CN105572510B - 一种基于电晕笼的直流输电线路电晕损失测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电晕笼的直流输电线路电晕损失测试方法，以电晕笼中导线与笼壁间距离为衡量距离，确定输电线路导线周围与电晕笼形状相同的虚拟框的位置，基于仿真计算确定输电线路导线在虚拟框处产生的电压，将输电线路导线电压与虚拟框处产生的电压相减，得到在电晕笼中施加在电晕笼中导线与电晕笼之间的等效电压，将等效电压施加在电晕笼中导线与电晕笼之间，测量电晕笼壁与其接地点之间引线的电流，将测得的电晕损失的电流乘以输电线路导线电压，得到输电线路导线的电晕损失。本发明可以将直流电晕笼中电晕损失实验结果可以直接用于实际线路，无需任何修正和折合。
Description
技术领域
本发明涉及高电压技术领域，尤其涉及一种基于电晕笼的直流输电线路电晕损失测试方法。
背景技术
电晕放电及其引用的电晕损失是输电线路设计、建设和运行时需要考虑的关键问题之一。电晕损失的根源是导线表面由于电场强度较高而引起的电晕放电，因此，研究电晕损失需要同时监测导线对地电压和导线电晕放电电流，最直接的方式是在投运的线路上开展观测研究。由于电晕放电受季节、气候、天气、海拔等因素的影响巨大，因此在线路上开展研究需要经过多年的统计观测才能获得各种因素对电晕损失的影响规律，且得到的结果仅适用于被测导线、给定电压；对于其他导线、其他电压下的情况还需要在相应的线路上开展重复研究，人力、物力、时间等耗费巨大，对于未来将要建设的新线路，由于没有测试对象，无法开展有效测试。另一种研究电晕损失的手段是在模拟建造的实验线段上开展研究，由于模拟线段更换导线、改变电压比较容易，因此对于未来将要建设的新线路，可以先在模拟线段上开展预测研究，研究成本大大降低。但是实验线段的实验也需要经过多年的统计观测才能获得季节、气候、天气、海拔等各种因素对电晕损失的影响规律，时间等耗费仍然巨大。与实际线路和实验线段测试相比，电晕笼具有投资小、试验条件可控性强，试验周期短、无需高电压实验电源等特点，是研究电晕问题的有效工具。
目前，交流输电线路的电晕损失研究已经大量依赖于电晕笼实验。在交流电晕效应的研究中，保持电晕笼中导线表面最大电场强度与输电线路导线表面最大电场强度相同，则二者的电晕程度相同。这是由于交流导线表面电晕放电产生的电荷仅在导线周围很小的区域做往复运动，无法跑到很远的空间，电晕笼壁不会收到空间电荷，因此，电晕笼中导线表面最大电场强度与输电线路导线表面最大电场强度相同则意味着导线周围空间的电场强度分布也相同。由于电晕笼中导线对地的距离较近，导线在较低的电压下表面即可获得较高的电场强度；因此电晕笼实验需要的电源电压可以较低。
但是在直流电晕的研究中，由于电晕电荷存在与整个空间，即使电晕笼中导线表面最大电场强度与输电线路导线表面最大电场强度相同，空间分布的电场却不相同。由于导线表面电晕不但受导线表面电场强度的影响，更受导线附近空间电场的影响，只有当表面电场与附近空间电场都相同，电晕程度才能相同。因此直流电晕笼中仅仅以保持电晕笼中导线表面最大电场强度与输电线路导线表面最大电场强度相同来建立电晕笼实验与实际线路实验的等效关系并不成立。加拿大魁北克水电研究所研究发现，在保持导线表面最大标称电场强度相同的条件下，电晕笼中导线程度要比输电线路大。日本等其他研究机构也得到了类似结论，所以说在保持导线表面最大电场强度相同的条件下，电晕笼中导线的电晕要强于输电线路。由于到目前为止国内外没有建立起直流下电晕笼实验与实际线路实验的等效方法，无法基于电晕笼实验预测直流下实际线路的电晕损失，因此到目前为止国内外缺乏直流输电线路电晕损失的有效数据。电晕笼与输电线路的电晕等效原理是使用电晕笼来研究电晕问题的关键，但是目前为止，尚没有很有效的直流电晕笼与输电线路的电晕等效方法。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种基于电晕笼的直流输电线路电晕损失测试方法。
