CN101419257A - 交直流并行输电线路地面电场测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及交直流并行输电线路地面电场测量系统及其测量方法，属于高压输电线路电磁环境技术领域，该系统主要包括依次相连的旋转伏特计，示波器和储存有混合电场分析程序的计算机的三部分；该方法包括：读取旋转伏特计校准数据；设置示波器采样频率；对采样数据进行频谱分析，搜索峰值频率；分析所述各峰值频率，判断出基频、差频、倍频；计算各基频外电场幅值；存储外电场频谱信息。采用本发明成功地用交直流并行输电线路地面电场测量系统对交直流混合电场进行了测量，测量准确度较高。
Description
技术领域
本发明属于高压输电线路电磁环境技术领域，特别涉及交直流并行高压输电线路下地面电场测量系统的开发。
背景技术
随着我国电力系统建设的高速发展，在电站、变电站等电力传输密集区域交直流并行输电的应用越来越多。特别是特高压直流电网建设中，一方面换流站出口附近直流交流线路汇于一处，且可能路径相同，将交直流线路相邻架设甚至共走廊可以大量节省占地，并降低设计难度；另一方面新增的长距离跨区域直流输电线路如果能共用已有的交流输电走廊，可以带来显著的经济效益和社会效益。
然而交直流并行输电可能带来一些负面效应，其中对并行线路附近电磁环境的污染是必须关注的问题。高压输电线路附近电磁环境污染程度主要用以下物理量衡量：无线电干扰、可听噪声、地面电场、地表离子流密度。目前针对以上物理量的测量装置只适用于单独的直流线路或交流线路，若直接应用在交直流并行线路则或交直流不能兼顾难以获得真实值，或不能区分交流和直流引起的效应难以对主要电磁污染源做出评判。
交流和直流线路下地面电场测量装置原理不同，若使用不同装置分别测量交流和直流成分则不能保证测量的是同一位置的交流场和直流场；并且交直流并行线路下空间离子流运动引起的非线性效应可能产生非直流或工频交流的电场，使用传统的测量方法必然会忽略这部分电场而影响测量准确性。
发明内容
本发明的目的是为了对交直流并行输电线路地面电场进行测量，提出一种交直流并行输电线路地面电场测量系统，可以同时测量外电场同一位置上的直流成分和各种频率交流成分，可以真实反映交直流并行线路下的地面电场值；并在外电场变化不快的情况下可以对外电场进行实时连续测量，有利于交直流并行线路电磁环境的长时间在线检测。
本发明提出的交直流并行输电线路地面电场测量系统，其特征在于，主要包括依次相连的旋转伏特计，示波器和储存有混合电场分析程序的计算机的三部分；
该旋转伏特计，用于获得待测交直流并行输电线路地面电场感应的交变电流；
该示波器，用于对所述交变电流的时域信号进行采样，显示采样信号并将采样结果送至计算机；
该储存有混合电场分析程序的计算机，用于对所述交变电流的时域信号进行傅立叶变换，对交变电流的频谱进行分析，得到测量位置外电场的频率成分和对应幅值。
采用如上述的系统的交直流并行输电线路地面电场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)读取旋转伏特计校准数据：旋转伏特计在首次使用前应在已知大小的直流电场中进行校准，得到空间直流电场幅值与感应电流的比值COEF(0)作为校准数据，并将此校准数据存入计算机，每次测量开始时进行读取；
(2)设置示波器采样频率：示波器采样频率fs的取值范围为：
10×Nh×fh≤fs≤5×Ns
式中：Nh为旋转伏特计圆盘开孔数；fh为旋转伏特计圆盘转动频率；Ns为示波器采样点数；并通过GPIB接口对示波器进行设置；
(3)对采样数据进行频谱分析，搜索峰值频率：控制示波器对旋转伏特计输出的感应电流信号进行读取，得到时域波形；对该感应电流信号的时域波形进行快速傅立叶变换得到感应电流信号的频谱，查找感应电流信号的频谱中局部极值点，记录各峰值频率fp和峰值幅值Ip作为后续分析的依据；
(4)分析所述各峰值频率，判断出基频、差频、倍频：根据已知的旋转伏特计圆盘转动频率，通过分析各峰值频率间关系，确定各基频、差频、倍频；
(5)计算各基频外电场幅值：利用校准数据COEF(0)，由信号直流成分与旋转伏特计转动频率的一阶调制频率fp(C)的感应电流值Ip(C)计算外电场的直流成分E0，由交流成分与旋转伏特计转动频率的一阶调制频率fp(B)、fp(D)的感应电流值Ip(B)、Ip(D)计算外电场的交流成分E1；
(6)存储外电场频谱信息：将分析得到的外电场频谱信息存储在计算机中备用。
本发明的特点及有益效果
本发明提出的交直流并行输电线路地面电场测量系统是首次提出对交直流并行线路下混合电场的测量方法，其优点是可以同时测量外电场同一位置上的直流成分和各种频率交流成分，可以真实反映交直流并行线路下的地面电场值；另外本系统在外电场变化不快的情况下可以对外电场进行实时连续测量，有利于交直流并行线路电磁环境的长时间在线检测。
