0 引言

    隨著輸電電壓的不斷提高，輸電線路表面和周圍的空間電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之變大，當(dāng)輸電線路的表面電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)周圍空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，輸電線路就會(huì)發(fā)生電暈現(xiàn)象^[1]。在輸送電能的電網(wǎng)設(shè)計(jì)中，輸電線路電暈損耗計(jì)算有著重要的作用^[2]。電暈損耗測(cè)量方法主要有采樣電阻法^[3]、電暈籠法^[4]、電橋法^[5]等。

    對(duì)電暈損耗的研究，雖然已經(jīng)總結(jié)出了一些經(jīng)驗(yàn)性的計(jì)算公式^[6]，但這些公式的適用性受到很大限制，尤其是對(duì)于我國(guó)特有的超高壓輸電線路的電暈損耗，并不一定適用。使用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量線路電暈損耗的方法鮮有報(bào)道，本文在前期設(shè)計(jì)的基于金屬膜法測(cè)量線路電暈損耗基礎(chǔ)上^[7]，設(shè)計(jì)了一套高壓輸電線路電暈損耗的測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)線路電暈損耗進(jìn)行測(cè)量、分析計(jì)算。

1 電暈損耗監(jiān)測(cè)原理

    輸電線路電暈損耗測(cè)量原理如圖1所示，高壓試驗(yàn)裝置中的調(diào)壓模塊，最高可以產(chǎn)生190 kV的交流電壓。在輸電線表面覆蓋一層絕緣薄膜，然后在絕緣薄膜上再覆蓋一層銅箔膠帶，薄膜、銅箔厚度均為0.06 mm。輸電線路、絕緣薄膜、銅箔層就構(gòu)成了一個(gè)電容。銅箔層將電暈放電產(chǎn)生的放電小電流與輸電線路的大電流分離出來(lái)，對(duì)電暈放電產(chǎn)生的小電流進(jìn)行采集、分析計(jì)算，從而獲得電暈損耗能量。具體方法是銅箔層與輸電線之間串聯(lián)一個(gè)線繞無(wú)感電阻R1，電暈放電時(shí)通過(guò)銅箔層向外放電的泄漏電流均從R1流過(guò)。輸電導(dǎo)線產(chǎn)生電暈損耗的電暈泄漏電流由兩部分組成，一部分是穩(wěn)態(tài)的低頻電暈電流；另一部分為瞬時(shí)電暈放電脈沖電流。通過(guò)采集R1兩端的波形，可以獲得電暈放電波形。同時(shí)為了驗(yàn)證該方法的正確性，在空載的輸電線路前端串聯(lián)一個(gè)首電阻R0，R0與R1共同連接的輸電線段為公共電位，則這兩個(gè)電阻測(cè)得的相關(guān)參數(shù)應(yīng)相同或近似。

    輸電線為鋼芯鋁絞線，其型號(hào)為L(zhǎng)GJ-300/40，長(zhǎng)度為14 m，本次實(shí)驗(yàn)中銅箔層長(zhǎng)度為2 m；R0與R1為無(wú)感電阻，且阻值均為200 Ω。

    根據(jù)功率的基本定義，在計(jì)算輸電線路的電暈損耗時(shí)采用瞬時(shí)功率計(jì)算法。瞬時(shí)功率法采取同一時(shí)刻的電壓和電流值相乘，是比較快捷簡(jiǎn)便的計(jì)算電暈損耗的方法，對(duì)穩(wěn)定的低頻電暈電流和電暈放電脈沖產(chǎn)生的電暈損耗都可以進(jìn)行計(jì)算。

    電暈損耗功率通過(guò)電阻R0的電流與輸電線路電壓的功率值來(lái)計(jì)算。整個(gè)空載線路的損失可以看作主要由電暈損耗引起，通過(guò)計(jì)算首端電阻R1的電流與輸電線路電壓的功率值來(lái)表征，則R0與R1上消耗的功率歸一化后，應(yīng)該是一個(gè)接近的值。

2 高速采集卡設(shè)計(jì)

    采集系統(tǒng)以XILINX Spartan 6 FPGA芯片為核心，利用AD9226作為12 bit AD采集模塊。芯片最高采樣率可達(dá)65 MS/s；設(shè)計(jì)輸入電壓范圍為-5 V～+5 V。