为实现上述目的，本发明提供一种基于电晕笼的直流输电线路电晕损失测试方法，包括：
步骤一、以电晕笼中导线与笼壁间距离为衡量距离，确定输电线路导线周围与电晕笼形状相同的虚拟框的位置；
步骤二、基于仿真计算确定输电线路导线在虚拟框处产生的电压；
步骤三、将输电线路导线电压与虚拟框处产生的电压相减，得到在电晕笼中施加在电晕笼中导线与电晕笼之间的等效电压；
步骤四、将所述等效电压施加在电晕笼中导线与电晕笼之间；
步骤五、测量电晕笼壁与其接地点之间引线的电流，得到电晕损失的电流；
步骤六、将测得的电晕损失的电流乘以输电线路导线电压，得到输电线路导线的电晕损失。
作为本发明的进一步改进，所述步骤二中虚拟框处产生的电压为虚拟框上所有点的电压值的电压平均值。
作为本发明的进一步改进，所述步骤二包括：
仿真计算方法如下：
针对电晕放电空间离子流场的控制方程为：
泊松方程
▽2Φ＝-(ρ+-ρ-)/ε0 (1)
离子流方程
j+＝ρ+(-k+▽Φ+W) (2)
j-＝ρ-(-k-▽Φ-W) (3)
电流连续性方程
▽·j+＝-Rρ+ρ-/e (4)
▽·j-＝Rρ+ρ-/e (5)
其中R为正负离子复合系数，e为电子电量，k为离子迁移率，ф为标量电势，ρ为电荷密度，j为电流密度，W为风速，ε0为空气介电常数；
针对方程(1)～(5)，基于(1)使用有限元计算空间电场，基于(2)～(5)使用特征线法计算空间电荷分布；两个计算过程交替进行、互为初始值，直至电场分布收敛到稳定；以电晕笼实验中所用电晕笼与线路之间的相对位置为依据找出输电线路导线周围相同位置的各点的电压，并计算所有点位置电压的电压平均值，即为虚拟框处产生的电压。
作为本发明的进一步改进，所述步骤五中电晕损失的电流的测试方法为：电晕笼壁通过1MΩ电阻接地，测量所述电阻上的电压，获得流过1MΩ电阻的平均电流即为电晕损失的电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明公开的一种基于电晕笼的直流输电线路电晕损失测试方法，首次提出了直流电晕笼中电晕损失实验结果与直流输电线路电晕损失测试结果的等效方法，即将线路电压与线路周围与电晕笼形状相同的虚拟框上的电压之差作为施加在电晕笼中导线上的电压。使用该测试方法，直流电晕笼中电晕损失实验结果可以直接用于实际线路，无需任何修正和折合；
由于直流电晕笼和导线之间的电压相对于实际线路对地电压小，因此对测试电源的输出电压能力要求不高；
与直流实验线路和实际线路测试相比，电晕笼测试时间短，能够模拟季节、气候、天气、海拔等各种因素影响，研究周期大大缩短；
直接测量电晕笼壁与其接地点之间引线的电流，与直接测量高压导线上的电流相比，该处电压低，不存在测量信号从高电位端引出的安全性问题，因此测试更容易、更安全。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的基于电晕笼的直流输电线路电晕损失测试方法的流程图；
图2a为本发明一种实施例公开的缩尺实验系统的布置示意图；
图2b为本发明一种实施例公开的电晕笼实验电气连接图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图1、2a、2b对本发明做进一步的详细描述：
本发明从电晕放电产生的机理出发，分析电晕笼与输电线路电晕等效的本质，提出一种基于电晕笼的直流输电线路电晕损失测试方法；以便基于直流电晕笼测试，研究输电线路电晕及电晕损失。其基本原理如下：
