高压电晕电流自主供能测量装置

(北京纵横机电技术开发公司，北京 100094)

随着我国经济的快速发展和电力资源需求的不断提高，我国特高压直流输电工程得到了迅猛发展。随着输电电压等级的不断提高，特高压直流输电线路在运行过程中会产生电晕放电，从而引起电晕损耗。电晕放电引起的电晕损耗,不仅决定着导线的选型，还直接影响到线路的投资和年运行费用[1-3]。因此，减少电晕损失,节约电力能源,对电网的建设具有重要的现实意义。

电晕电流是反映电晕效应及起晕特性的重要指标[4-7]，线路的电晕损耗由电晕电流和电压相乘得到，因此，特高压直流输电线路电晕损耗可以通过测量导线中的电晕电流来获得。传统的电晕电流测量装置频带较窄(仅2 MHz)，远不能满足输电线路电晕环境的精细化控制要求(电晕信号上限可达30 MHz)[8-10]。为了准确完成电晕电流的测量工作，研制了一套适用于特高压环境，专门用于电晕电流测量的宽频域电晕电流测量装置，该装置在实现电晕电流准确测量的同时，还解决了其供电问题，使其在特高压环境下，利用太阳能进行自主供电，实现电晕电流信号的连续检测。

研制出的电晕电流自主供能测量装置已被应用于北京特高压直流试验基地，通过大量的特高压直流实际线路测试，证明了该测量装置在复杂特高压电磁环境中工作的可靠性和自主供能的高效性，可以实现准确的电晕电流测量。

1 特高压直流输电线路电晕放电理论

1.1 电晕电流测量原理

直流输电线路的电晕等值电路基本上是一个非线性RC电路[11]，其等效电路模型如图1所示。

图1 电晕放电等效电路模型

图1中，C1为输电线路几何电容；C2为导线起晕时对地增加电容；C3为电晕放电损失的电容；G为泄漏电导；Von为起晕电压。

当试验线段空载加压时，C2=C3=G=0，高压发生器对C1充电且充电电流逐渐减小。当试验线段电压等级大于或等于起晕电压Von时，导线周围空气被击穿，产生空间电荷，从而产生电晕电流。将电晕电流测量系统串接在高压发生器与传输线之间，通过设备内部的高速数据采集卡可以采集到流过高频电阻传感器的电晕电流信号。

1.2 导线表面起晕场强的计算

研究表明，导线表面电晕起始场强临界值为30 kV/cm，通常只有输电线路导线表面才具有如此大的电场强度，因此可以说电晕放电现象是输电线路特有的。随着电压等级的升高，先出现起始电晕，然后是可见电晕，最后形成全面电晕。电晕起始场强的计算可用皮克公式。最初皮克通过大量实验提出的电晕起始电场强度的计算公式只适用于交流线路情况，但是当假设直流输电线路导线起晕电场强度和交流线路导线起晕电场强度的峰值相同时，皮克公式便可用于计算直流电压作用下导线的起晕场强[12-14]，公式表述如下：

(1)

式中，Ec为导线的起晕场强，单位为kV/cm；r为子导线半径，单位为cm；m为导线的表面粗糙度系数，电力行业标准DL/T436-2005《高压直流架空送电线路技术导则》中规定，在计算电晕损失时，m的取值为0.47；δ为大气校正系数。

δ=0.386P/(273+t)

(2)

式中，t为温度，单位为℃；P为大气压力，单位为Pa。

1.3 电晕电流测量系统结构

本文研制的电晕电流自主供能测量系统的结构示意图如图2所示。该系统由高压测量端装置和安全位置测量端终端两部分组成。高压测量端装置由特殊电阻传感器、高速宽频域数据采集模块、独立供电电池、能源综合管理模块、USB接口、串口、光电转换单元、太阳能电池单元、太阳能供电控制模块、储能电池等组成，主要完成数据的采集和装置的自主供能等工作。其中，USB通信接口负责实现宽频域电晕电流测量系统与USB主机之间的数据传输。本设备采用Cypress公司生产的EZ-USB FX2 (CY7C68013) USB 2.0收发器，其自带的智能SIE可以硬件处理USB 2.0协议，同时所具有的GPIF接口(General Programmable Interface)和主/从端点FIFO(8位或16位数据总线)为微处理器操作提供了无缝连接接口。USB数据在主机和外部逻辑设备中传输通常不需要FX2自带CPU处理器的参与，而是通过内部SLAVE FIFO和USB引擎直接进行主机和处理器的数据传输。由于SLAVE FIFO采用的是量子FIFO结构，最高传输速度可以达到96 MB/s，因此能够实现数据的高速传输。当遇到连续光照不充足的天气条件，自主供能单元无法满足供能需求时，装置内部的独立供电电池可自行启动，作为备用电源继续为系统供能。安全位置测量端包括光电转换单元、USB接口、串口等，主要完成数据的接收工作，并实现和上位机的通信。上位机终端可以对采集的电晕电流数据进行相应的处理和保存。高压测量端和安全位置测量端之间的通信通过光纤实现。