采用本发明成功地用交直流并行输电线路地面电场测量系统对交直流混合电场进行了测量，测量准确度较高。
本发明为交直流并行线路附近电磁环境监测提供一种工具，同时也为交直流并行线路电磁环境特性的科学研究提供一种手段。本发明也可用来测量变化较慢的一般时变电场。
附图说明
图1为本发明的交直流并行输电线路地面电场测量系统组成示意图。
图2为本发明的旋转伏特计结构示意图。
图3为本发明的旋转伏特计输出电流信号波形图。
图4为本发明的旋转伏特计输出电流信号频谱图。
图5为采用本发明的系统的交直流并行输电线路地面电场测量流程图。
具体实施方式
本发明提出的交直流并行输电线路地面电场测量系统，结合附图及实施例详细说明如下：
本发明的总体结构如图1所示，包括旋转伏特计、示波器、存有混合电场分析程序的计算机三部分，其中：
该旋转伏特计，用于获得待测交直流并行输电线路地面电场感应的交变电流；
该示波器，用于对所述交变电流的时域信号进行采样，显示采样信号并将采样结果送至计算机；
该储存有混合电场分析程序的计算机，用于对所述交变电流的时域信号进行傅立叶变换，对交变电流的频谱进行分析，得到测量位置外电场的频率成分和对应幅值。
本发明各组成部件的实施例结构及功能分别说明如下：
本发明的旋转伏特计结构如图2所示，其在直流电场测量中应用广泛，主要由上下放置的两金属开孔圆盘1、2、电机3、转动轴4、接地电刷5、微电流检测电路6构成。上圆盘通过电机带动旋转，并通过轴上的接地电刷接地，下圆盘与转动轴绝缘，位置固定不变，测量时由于上圆盘的转动使下圆盘暴露在电场中的面积随时间变化，感应出交变的电荷，微电流检测电路与下圆盘相连，检测出交变电荷形成的交流感应电流，该交流感应电流幅度与空间电场幅度成正比，经校准后即可得到空间电场值。当外电场为直流时，检测到的感应电流为正弦信号，只要用电流表测量该信号幅度就可以得到空间电场的大小。但当外电场为非直流时，检测到的感应电流如图3中曲线a所示，是多频率分量信号的叠加，难以从中直接对外电场进行分析。但上述电流信号也可以看作外电场与开孔圆盘转动的调制结果，可以将感应电流信号进行傅立叶变换得到其频谱，如图4所示，频谱中的每个峰位(如图中A—G)都对应外电场不同频率分量与叶片转动频率调制出的一个频率(通过选择合适的叶片转动频率和由感应电流频谱各峰位峰值反推外电场各频率分量得到)。
本发明的旋转伏特计的一个实施例具体结构参数为：上下圆盘直径都为7cm，每个圆盘上等间隔开6个扇形孔，开孔角度为30度，开孔外径3cm，内径1cm，上圆盘转动频率为50Hz。
本发明的示波器选用Tektronix公司的TDS2024数字存储示波器，通过GPIB接口与计算机连接。测量对象为15kV/m直流电场与10kV/m、频率50Hz交流电场叠加的混合电场。使用计算机中存储的混合电场分析程序控制示波器、读取采样数据、分析数据得到外电场信息。
本发明的计算机可采用通用的PC机，要求CPU主频1.8GHz以上，内存1G以上，安装有WindowsXP操作系统。
本发明提出的采用上述系统的交直流并行输电线路地面电场的测量方法流程如图5所示，包括以下步骤：
(1)读取旋转伏特计校准数据：旋转伏特计在首次使用前应在已知大小的直流电场中进行校准，得到空间直流电场幅值(以kV/m为单位)与感应电流(以μA为单位)的比值COEF(0)作为校准数据，并将此校准数据存入计算机，每次测量开始时进行读取，本实施例中COEF(0)＝23.562(kV/m/μA)。
(2)设置示波器采样频率：(选择示波器采样频率时既要保证覆盖主要频谱，又要保证足够的频率分辨率)示波器采样频率fs的取值范围为：
10×Nh×fh≤fs≤5×Ns (1)
式中：Nh为旋转伏特计圆盘开孔数(本实施例中为6)；fh为旋转伏特计圆盘转动频率(本实施例中为50Hz)；Ns为示波器采样点数(本实施例中为2500)。故本实施例中示波器采样频率fs的选择范围是3kHz≤fs≤12.5kHz，本实施例设置fs＝5kHz，并通过GPIB接口对示波器进行设置；
(3)对采样数据进行频谱分析，搜索峰值频率：控制示波器对旋转伏特计输出的感应电流信号进行读取，得到时域波形(如图3中曲线a所示)；对该感应电流信号的时域波形进行快速傅立叶变换得到感应电流信号的频谱(如图4中曲线b所示，频谱主要由数个峰值构成，如A—G)，查找感应电流信号的频谱(曲线b)中局部极值点，记录各峰值频率fp和峰值幅值Ip作为后续分析的依据；
本实施例的峰值A—G的频率和幅值如下：
| 编号 | 峰值频率fp(Hz) | 幅值Ip(μA) |
| A | 50 | 0.123 |
| B | 250 | 0.184 |
| C | 300 | 0.633 |