在直流电压下，离子在电场的作用下，朝着一个方向运动，直至笼壁或地面；所以离子的分布受电极结构影响，在保持电晕笼中的导线与输电线路导线表面最大标称电场强度相同的条件下，导线周围的离子数量与分布是不相同的，实际电晕笼与输电线路电场强度的空间分布也是不相同的，所以电晕笼中导线的电晕损失与输电线路导线的电晕损失是不同的。要保证电晕笼中导线电晕损失与输电线路导线电晕损失一致，需要保证电晕笼与输电线路电场强度的空间分布一致。基于电磁场理论可知，如果在输电线路导线周围做一个与电晕笼形状相似的虚拟框，保持电晕笼所加电压与输电线路导线至虚拟框之间的电压差相同，则依据电场的唯一性理论可知，电晕笼与输电线路电场强度的空间分布也是一致的，该等效原理成立的基础是具有普遍性的唯一性定理。基于这一原理，可以在确定输电线路导线周围与电晕笼形状相同的虚拟框上，将该电压与导线电压的差值电压施加在直流电晕笼导线上，而直流电晕笼壁仍然接0电压，则直流电晕笼导线的电晕损失就是输电线路导线的电晕损失。
实施例1：如图1所示，本发明具体实现方法如下：
S101、以电晕笼中导线与笼壁间距离为衡量距离，在图纸上确定输电线路导线周围与电晕笼形状相同的虚拟框的位置，虚拟框相对于输电线路导线的位置同等于电晕笼相对于导线的相对位置；
S102、基于仿真计算确定输电线路导线在虚拟框处产生的电压。
基于仿真计算，可以得到输电线路导线在虚拟框处各点产生的电压。由于实际线路周围的电场分布不是均匀的，虚拟框上不同位置的电压稍有差异。单取虚拟框上任意一点的电压都无法准确反应空间电荷的整体分布，因此本发明取虚拟框上各点电压的平均值作为输电线路导线在虚拟框处产生的电压。
虚拟框处产生的电压的具体计算过程为：
仿真计算方法如下：
针对电晕放电空间离子流场的控制方程为：
泊松方程
▽2Φ＝-(ρ+-ρ-)/ε0 (1)
离子流方程
j+＝ρ+(-k+▽Φ+W) (2)
j-＝ρ-(-k-▽Φ-W) (3)
电流连续性方程
▽·j+＝-Rρ+ρ-/e (4)
▽·j-＝Rρ+ρ-/e (5)
其中R为正负离子复合系数，e为电子电量，k为离子迁移率，ф为标量电势，ρ为电荷密度，j为电流密度，W为风速，ε0为空气介电常数；
针对方程(1)～(5)，基于(1)使用有限元计算空间电场，基于(2)～(5)使用特征线法计算空间电荷分布；两个计算过程交替进行、互为初始值，直至电场分布收敛到稳定；以电晕笼实验中所用电晕笼与线路之间的相对位置为依据找出输电线路导线周围相同位置的各点的电压，并计算所有点位置电压的电压平均值，即为虚拟框处产生的电压。
S103、将输电线路导线电压与虚拟框上的电压相减，得到在电晕笼中施加在电晕笼中导线与电晕笼之间的等效电压。
S104、将该等效电压导线施加在电晕笼中导线与电晕笼之间。
S105、测量电晕笼壁与其接地点之间引线的电流，电晕笼壁通过1MΩ电阻接地，测量该电阻上的电压获得流过其的平均电流即为电晕损失的电流。
S106、将测得的电晕损失的电流乘以输电线路导线电压，即得到输电线路导线的电晕损失。
实施例2：为了验证本发明，在实验室中搭建了缩尺模型实验系统，包括小电晕笼实验系统和缩尺线路实验系统。实验系统的布置示意图以及电晕笼实验电气连接图，如图2a、图2b所示。在图2a、图2b所示的实验系统中，通过电流测量系统分别对电晕笼和缩尺线路导线的电晕电流进行时域测量，求其平均值即是电晕电流值。也可以将电晕笼壁通过1MΩ电阻接地，测量该电阻上的电压获得流过其的平均电流，也是电晕电流平均值。在实验系统中，高压直流电源使导线产生电晕放电，时域的测量采用高速采集卡，其采样率选择为200MHz，最小采样间隔为5ns，输入阻抗为1MΩ。测量的是采样电阻两端的电压，将采集到的信号通过转换成光信号，利用光纤传送至电脑，采样电阻采用的是400Ω的无感电阻。