图2 测量系统结构示意图

2 ANSYS结构仿真

在电晕放电过程中，设备的几何构型对其表面的电场强度分布起着十分重要的作用。电场的不均匀性把主要的电离过程局限于局部电场很高的电极附近，特别是发生在曲率半径很小的电极附近薄层中(电晕层或起晕层)[15]。高压输电线路电晕放电一般发生在高电压的导体表面，输电电压越高，电晕放电越强。高压传输线上的电晕会引起电能的损耗和对无线电通信信号的干扰。研究电晕，限制电晕引起的能量损耗有着重要的实用价值。利用ANSYS对电晕电流自主供能测量装置的结构进行仿真，可以有效地优化设备结构参数，降低设备表面电场强度，对设备的安全运行具有重要意义。

描述有限元仿真的基本数学模型如下所示[16]：

(3)

▽·J=0

(4)

J=kρE

(5)

E=-▽φ

(6)

式中，E为电场强度；ρ为空间电荷密度；ε0为自由空间介电常数；J为电流密度；k为离子迁移率。对上述公式进行整理可以得到：

▽·(kρ▽φ)=0

(7)

式(7)即为ANSYS静电场求解器进行有限元求解所使用的基本方程。

电晕电流自主供能测量装置原始结构模型如图3所示。测量装置由电晕电流测量装置、太阳能自主供能单元、均压环、太阳能电池等部件组成，光伏电池通过并联的方式为储能电池充电。由于市面现有的单晶硅太阳能电池板四周均存在曲率半径很小的棱角，这些尖角部位在高压下很容易放电，并且在安装过程中，为了使太阳能电池板能够获得充足的光照，太阳能电池板无法得到均压环的全面保护。通过图4所示的ANSYS仿真计算结果可知，当电压等级为350 kV时，太阳能电池板表面电场分布极不均匀，表面电场最大处可达35.4 kV/cm。根据以往的研究可知，导线表面电晕起始场强临界值为30 kV/cm，本模型的表面电场强度已经超出电晕起始场强临界值，因此必须对其结构加以改进来抑制电晕的产生。工程实际中限制电晕最有效的方法是改进电极的形状，增大电极的曲率半径，如采用均压环、屏蔽环等，以改善电场分布、提高气体间隙的击穿电压。同时，电极表面尽量避免毛刺、棱角等，以消除电场局部增强的现象。根据上述防晕措施，将太阳能电池板嵌入经过特殊加工的均压环装置中，使太阳能电池板的棱角能够全部包裹在均压装置中，并且太阳能电池板表面能够和均压环装置表面密切贴合，以减弱表面放电，其结构如图5所示。嵌有太阳能电池板的均压装置背面装有万向轴头，使其角度和方向可调，使太阳能电池能够在最佳光照条件下工作。经过改进的自主供能测量设备结构如图6所示。

图3 原始模型

图4 仿真结果

图5 均压装置

图6 改进的模型

模型中均压环直径D全部取固定值10 cm，设备所加的端电压为350 kV。由于自主供能单元中只有两个均压装置中的光伏电池可以调整为朝南的方位接受光照，因此，仿真计过程中，通过改变均压装置的个数和它与地面所成的角度来分析比较测量装置表面的电场强度，仿真计算结果如图7所示。

图7 350 kV仿真结果

3 分析与讨论

3.1 日照强度对光伏电池的影响

太阳能光伏电池的照射角度与其输出特性息息相关，光伏电池输出电流随着阳光照射角度的变化而改变，只有当太阳光照射角度与电池板垂直时输出电流和电压才是最佳的，这时电池板才能最大化地全面地接收太阳光。因为嵌有太阳能电池板的均压装置角度可调，因此可以根据不同地区的日照角度调整太阳能电池板与地面所形成的角度并固定，通过跟踪最大功率点，使太阳能电池板的发电性能达到最佳状态。以北京地区为例，当太阳能电池板与地面夹角成40°左右时(冬季为60°左右)，太阳能电池发电性能最佳。