    根據(jù)AD9226芯片手冊(cè)，將AD9226配置為單端輸入，輸入范圍1.0 V～3.0 V的模式，在此模式下，使用AD9226內(nèi)部基準(zhǔn)源，即VREF基準(zhǔn)電壓為2 V。VREF是基準(zhǔn)電壓輸出端口，可提供1 V和2 V兩種基準(zhǔn)電壓。本文將SENSE與GND連接，使用2 V基準(zhǔn)電壓來(lái)設(shè)計(jì)衰減電路。

    在衰減電路中，采用了一片145 MHz的AD8065運(yùn)算放大器，AD8065 FastFET放大器為電壓反饋型放大器，提供FET輸入。原始電壓輸入范圍為-5 V～+5 V，需要減小到1 V～3 V。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)滿足上述要求的衰減電路，轉(zhuǎn)換公式為：

    當(dāng)V_in=-5 V時(shí)，V_out=1 V；當(dāng)V_in=+5 V時(shí)，V_out=3 V。轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以后，將上述轉(zhuǎn)換公式反向運(yùn)算，并將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行放大，即可得到輸入電壓的真實(shí)數(shù)值。信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減電路后會(huì)存在一定的誤差，將其誤差視為線性誤差，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行人工校準(zhǔn)，減小誤差范圍。

    設(shè)計(jì)FPGA的最小系統(tǒng)，并將AD9926的12 bit數(shù)據(jù)位、時(shí)鐘位和OTR位連接至FPGA的總線上，構(gòu)成了高速采集卡。高速采集模塊以AD9226轉(zhuǎn)換芯片為核心，采用AD8065作為反饋放大器輸入端，TL072作為低噪聲JFET輸入的運(yùn)算放大器，將輸入信號(hào)送至AD9226。由于環(huán)境干擾等因素影響，采集卡的采樣速率并未達(dá)到芯片最高采樣速率，其穩(wěn)定采樣速率最高可達(dá)10 MS/s。

3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    電暈采集及監(jiān)控系統(tǒng)用于高壓輸電線路，為了保證線路的安全，輸電線不能與高壓塔架有線連接，人員也無(wú)法靠近輸電線路進(jìn)行相關(guān)測(cè)量，否則有安全隱患，故采用無(wú)線方式。測(cè)量系統(tǒng)要求對(duì)電暈波形進(jìn)行完整測(cè)量，設(shè)計(jì)的采集模塊采樣頻率最高為10 MS/s，對(duì)于兆級(jí)采樣速率，采用高速3G網(wǎng)絡(luò)或者WiFi組網(wǎng)方式，使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。

    由于電暈損耗采用瞬時(shí)功率法計(jì)算功率，故設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要對(duì)輸電線路電壓和電暈泄漏電流做到無(wú)時(shí)延同步采集。無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示，輸電線電壓波形的測(cè)量和銅箔上波形的測(cè)量在不同的空間位置，采用高精度GPS授時(shí)模塊同步采集時(shí)間。無(wú)線傳輸方式下，高速數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸。采集卡1為兩路同步采集卡，測(cè)量首端電阻R0與銅箔電阻R1兩端電壓波形信號(hào)。采集卡2測(cè)量輸電線路的電壓，調(diào)壓裝置本身具有測(cè)量端輸出接口，實(shí)際電壓與測(cè)量端輸出電壓的比值為1 000：1。數(shù)字高壓表進(jìn)一步將電壓比值變?yōu)?25：1，最終輸出一個(gè)小信號(hào)，由采集卡2進(jìn)行測(cè)量。

    系統(tǒng)同步采集的過(guò)程是上位機(jī)客戶端給兩個(gè)采集卡發(fā)送同步采集命令，采集卡接收命令后通過(guò)GPS授時(shí)模塊判斷采集開(kāi)始時(shí)間，采集成功后返回成功信息標(biāo)志。若信號(hào)采集失敗，則采集卡延時(shí)一段時(shí)間后重新同步采集，直到成功為止。

    圖3為輸電線上采集裝置實(shí)物圖，使用膠囊狀外殼，內(nèi)壁為金屬屏蔽涂層，屏蔽涂層與輸電線連接。輸電線從外殼中間穿過(guò)，屏蔽外殼與輸電線共電位，形成了一個(gè)同電位保護(hù)層，雖然輸電線上電位很高，但是在屏蔽外殼中，電子設(shè)備受到的電磁干擾大大降低。

4 采集及分析軟件設(shè)計(jì)

    銅箔電阻、首端電阻和輸電線電壓通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至PC后，在PC端通過(guò)LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄、分析及顯示。

    采集卡為兩路同步模擬采集卡，量程為±2.5V，每通道最高采樣頻率10 MS/s，并可以設(shè)置多檔采樣頻率，存儲(chǔ)深度為8 MB，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口TCP/IP編程實(shí)現(xiàn)連接。采集卡可直接與計(jì)算機(jī)連接，也可通過(guò)交換機(jī)、路由器或3G網(wǎng)卡接入局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)。采集卡命令碼為6 B，分別為：功能碼、時(shí)、分、秒、異或碼、結(jié)束符。功能碼為1 B，4～7 bit固定為1111；3 bit代表采集方式，同步采集時(shí)需讀取GPS時(shí)間；0～2 bit代表采集頻率。采集卡接收命令后，采集并回傳采集數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)為16 bit帶符號(hào)整數(shù)。

    上位機(jī)軟件采用LabVIEW平臺(tái)編程實(shí)現(xiàn)，主要包括線路電壓、首端電阻及銅箔薄膜電阻電壓信號(hào)波形的實(shí)時(shí)顯示、波形相位角的測(cè)量、信號(hào)的傅里葉變換、電暈功率的計(jì)算等功能。在主界面輸入線路長(zhǎng)度、銅箔薄膜長(zhǎng)度、自動(dòng)/手動(dòng)方式等參數(shù)，上位機(jī)軟件接收采集卡發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示及分析。圖4為在空載輸電線路電壓122 kV時(shí)，采集的各路波形信號(hào)，幅值最高的1號(hào)曲線為輸電線路電壓波形，幅值最小的3號(hào)曲線為銅箔薄膜電阻兩端的電壓波形，2號(hào)波形為首端電阻兩端電壓波形，這些信號(hào)均為同步采集獲得。

    功率信號(hào)的計(jì)算在LabVIEW平臺(tái)下采用電能功率計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)，電能功率計(jì)算模塊的兩個(gè)輸入信號(hào)為輸電線路信號(hào)與首端電阻電流信號(hào)，輸出功率值。在輸電線路122 kV電壓下，輸電線路消耗的功率為4.48 W/m,銅箔薄膜電暈損耗功率為4.06 W/m。測(cè)得的薄膜功率小于輸電線路的功率，這是因?yàn)槭軐?shí)際線路上兩端連接處及導(dǎo)線表面的平整度等因素影響，使得輸電線路的平均功率較大。

    輸電線路與銅箔電阻電壓波形的相位角測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法：使用提取單頻信號(hào)模塊計(jì)算線路電壓與銅箔薄膜電阻兩端電壓的相位差。

5 測(cè)量結(jié)果及分析

    在空載輸電線路下進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量，在不同電壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示。隨著輸電線路電壓的增加，采樣電阻兩端電壓及電暈功率均隨著增加，但是線路電壓與采樣電阻兩端電壓的相位角基本保持一致。

    測(cè)得的電暈消耗功率如圖5所示，首端電阻法測(cè)得的電暈損耗要略大于銅箔薄膜法測(cè)得的電暈損耗功率。實(shí)驗(yàn)線路中的兩端尖端放電引起的能量消耗，實(shí)際包含在首端法消耗的功率，由于尖端放電的功率很難進(jìn)行量化處理，計(jì)算線路長(zhǎng)度時(shí)，并未減去線路兩端尖端放電引起的功率消耗，故首端法測(cè)得的電暈功率要高于薄膜法測(cè)得的電暈功率，這符合實(shí)際情況。

6 結(jié)論

    電暈損耗的計(jì)算一直是電力行業(yè)內(nèi)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，到目前為止尚未有通用、實(shí)用的測(cè)量方法對(duì)輸電線路的電暈損耗進(jìn)行精確測(cè)量。目前已有的文獻(xiàn)中對(duì)于電暈損耗的計(jì)算多以理論分析為主，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證較少。本文設(shè)計(jì)了實(shí)用的在線輸電線路電暈損耗測(cè)量系統(tǒng)，采集頻率可達(dá)10 MS/s，并利用GPS授時(shí)進(jìn)行同步采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，交流輸電線路電壓越高，輸電線路的電暈損耗越大。利用該系統(tǒng)測(cè)得的波形數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步研究輸電線路電暈特性提供了基礎(chǔ)條件。

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作者信息:

吳  健1，樊  創(chuàng)1，馮國(guó)亮2，樸  亨2

（1.陜西電力科學(xué)研究院，陜西 西安710054；2.東北電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林132012）