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強(qiáng)度也隨之變大，當(dāng)輸電線路的表面電場強(qiáng)度超過周圍空氣的擊穿場強(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量系統(tǒng)，對(duì)線路電暈損耗進(jìn)行測量、分析計(jì)算。

1 電暈損耗監(jiān)測原理

    輸電線路電暈損耗測量原理如圖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，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)線繞無感電阻R1，電暈放電時(shí)通過銅箔層向外放電的泄漏電流均從R1流過。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LGJ-300/40，長度為14 m，本次實(shí)驗(yàn)中銅箔層長度為2 m；R0與R1為無感電阻，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。

    電暈損耗功率通過電阻R0的電流與輸電線路電壓的功率值來計(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，通過計(jì)算首端電阻R1的電流與輸電線路電壓的功率值來表征，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，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，人員也無法靠近輸電線路進(jìn)行相關(guān)測量，否則有安全隱患，故采用無線方式。測量系統(tǒng)要求對(duì)電暈波形進(jìn)行完整測量，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時(shí)延同步采集。無線測量系統(tǒng)如圖2所示，輸電線電壓波形的測量和銅箔上波形的測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。無線傳輸方式下，高速數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸。采集卡1為兩路同步采集卡，測量首端電阻R0與銅箔電阻R1兩端電壓波形信號(hào)。采集卡2測量輸電線路的電壓，調(diào)壓裝置本身具有測量端輸出接口，實(shí)際電壓與測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)行測量。

    系統(tǒng)同步采集的過程是上位機(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GPS授時(shí)模塊判斷采集開始時(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，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網(wǎng)絡(luò)傳輸至PC后，在PC端通過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度、銅箔薄膜長度、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)測量，在不同電壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測得的數(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。

    測得的電暈消耗功率如圖5所示，首端電阻法測得的電暈損耗要略大于銅箔薄膜法測得的電暈損耗功率。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，故首端法測得的電暈功率要高于薄膜法測得的電暈功率，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)用的測量方法對(duì)輸電線路的電暈損耗進(jìn)行精確測量。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）