阻波器连接在高压电源出口端，在0.5MHz-2MHz频率下可以提供35dBμV的衰减，隔离电源端的干扰。在图2a、图2b的实验系统中，电源为0-50kV正极性直流电源，电流的采样电阻采用的是400Ω的无感电阻。采用了半径为0.04cm和0.08cm两种导线进行实验，电晕笼半径为10cm，模拟线路高度40cm。实验环境参数如表1所示，基于计算得到的输电线路与电晕笼施加电压的等效关系如表2所示。将表2的电压分别施加在对应的电晕笼导线和缩尺线路导线上，测得电晕损失如表3所示。可以看到电晕笼导线和缩尺线路导线电晕损失测量结果吻合，验证了本测试方法的有效性。
表1、缩尺线路实验环境参数
表2、输电线路与电晕笼施加电压的等效关系
表3、电晕损失测试结果(kW/km)
本发明提供一种针对电晕损失的直流电晕笼与输电线路测试等效的方法，以便基于直流电晕笼测试，研究输电线路电晕及电晕损失。其特点是：1、提出了直流电晕笼中电晕损失实验结果与直流输电线路电晕损失测试结果的等效方法，即将线路电压与线路周围与电晕笼形状相同的虚拟框上的电压之差作为施加在电晕笼导线上的电压。使用该方法，直流电晕笼中电晕损失实验结果可以直接用于实际线路，无需任何修正和折合。2、由于直流电晕笼和导线之间的电压相对于实际线路对地电压小，因此对测试电源的输出电压能力要求不高。3、与直流实验线路和实际线路测试相比，电晕笼测试时间短，能够模拟季节、气候、天气、海拔等各种因素影响，研究周期大大缩短。4、通过直接测量电晕笼壁与其接地点之间引线的电流并与与实际线路电压相乘得到实际线路的电晕损失。与直接测量高压导线上的电流相比，不存在测量信号从高电位端引出的安全性问题，因此测试更容易、更安全。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于电晕笼的直流输电线路电晕损失测试方法，其特征在于，包括：
步骤一、以电晕笼中导线与笼壁间距离为衡量距离，确定输电线路导线周围与电晕笼形状相同的虚拟框的位置；
步骤二、基于仿真计算确定输电线路导线在虚拟框处产生的电压，虚拟框处产生的电压为虚拟框上所有点的电压值的电压平均值；
所述步骤二包括：
仿真计算方法如下：
针对电晕放电空间离子流场的控制方程为：
泊松方程
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离子流方程
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其中R为正负离子复合系数，e为电子电量，k为离子迁移率，ф为标量电势，ρ为电荷密度，j为电流密度，W为风速，ε0为空气介电常数；
针对方程(1)～(5)，基于(1)使用有限元计算空间电场，基于(2)～(5)使用特征线法计算空间电荷分布；两个计算过程交替进行、互为初始值，直至电场分布收敛到稳定；以电晕笼实验中所用电晕笼与线路之间的相对位置为依据找出输电线路导线周围相同位置的各点的电压，并计算所有点位置电压的电压平均值，即为虚拟框处产生的电压；
步骤三、将输电线路导线电压与虚拟框处产生的电压相减，得到在电晕笼中施加在电晕笼中导线与电晕笼之间的等效电压；
步骤四、将所述等效电压施加在电晕笼中导线与电晕笼之间；
步骤五、测量电晕笼壁与其接地点之间引线的电流，得到电晕损失的电流；
步骤六、将测得的电晕损失的电流乘以输电线路导线电压，得到输电线路导线的电晕损失。
2.如权利要求1所述的基于电晕笼的直流输电线路电晕损失测试方法，其特征在于，所述步骤五中电晕损失的电流的测试方法为：电晕笼壁通过1MΩ电阻接地，测量所述电阻上的电压，获得流过1MΩ电阻的平均电流即为电晕损失的电流。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |