸電線路的非接觸式驗(yàn)電器均在實(shí)驗(yàn)室階段，未能達(dá)到成熟的產(chǎn)品應(yīng)用。本技術(shù)的研究為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研一體化的檢測(cè)裝置提供理論及實(shí)踐基礎(chǔ)。通過(guò)自主創(chuàng)新，將各種問(wèn)題匯總分析，不同種類驗(yàn)電器的原理分類，得到電容式驗(yàn)電器的推廣優(yōu)勢(shì)，并研制出±500 kV及以上電壓等級(jí)直流輸電的非接觸式預(yù)警裝置。如圖1所示為楚雄永仁±500 kV換流站。

1? 靜電場(chǎng)傳感器基本原理

本文研制的非接觸式特高壓輸電線路靜電場(chǎng)測(cè)量裝置，如圖2所示，傳感器模塊主要包括電容型感應(yīng)面板、調(diào)制開(kāi)關(guān)、IV轉(zhuǎn)換電路、同相儀表放大器電路、工頻陷波器、二階低通濾波電路、MCU處理單元。相比非接觸式工頻電場(chǎng)傳感器的設(shè)計(jì)，主要區(qū)別在于調(diào)制開(kāi)關(guān)和工頻陷波器的設(shè)計(jì)，調(diào)制電路主要是因?yàn)?，電容型感?yīng)面板在特高壓輸電線路靜電場(chǎng)中電荷分布處于靜電力平衡狀態(tài)，要打破力學(xué)平衡。需要引入外界激勵(lì)控制源，對(duì)于MEMS電場(chǎng)傳感器使用力學(xué)激勵(lì)來(lái)控制電荷分布實(shí)現(xiàn)放電回路。本設(shè)計(jì)是基于靜電感應(yīng)原理，在電容型面板感應(yīng)到電場(chǎng)信號(hào)時(shí)，通過(guò)接入小電阻實(shí)現(xiàn)放電回路，小電阻的引入勢(shì)必帶來(lái)高電位，通過(guò)上下極板不同電阻的接入。控制高速開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)上下極板的電位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)方波信號(hào)的輸出[1-5]。

算法上將硬件采集的信號(hào)通過(guò)卡爾曼濾波可以得到平滑的電場(chǎng)信號(hào)。利用電場(chǎng)信號(hào)在dt時(shí)間內(nèi)的微分可以作為電場(chǎng)情況的判斷依據(jù)。對(duì)于不同電壓等級(jí)的工況下，可以通過(guò)分離算法來(lái)確定電壓等級(jí)不同及電場(chǎng)強(qiáng)度重疊的區(qū)域。如圖6所示為電場(chǎng)傳感器采集電場(chǎng)后的處理流程。

3? 不同工況下的電壓檢測(cè)及區(qū)分

為滿足不用電壓等級(jí)下的電場(chǎng)檢測(cè)，首先針對(duì)工頻電場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與大量的模擬仿真實(shí)驗(yàn)下。如圖7所示，在高壓輸電線路，10 kV與35 kV的檢測(cè)曲線，在靠近帶電導(dǎo)線的過(guò)程中出現(xiàn)了場(chǎng)域重疊的部分，通過(guò)定長(zhǎng)微分的處理，可以使得重疊的電壓等級(jí)進(jìn)行區(qū)分。其中定長(zhǎng)的處理，選擇不同傳感器之間的相對(duì)距離。

在我國(guó)，輸電網(wǎng)電壓等級(jí)一般分為高壓、超高壓和特高壓。交流電壓等級(jí)中，高壓指110千伏和220千伏;超高壓指330千伏、500千伏和750千伏;特高壓指1000千伏。直流電壓等級(jí)中，超高壓指±500千伏和±660千伏，特高壓指±800千伏。其中1000千伏交流電壓已成為國(guó)標(biāo)標(biāo)稱電壓。圖7為工

在不同工況下，需要知道輸電線路的電壓等級(jí)，才能夠得到當(dāng)前的預(yù)警距離，在電力作業(yè)人員進(jìn)行作業(yè)時(shí)才能提醒作業(yè)人員危險(xiǎn)紅線在哪里。而不同的電壓等級(jí)在空間電場(chǎng)上具有重疊區(qū)域，通過(guò)特征提取才能判斷電壓等級(jí)。如圖9所示，作業(yè)人員在運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)距離測(cè)量，三軸加速度讀取，結(jié)合作業(yè)的電壓等級(jí)得到區(qū)域的電場(chǎng)分布特點(diǎn)，才能判別預(yù)警閾值在哪里，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。

4? 系統(tǒng)測(cè)試及試驗(yàn)

電網(wǎng)輸電線路及變電站現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境極其復(fù)雜，設(shè)備之間交錯(cuò)分布等因素，導(dǎo)致作業(yè)人員面對(duì)的電場(chǎng)分布布局不具有唯一規(guī)律性，需要預(yù)警裝置判斷的電壓等級(jí)及安全距離的確定來(lái)達(dá)到預(yù)警的目的。此時(shí)需要現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與大量的模擬仿真實(shí)驗(yàn)。提取不同電壓等級(jí)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布特征，對(duì)電場(chǎng)與安全距離模型進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

如圖10所示，靠近帶電體靜電場(chǎng)感應(yīng)加強(qiáng)，遠(yuǎn)離時(shí)減弱。通過(guò)調(diào)壓裝置并設(shè)定不同的電壓等級(jí)，為了驗(yàn)證算法的可行性和樣機(jī)的工作性能，提取不同電壓等級(jí)，通過(guò)在不同的實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，進(jìn)行了如下工況的實(shí)驗(yàn)測(cè)試及驗(yàn)證，以及后臺(tái)服務(wù)器對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

5? 結(jié)論

本文為了解決電力人員在輸電線路、變電站下的安全作業(yè)問(wèn)題，該文研制了基于開(kāi)關(guān)調(diào)制技術(shù)的非接觸式電場(chǎng)傳感器結(jié)合作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電塔及輸電線路數(shù)學(xué)模型的建立。得到了靜電場(chǎng)空間電場(chǎng)分布情況，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜電力環(huán)境下的高壓直流輸電線路的電場(chǎng)檢測(cè)，能夠檢測(cè)空間交直流電場(chǎng)分布情況，為作業(yè)人員提供預(yù)警功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電場(chǎng)測(cè)量裝置通過(guò)控制激勵(lì)源的調(diào)制，可以檢測(cè)電力作業(yè)下的恒定電場(chǎng)和工頻電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)±500kV超高壓直流輸電線路的電場(chǎng)測(cè)量。

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