基于電暈預(yù)測的高海拔直流輸電線路損耗檢測

張 旭，張 穎

（國網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏拉薩 850000）

高海拔直流輸電線路受到環(huán)境因素的影響，在工作過程中電能傳輸?shù)膿p耗會增加，降低了直流輸電的經(jīng)濟效益。直流輸電方式在遠距離傳輸領(lǐng)域中具有較好的傳輸效率，但是海拔高度和環(huán)境的影響使得直流輸電方法在遠距離輸電任務(wù)的傳輸效率降低，線路損耗增加[1-2]。

電暈預(yù)測主要是通過電暈測量裝置對高海拔直流輸電線路的電壓、海拔高度、線路周圍的場強進行測量，根據(jù)測量結(jié)果對線路周邊的電暈情況進行預(yù)測，最后通過分析以上測量的因素與高海拔直流輸電線路損耗之間的關(guān)系，完成基于電暈預(yù)測的高海拔直流輸電線路損耗檢測[3]。

綜上所述，提出高海拔直流輸電線路損耗檢測方法，及時發(fā)現(xiàn)線路損耗位置，并及時補救，提高直流輸電線路的傳輸效率。高海拔直流輸電線路損耗檢測方法在該領(lǐng)域內(nèi)存在一定的研究基礎(chǔ)，文中借鑒已經(jīng)存留的數(shù)據(jù)，通過電暈裝置對高海拔直流輸電線路的相關(guān)參數(shù)進行測量，突破傳統(tǒng)檢測方法，提出基于電暈預(yù)測的直流輸電線路損耗檢測方法，提高檢測的工作效率和準確度。

1 直流輸電線路特征提取

高海拔直流輸電線路電壓分為雙極電壓、正單極電壓以及負單極電壓，3 種電壓共同維持高海拔直流輸電線路的穩(wěn)定運行，但是由于高海拔惡劣環(huán)境的影響，電壓會出現(xiàn)波動[4-5]。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，海拔的風(fēng)速、氣壓和濕度都會影響電壓出現(xiàn)非規(guī)律變化，從而出現(xiàn)直流輸電線路損耗的情況。因為直流輸電線路環(huán)境的氣壓低、濕度大，根據(jù)熱傳遞理論，輸電線路內(nèi)的溫度降低，電壓的消耗能力增強，使得線路傳輸速度降低，增加了線路的損耗[6-7]。隨著海拔高度的不斷增加，為了保證輸電線路的運行，輸電電壓值應(yīng)按照某種規(guī)律成倍增加，但是如果過度增加電壓，線路損耗也會呈現(xiàn)指數(shù)上升的趨勢，雙極加壓時負極導(dǎo)線產(chǎn)生的電壓稍高，未加壓導(dǎo)線上有感應(yīng)電流。電暈電流測量設(shè)備如圖1 所示。

圖1 電暈電流測量設(shè)備

在給定電壓下，雙極性每一極的電暈損耗明顯高于單極性電暈損耗，電壓大于800 kV 時，雙極電壓的總能量消耗為單極電壓總消耗值的5～10 倍，兩極導(dǎo)線產(chǎn)生的電場相互作用大大增加了線路的電暈損耗。所以必須合理控制海拔高度直流輸電線路的電壓值，電壓過高或者過低都會導(dǎo)致線路出現(xiàn)損耗情況[8]。

經(jīng)過對存檔數(shù)據(jù)的分析，高海拔直流輸電線路的場強在地面粒子密度橫向分布密集的位置，線路的場強值最大，并且以導(dǎo)體為中心，向水平方向分散，磁場強度向兩側(cè)逐漸降低。場強不僅受到地面粒子密度的影響，還受到風(fēng)力、風(fēng)速的影響，使得線路所依附的場強發(fā)生變化，導(dǎo)致高海拔直流輸電線路的運輸速度變慢，然而線路內(nèi)部損耗量的流速不會改變，結(jié)果輸電線路的損耗值呈正線性增加[9-10]。

高海拔直流輸電線路表面的最大電場強度與線路的損耗有一定的關(guān)系，文中通過電暈預(yù)測方法和公式計算出直流輸電線的臨界場強和雙極導(dǎo)線表面場強極值。假設(shè)高海拔直流輸電線的起暈場強和交流線路的起暈場強峰值相同，計算高海拔直流輸電線路的氣壓校正系數(shù)，公式如下：