| D | 350 | 0.236 |
| E | 850 | 0.069 |
| F | 900 | 0.196 |
| G | 950 | 0.059 |
(4)分析所述各峰值频率，判断出基频、差频、倍频：根据已知的旋转伏特计圆盘转动频率，通过分析各峰值频率间关系，确定各基频、差频、倍频；
本实施例中旋转伏特计圆盘转动频率为Nh×fh＝300Hz，对应fp(C)；由于fp(F)＝3×fp(C)，故fp(F)为旋转伏特计圆盘转动频率的三倍频；由于fp(D)-fp(C)＝fp(C)-fp(B)＝fp(G)-fp(F)＝fp(F)-fp(E)＝fp(A)，故fp(A)为外电场基频，fp(B)、fp(D)为旋转伏特计圆盘转动频率fp(C)与外电场基频fp(A)的差频，fp(E)、fp(G)为旋转伏特计圆盘转动频率的三倍频fp(F)与外电场基频fp(A)的差频。
(5)计算各基频外电场幅值：利用校准数据COEF(0)，由信号直流成分与旋转伏特计转动频率的一阶调制频率fp(C)的感应电流值Ip(C)计算外电场的直流成分E0，由交流成分与旋转伏特计转动频率的一阶调制频率fp(B)、fp(D)的感应电流值Ip(B)、Ip(D)计算外电场的交流成分E1；
本实施例中曲线b中C、F为一频率族，对应空间电场中的直流电场部分，利用校准数据COEF(0)，由信号直流成分与旋转伏特计转动频率的一阶调制频率fp(C)的感应电流值Ip(C)计算外电场的直流成分E0，如式2：
E0＝COEF(0)×Ip(C)＝14.91(kV/m) (2)
A、B、D、E、G为一频率族，对应空间电场中的50Hz交流电场部分，由交流成分与旋转伏特计转动频率的一阶调制频率fp(B)、fp(D)的感应电流值Ip(B)、Ip(D)计算外电场的交流成分E1，如式3。
E1＝(COEF(B)×Ip(B)+COEF(D)×Ip(D))/2 (3)
其中COEF(B)＝COEF(0)×2×fp(C)/fp(B)＝56.548(kV/m/μA)
COEF(D)＝COEF(0)×2×fp(C)/fp(D)＝40.392(kV/m/μA)
故E1＝9.97(kV/m)。
(6)存储外电场频谱信息：将分析得到的外电场频谱信息存储在计算机中。
本实施例分析得到空间电场直流分量14.91kV/m，50Hz交流分量9.97kV/m，与真实值相差在1％以内。
Claims (2)
1、一种交直流并行输电线路地面电场测量系统，其特征在于，主要包括依次相连的旋转伏特计，示波器和储存有混合电场分析程序的计算机的三部分；
该旋转伏特计，用于获得待测交直流并行输电线路地面电场感应的交变电流；
该示波器，用于对所述交变电流的时域信号进行采样，显示采样信号并将采样结果送至计算机；
该储存有混合电场分析程序的计算机，用于对所述交变电流的时域信号进行傅立叶变换，对交变电流的频谱进行分析，得到测量位置外电场的频率成分和对应幅值。
2、采用如权利要求1所述的系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)读取旋转伏特计校准数据：旋转伏特计在首次使用前应在已知大小的直流电场中进行校准，得到空间直流电场幅值与感应电流的比值COEF(0)作为校准数据，并将此校准数据存入计算机，每次测量开始时进行读取；
(2)设置示波器采样频率：示波器采样频率fs的取值范围为：
10×Nh×fh≤fs≤5×Ns
式中：Nh为旋转伏特计圆盘开孔数；fh为旋转伏特计圆盘转动频率；Ns为示波器采样点数；并通过GPIB接口对示波器进行设置；
(3)对采样数据进行频谱分析，搜索峰值频率：控制示波器对旋转伏特计输出的感应电流信号进行读取，得到时域波形；对该感应电流信号的时域波形进行快速傅立叶变换得到感应电流信号的频谱，查找感应电流信号的频谱中局部极值点，记录各峰值频率fp和峰值幅值Ip作为后续分析的依据；
(4)分析所述各峰值频率，判断出基频、差频、倍频：根据已知的旋转伏特计圆盘转动频率，通过分析各峰值频率间关系，确定各基频、差频、倍频；
(5)计算各基频外电场幅值：利用校准数据COEF(0)，由信号直流成分与旋转伏特计转动频率的一阶调制频率fp(C)的感应电流值Ip(C)计算外电场的直流成分E0，由交流成分与旋转伏特计转动频率的一阶调制频率fp(B)、fp(D)的感应电流值Ip(B)、Ip(D)计算外电场的交流成分E1；
(6)存储外电场频谱信息：将分析得到的外电场频谱信息存储在计算机中备用。
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| PB01 | Publication | ||
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