高压直流输电线路静电场测量装置

张远思 索春光 张文斌

摘  要： 目前国内外在高压输电线、变电站的验电设备研究较多，而针对高原架接的超高压及特高压验电设备的研究处于起步阶段，相关产品较少。目前国内外在直流输电线路中并没用形成，成熟、可靠的非接触式验电设备，也没有具体的国际标准来借鉴。本文目的是解决电力作业人员在高压输电线路及超高压、特高压下的预警装置的研究，针对环境复杂、接触验电过程困难等难题，该文研制出了基于开关调制技术的非接触式电场传感器。通过对输电线路数学模型的建立，利用COMSOL仿真输电线电场分布情况，结合调理电路对恒定静电场的调制技术。实现了复杂电力环境下，超高压、特高压直流输电线路的电场检测，保障了作业人员安全作业。试验结果表明，该电场测量装置通过控制激励源的调制，可以检测电力作业下的恒定电场和工频电场，实现±500kV超高压直流输电线路的电场测量。

关键词： 工频电场;非接触式验电;COMSOL;调制技术;恒定电场

中图分类号： TM935    文献标识码： 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

我國针对工频电力系统电容型验电器有国内标准DL740-2000，但是这种验电器属于接触式的验电器，对于电力作业人员来说不具有便携性。但是在直流输电线路的检测中，还没有相关的验电标准可以提供借鉴，只能通过国内外的相关技术及研究成果、技术标准的基础上进行开发。如美国的Sallsbury公司的非接触式验电装置使用的范围为240 V～ 500 kV，但是便携性、可靠性能、重复性等均不高，难以推广使用。本文介绍了一种，便携式验电装置恒定电场调制手段上具有一定的创新，通过理论仿真模型的搭建和实际永仁500 kV换流站的检测，能够实现空间电场检测的功能。

就目前国内外的标准及规范而言，还没有±500 kV及以上电压等级输电线路的验电规范，国内外的直流输电线路的非接触式验电器均在实验室阶段，未能达到成熟的产品应用。本技术的研究为实现产学研一体化的检测装置提供理论及实践基础。通过自主创新，将各种问题汇总分析，不同种类验电器的原理分类，得到电容式验电器的推广优势，并研制出±500 kV及以上电压等级直流输电的非接触式预警装置。如图1所示为楚雄永仁±500 kV换流站。

1  静电场传感器基本原理

本文研制的非接触式特高压输电线路静电场测量装置，如图2所示，传感器模块主要包括电容型感应面板、调制开关、IV转换电路、同相仪表放大器电路、工频陷波器、二阶低通滤波电路、MCU处理单元。相比非接触式工频电场传感器的设计，主要区别在于调制开关和工频陷波器的设计，调制电路主要是因为，电容型感应面板在特高压输电线路静电场中电荷分布处于静电力平衡状态，要打破力学平衡。需要引入外界激励控制源，对于MEMS电场传感器使用力学激励来控制电荷分布实现放电回路。本设计是基于静电感应原理，在电容型面板感应到电场信号时，通过接入小电阻实现放电回路，小电阻的引入势必带来高电位，通过上下极板不同电阻的接入。控制高速开关，可实现上下极板的电位调制，实现方波信号的输出[1-5]。

算法上将硬件采集的信号通过卡尔曼滤波可以得到平滑的电场信号。利用电场信号在dt时间内的微分可以作为电场情况的判断依据。对于不同电压等级的工况下，可以通过分离算法来确定电压等级不同及电场强度重叠的区域。如图6所示为电场传感器采集电场后的处理流程。

3  不同工况下的电压检测及区分

为满足不用电压等级下的电场检测，首先针对工频电场进行了测量实验，在现场的实测数据与大量的模拟仿真实验下。如图7所示，在高压输电线路，10 kV与35 kV的检测曲线，在靠近带电导线的过程中出现了场域重叠的部分，通过定长微分的处理，可以使得重叠的电压等级进行区分。其中定长的处理，选择不同传感器之间的相对距离。

在我国，输电网电压等级一般分为高压、超高压和特高压。交流电压等级中，高压指110千伏和220千伏;超高压指330千伏、500千伏和750千伏;特高压指1000千伏。直流电压等级中，超高压指±500千伏和±660千伏，特高压指±800千伏。其中1000千伏交流电压已成为国标标称电压。图7为工

在不同工况下，需要知道输电线路的电压等级，才能够得到当前的预警距离，在电力作业人员进行作业时才能提醒作业人员危险红线在哪里。而不同的电压等级在空间电场上具有重叠区域，通过特征提取才能判断电压等级。如图9所示，作业人员在运动时，通过距离测量，三轴加速度读取，结合作业的电压等级得到区域的电场分布特点，才能判别预警阈值在哪里，进而实现预警功能。

4  系统测试及试验

电网输电线路及变电站现场的电磁环境极其复杂，设备之间交错分布等因素，导致作业人员面对的电场分布布局不具有唯一规律性，需要预警装置判断的电压等级及安全距离的确定来达到预警的目的。此时需要现场的实测数据与大量的模拟仿真实验。提取不同电压等级的电场强度分布特征，对电场与安全距离模型进行自适应调整。

如图10所示，靠近带电体静电场感应加强，远离时减弱。通过调压装置并设定不同的电压等级，为了验证算法的可行性和样机的工作性能，提取不同电压等级，通过在不同的实验室平台，进行了如下工況的实验测试及验证，以及后台服务器对检测数据的存储。

5  结论

本文为了解决电力人员在输电线路、变电站下的安全作业问题，该文研制了基于开关调制技术的非接触式电场传感器结合作业现场电塔及输电线路数学模型的建立。得到了静电场空间电场分布情况，实现了复杂电力环境下的高压直流输电线路的电场检测，能够检测空间交直流电场分布情况，为作业人员提供预警功能。试验结果表明，该电场测量装置通过控制激励源的调制，可以检测电力作业下的恒定电场和工频电场，实现±500kV超高压直流输电线路的电场测量。

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