其中，δ表示直流輸電線路的氣壓校正系數(shù)；P表示相應(yīng)海拔高度對應(yīng)的規(guī)范大氣壓力值；t0表示海拔高度的溫度值。

在不同加壓方式下，電暈損耗隨著電壓的增加呈指數(shù)上升的趨勢，電暈損耗隨著單、雙級電壓的變化規(guī)律如圖2 所示。

圖2 電暈損耗隨著單、雙級電壓的變化規(guī)律

由圖2 可知，在雙級電壓模式，負極導(dǎo)線產(chǎn)生的電暈損耗高于正極導(dǎo)線，而在單級電壓模式，沒有經(jīng)過加壓的導(dǎo)線上存在一定的感應(yīng)電流。當電壓超過800 kV 時，雙極電壓、負極導(dǎo)線和負單極電壓，負極導(dǎo)線的電暈損耗大大降低[11-12]。

計算高海拔直流輸電線路所處于的臨界場強，此場強規(guī)范了線路電壓和電流的極值，計算公式如下：

其中，m表示直流輸電線路的表面系數(shù)，規(guī)范區(qū)間為0.47～0.5；r表示直流輸電線路導(dǎo)線的半徑，單位為cm；g0表示直流輸電線路所處于的臨界場強，單位為kV∕cm[13-14]。

導(dǎo)線的對地高度對電暈也有一定的影響，不同導(dǎo)線最小對地高度隨電壓變化的規(guī)律如圖3 所示。

圖3 不同導(dǎo)線的最小對地高度隨電壓變化規(guī)律

觀察圖3 可知，隨著導(dǎo)線最小對地高度的不斷增加，電暈損耗也隨之發(fā)生變化，導(dǎo)線對地高度越低，導(dǎo)線表面的場強就越高，電暈的放電能力就越強。

計算高海拔直流輸電線路表面的最大場強，該因素決定了線路的最大耗損值，輔助計算公式如下：

其中，U表示直流輸電線路的對地電壓，單位為kV；h表示線路的水平高度（規(guī)定為對地最小距離H+1∕3 弧垂），單位為cm；N表示直流輸電線路分向傳輸?shù)母鶖?shù)；R表示線路導(dǎo)線所在圓的半徑，單位為cm；s表示直流輸電線路最近電路間隔的距離，單位為cm[15-16]。

通過以上公式可以計算出高海拔直流輸電線路的最大場強、臨界場強的數(shù)值，進而計算出線路內(nèi)電壓電流運輸?shù)臓顟B(tài)，為線路損耗檢測提供分析數(shù)據(jù)。

不同導(dǎo)線分裂間距隨雙極性電壓的變化規(guī)律如圖4 所示。

圖4 不同導(dǎo)線分裂間距隨雙極性電壓的變化規(guī)律

觀察圖4 可知，不同導(dǎo)線分裂間距雖然會對電暈損耗產(chǎn)生一定的影響，但是影響較小，這種變化不明顯。

2 直流輸電線路損耗檢測

文中采用電暈測試裝置完成電暈的預(yù)測，裝置主要由遠端單元器、本地單元器以及終端計算機構(gòu)成。遠端單元器通過電流信號采集方法完成高海拔直流輸電線路參數(shù)的測量，其器材包括電流采樣模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用太陽能供電，與終端計算機相連接，實現(xiàn)控制。本地單元器的工作輸出阻抗為50 Ω，測量線路電壓頻率范圍為150 kHz～30 MHz，頻率分辨率為1 kHz，測量誤差在4 dB 范圍內(nèi)。終端計算機的主要任務(wù)是匯總遠程單元器和本地單元器測量的數(shù)據(jù)，提供準確的電暈測量數(shù)據(jù)。

將電暈預(yù)測的高海拔直流輸電線路相關(guān)因素的數(shù)值代入線路電暈損耗計算公式內(nèi)，得出實時線路的損耗數(shù)值，判斷輸電線路的損耗程度，計算公式如下：

其中，M1表示直流輸電線路的傳輸距離，單位為cm；β表示直流輸電線路的誤差系數(shù)。

根據(jù)我國高海拔直流輸電線路運行規(guī)范得出當線路損耗值在0～200 kV 范圍內(nèi)時，屬于低級損耗程度，采用小型維修措施即可維修；當線路損耗值在200～1 200 kV 范圍內(nèi)時，屬于中級損耗程度，運輸?shù)膿p耗率和運輸率持平，需要停止直流輸電線路工作，進行維修；若線路損耗值超過1 200 kV，則屬于高級損耗，必須立即停止高海拔直流輸電線路的運行工作，保證線路的安全，防止線路在運輸過程中出現(xiàn)連帶效應(yīng)，加速其他直流輸電線路的損耗。

