高压直流试验线段电晕电流的取样电阻法测量

王广利 傅正财 陈 坚 孙 伟

（上海交通大学电气工程系，上海 200030）

1 引言

我国幅员辽阔，经济发展和资源分布极不平衡。为优化资源配置，满足经济发展需要，必须发展长距离大容量的输电线路，并实现全国联网。高压直流输电中由于强电场的存在致使导线周围空气电离，电离产生的带电粒子在强电场下杂散运动形成电晕电流。由电晕引起的电晕能量损耗、电晕噪声等严重制约了高压直流输电的推广，因此对高压直流电晕特性进行研究，降低电晕影响显得尤为必要。

随着输电线路电压等级的提高，电晕测量越发受到重视。国内外众多学者对电晕进行了长期大量的研究，提出了电桥电路法、耦合天线法等测量方法[1]。但由于带电粒子在空间电场中运动的杂散性等原因，导致电晕电流信号的获取较为困难。同时电晕信号频率高、频带宽，对测量系统的采样频率、信号存储速率提出了较高要求。根据直流输电线路的特点，设计电晕电流测量系统，实现电晕电流的安全、有效测量具有重要意义。本文提出取样电阻法测量电晕电流的方案，并设计了一套电晕电流测量系统。利用高频数据采集卡测量串入空载线路中的取样电阻上的电流信号，实现对线路电晕电流的测量。在实验室进行模拟试验，验证了方案的可行性。

2 取样电阻法测电晕的原理及其实现

2.1 取样电阻法测量原理

直流输电线路电晕等值电路基本是一个非线性的RC电路[2]，如图1所示。其中C1是正常的导线对地电容；C2是能使电晕电荷返回导线的那一部分电晕电容；C3将其电荷倾泻到导线周围空气中永远损失的那一部分电容；G为与电荷损失等值的泄漏电导；V0是电晕起始电压。当空载线路电压较低时，只存在逐渐衰减至零的导线对地电容充电电流以及极少量的绝缘子泄漏电流。当线路电压达到并超过电晕起始电压V0时，图1中的2、3支路导通，出现随电压增大的电晕电流。因此空载特高压直流输电线路中，在电源和导线间串接取样电阻R，当导线对地电容充电结束后，流过电阻R上的总电流减去绝缘子上的泄漏电流即得到导线上的电晕电流。由于绝缘子泄漏电流与电晕电流相比较小，测得的数据主要为线路的电晕电流。本文所描述的电晕测量系统正是基于此原理设计的。

图1 电晕放电的等效电路模型

2.2 测量系统的实现

为防止串入线路的取样电阻信号干扰及击穿，采用无感电阻，两端做均压处理并对其并联以放电管加以保护。取样电阻用屏蔽箱屏蔽，测量引线采用BNC接口引入，有效减少了信号干扰。取样电阻的阻值大小根据线路的电晕电流值以及数据采集卡的输入电压限额确定。根据在实验室进行的模拟线路试验条件，利用经验公式进行测算得到电晕电流值在几到几百微安左右，测量系统采用的数据采集卡输入电压在0～50V之间，试验中测量系统采用了10kΩ的无感电阻。测量系统主要由数据采集卡、测量主机、信号转换传输装置和地面控制主机等部分构成，如图2所示。

图2 模拟试验系统示意图

实验室测得的电晕脉冲信号主要能量分布在20MHz以内，为提高实验精确性，采用的数据采集卡实时采样频率500MHz，重复采样频率1GHz，模拟带宽可达500MHz。试验中采样频率设置为50MHz，经试验验证可圆满实现对电晕信号的测量。采集卡存储深度为2M，在50MHz的取样频率下最大可存储40µs时间内的信号数据量，一般电晕脉冲波形的周期在几百ns左右，所以完全能够实现对高频信号的采集存储。同时设置采集卡与测量主机内部的缓存功能在系统突然断电等故障时，实现对测量信号在测量主机的内部暂存，控制主机可实现对测量主机内数据的安全离线读取，提高了系统的可靠性。

测量系统简易精巧，可方便架设在导线附近。数据采集卡、测量主机采用电池供电，通过光纤与地面控制主机进行连接。光纤通信具有速度快、抗干扰强等优点。通过地面控制主机可实现测量主机以及数据采集卡的开关机控制，并能实现对测量主机、采集卡的测量参数进行修改，使系统更为可靠方便。