3.2 仿真结果分析

由ANSYS仿真计算得到的测量设备表面电场强度变化规律如图8所示。图8(a)显示的是太阳能电池板角度与测量设备表面电场强度的关系，由图8(a)可知，测量设备表面电场强度随均压装置对地夹角的变大而减弱。其中具有3个均压装置的测量设备的表面电场强度低于只有2个均压装置的测量设备，并且当太阳能电池板对地角度超过45°时，表面电场强度差值较为明显。根据北京地区光伏电池最佳入射角度和表面场强与角度的仿真结果，对均压装置对地夹角为45°的测量设备进行了不同电压等级下的表面电场强度的仿真计算，结果如图8(b)所示。由图可知，当电压等级达到500 kV时，设备表面的电场强度仍低于电晕起始场强临界值，因此通过ANSYS仿真优化出的系统结构可以满足工程需要。

图8 设备表面电场强度变化规律

4 试验验证

4.1 电阻传感器阻抗特性试验

电晕电流具有非常宽的频带范围(0 Hz至几十MHz)，因此，对传感器的特性阻抗测试是非常有必要的。传感器的特性阻抗一般通过网络分析仪(VNA)来进行。图9为传感器的特性阻抗实部和虚部输出结果。由图9可以看出，取样电阻传感器在15 MHz以下时，其阻抗呈纯阻性，输出值为50 Ω；当频率超过30 MHz以后，传感器阻抗发生谐振，输出值变化很大。因此，在进行信号采样前，首先要通过滤波器对该频率以上的信号进行处理，使得ADC采集到的源数据准确，可靠。

图9 电阻传感器阻抗特性

4.2 设备充电性能测试

电晕电流自主供能测量系统在利用太阳能对其内部电池进行充电时，可以采用1块太阳能电池板进行光电转化，也可以通过2块或3块太阳能电池板以并联的形式为系统供能。为了测试系统的供能情况，分别对其在典型工作状况下使用1块、2块和3块太阳能电池板充电时的充电电流情况进行了统计分析，表1为试验获得的最大和最小充电电流情况。

表1 太阳能自主供能装置性能分析

由表1的试验数据可知，并联使用的太阳能电池板越多，系统所获得的充电电流就越大，电池的充电速度就越快。然而受季节性因素的影响，系统所获得的充电电流大小是不断变化的，并且最大充电电流与最小充电电流之间相差很多。表2为北京地区11月份不同天气条件下，采用3块太阳能电池板以并联方式供能的供能装置试验参数情况，由表2可知，天气状况越好，电池充电时间越短。

4.3 高压放电测试

该电晕电流自主供能测量装置现已用于实际高压

表2 不同天气条件供能装置参数对比

直流线路试验。设备的安装如图10所示。试验过程采用试验线路双极加压的形式，电压等级为350 kV，通过紫外成像仪(DayCor-SUPERB)观察电晕电流自主供能测量装置表面放电情况，高压放电测试结果如图11所示，紫外成像仪中光子计数率在可接受值范围内，说明该设备结构的设计可以满足工程需要。

图10 安装现场

图11 设备高压放电测试

4.4 实际线路测试

该电晕电流测量系统现已用于实际线路4分裂LGJ-95/20导线电晕电流的测量。测试线路长100 m，线路对地最小高度为7 m，正负极之间距离为6 m。试验线路测试的电压等级范围为0～±300 kV。图12为试验线段±300 kV电压等级下电晕电流频谱分布，由图可知，电晕电流信号测量范围可达30 MHz。经过长期的线路试验，该自主供能电晕电流测量系统可以稳定工作，并能够实现电晕电流信号的连续检测，可以满足工程实际标准。图13为试验线段正负极电晕电流随电压等级变化的关系曲线，由图可知，随着线路上电压等级的升高，电晕电流逐渐变大，当负极的电压等级高于100 kV时，电晕电流信号开始产生较为明显的变化；当正极的电压等级高于125 kV时，电晕电流信号才开始产生较为明显的变化。正负极的电晕电流信号随线路上的电压等级升高呈指数上升趋势。双极加压时，同样的电压等级下，负极的电晕电流信号强度略高于正极。

5 结论

① 为了研究高压输电线路的电晕电流特性，计算线路的电晕损耗，研制了一套宽频域电晕电流自主供能测量装置，最大电晕测量宽度可达30 MHz。

② 利用太阳能和独立电源两种供能形式，可有效延长测量装置的工作周期，提高工作效率。

图12 ±300 kV电晕电流频谱分布

图13 电晕电流变化的V-I特性

③ 通过对测量装置的ANSYS建模仿真，优化得到最佳结构参数，有效降低设备表面电场强度。

④ 测量装置在实际输电线路下经过长期的测试，结果表明，该测量装置性能稳定，可完成高压复杂电磁环境下的电晕电流测量任务。