根據(jù)對電暈測量裝置、高海拔直流輸電線路電壓變化規(guī)律的分析以及對直流輸電線路場強的計算與分析，文中綜合以上的分析成果，總結(jié)出基于電暈預(yù)測的高海拔直流輸電線路損耗檢測方法的工作流程，如下所示：

1）對需要檢測的高海拔直流輸電線路的海拔高度、濕度、風(fēng)速、電壓等其他相關(guān)參數(shù)進行測量，采取兩次測量數(shù)值的平均值，保證檢測結(jié)果的準確率；

2）根據(jù)測量結(jié)果計算直流輸電線路所處的場強值與場強臨界值，計算結(jié)果與規(guī)定海拔高度的直流輸電線路參數(shù)相對比，提取出參數(shù)存在異常的因素，完成進一步的分析；

3）調(diào)用電暈測量裝置重新測量異常的直流輸電線路參數(shù)變量，將電暈測量結(jié)果代入電暈預(yù)測公式內(nèi)，計算變量的有效波動范圍，然后對比異常數(shù)據(jù)；

4）根據(jù)對比結(jié)果，計算直流輸電線路的損耗程度，并確定高海拔直流輸電線路出現(xiàn)損耗的線路區(qū)域段，將檢測結(jié)果提交到輸電線路管理中心，等待維修，完成檢測操作。

3 實驗分析

為了驗證該文研究的基于電暈預(yù)測的高海拔直流輸電線路損耗檢測方法，文中進行了對比實驗，因為直流輸電線路故障具有發(fā)展性，所以采用同樣海拔高度的兩個相同型號的直流輸電線路共同完成實驗。設(shè)定實驗參數(shù)如表1 所示。

表1 實驗參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)進行實驗，在實驗開始前，隨機抽取兩種檢測方法需要檢測的線路，避免出現(xiàn)偶然性，然后將兩種檢測方法錄入兩個計算機內(nèi)，同時兩個計算機會再連接兩個數(shù)據(jù)分析儀器，數(shù)據(jù)分析儀器用于實時記錄兩種檢測方法在檢測過程中的行為和相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，為實驗數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。同一時間開始實驗，在實驗進行的同時，專業(yè)直流輸電線路損耗檢測儀器也會對兩條線路進行損耗檢測，檢測結(jié)果保存至實驗結(jié)束，用于對比兩種檢測方法檢測的結(jié)果，驗證檢測方法的準確度。若兩種檢測方法都提交了檢測結(jié)果，則終止實驗，完成實驗數(shù)據(jù)的匯總，得出實驗結(jié)論。

得到的不同導(dǎo)線的對地最低高度下測量的輸電線路損耗如圖5 所示。

圖5 不同導(dǎo)線的對地最低高度下測量的輸電線路損耗

通過實驗數(shù)據(jù)分析和對比，實驗最終的結(jié)論是基于電暈預(yù)測的高海拔直流輸電線路損耗檢測方法比基于電力預(yù)測的高海拔直流輸電線路損耗檢測方法檢測時間短，并且檢測結(jié)果精度高。得到這一實驗結(jié)果的原因是文中檢測出了直流輸電線路出現(xiàn)損耗的具體線路段，檢測方法的每個程序任務(wù)分明，在一定程度上減少了不必要的工序，節(jié)省了直流輸電線路損耗的檢測時間，并且采用雙重檢測方法，保證了檢測結(jié)果的準確度。另外，基于電暈預(yù)測的高海拔直流輸電線路損耗檢測方法分析了各個因素與線路損耗程度的關(guān)系，根據(jù)測量的損耗值，可以快速反饋出損耗程度和出現(xiàn)損耗的線路位置段，提高檢測方法的工作效率。

4 結(jié)束語

文中首先介紹了高海拔直流輸電線路的現(xiàn)狀，然后利用電暈測量儀對線路周圍的電壓、海拔、線間距、場強等參數(shù)進行了測試，然后分析了上述因素對高原直流輸電線路損耗的影響以及它們與線損的關(guān)系，最后總結(jié)了基于電暈測試的高原直流輸電線路線損檢測方法的工作流程可以達到該文的目的。通過對比實驗分析，文中研究的高海拔直流輸電線路損耗檢測方法是高效、準確的。根據(jù)檢測結(jié)果可知，該文方法可以及時修復(fù)直流輸電線路的損耗位置，避免輸電線路的連續(xù)損耗，保證高海拔直流輸電線路的輸電效率。