3 模拟线路试验

3.1 模拟线路试验装置

在高电压实验室搭建模拟线路，室温为24℃，空气湿度为60%，气压为101kPa。试验导线采用直径分别为1.33mm、4mm的光滑裸铜线。导线对地高度为2.5m，首端通过取样电阻接在高压发生器上，末端利用绝缘棒支撑。

高压线路的起晕电压一直是电晕研究的重要内容，实际线路的电晕起始临界电场强度各不相同，各国学者提出了许多计算公式，其中最著名的是皮克公式[3]

式中，m为导线的表面系数；δ为大气校正系数（δ=0.386P/（273+t），P为大气压力，毫米水银柱高；t为温度，℃）；r为导线的半径，cm。相应的导线电压计算公式如下

式中，Ec为电晕的起始场强，kV/cm；r为导线半径，cm；h为导线对地高度，cm。

利用经验公式对试验导线进行计算，直径为1.33mm和4mm的导线起晕电压分别为38.9kV和72.8kV。由于导线表面并非绝对光滑，所以在线路电压达到起晕电压理论值之前会发生局部起晕。如图3所示，直径1.33mm长度3m的导线当施加电压达到37.5kV时第一次测到了明显的脉冲波形，脉冲波形上升时间为0.07μs左右，与现有电晕脉冲上升时间为几十ns的研究结论相符。

图3 直径1.33mm导线起晕波形

对直径为4mm的导线施加正极性的直流高压，当电压增至68kV时，才在取样电阻上测得较明显的电晕电流尖峰脉动，如图4所示,这是由于粗导线表面曲率降低所致[5]。对不同导线进行多次试验，将模拟线路电晕起始电压的理论值与实测值进行多次对比，均为当导线电压增加至理论起晕电压附近时，系统开始测得明显脉冲电流信号，线路开始出现局部起晕，试验结果与理论值之间存在一致性。

图4 直径4mm导线起晕波形

3.2 模拟线路电晕电流的分析

在测量到电晕脉冲电流后，继续增大电压会引起线路逐渐强烈的全面起晕，测到明显的电晕电流波形。图5为直径1.33mm导线施加93kV正电压时取样电阻上的电晕电流波形。升高线路电压，取样电阻上测得的电晕电流逐渐增大，如图6所示，为直径 1.33mm的导线，施加150kV电压时的电晕电流波形。

图5 直径1.33mm导线93kV电晕电流波形

图 6 直径1.33mm导线150kV电晕电流波形

电晕电流值是计算线路电晕损耗的重要因素[6]，实际线路运行经验表明，线路的电晕电流与线路电压基本满足关系式（3）[7]，其中U为线路电压，U0为线路的起晕电压，I为线路的电晕电流。

表1为线路电晕电流I跟导线电压与线路起晕电压差值乘积U (U-U0)的关系对比。对表1中数据进行分析可知，两者基本符合公式4的变化关系，如图7所示。

表1 电晕电流跟导线电压与导线起晕电压差值关系(U0=37kV)

图7 电晕电流跟导线电压关系图

4 结论

本文基于取样电阻法，设计了电晕电流测量系统，通过在实验室进行模拟试验，测得了导线上的电晕电流。试验对模拟线路的起晕电压以及电晕损耗进行了测量分析，测量结果与现有的经验公式计算结果基本相符，验证了取样电阻法测量电晕的可行性。本测量系统集成化高，安装方便，能有效实现特高压输电线路电晕的地面可靠测量，具有较好的应用前景。

[1] J.G.安德生.超高压输电线路[M].北京：水利电力出版社,1979: 159-207.

[2] J.G.安德生.345千伏及以上超高压输电线路[M].北京:电力工业出版社,1981: 195-199

[3] 严璋,朱德恒等.高电压绝缘技术[M].北京:中国电力出版社,2007: 68-69.

[4] 刘云鹏,尤少华,陈维江.特高压试验线段电晕损失测量系统设计与实现[J].高电压技术,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,陈晓燕.试验线段电晕测量技术及结果[J].高电压技术,2006,32(12):33-39.

[7] 郑正圻,成萝兰,陈维克.海拔高度对直流输电线路电晕电流地面离子流密度及地面场强影响的研究中国学术期刊电子杂志出版社.