CN111239556A - 用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置及其测量方法，包括：交流端电压信号采样支路、交流端电流信号采样支路、直流端电压信号采样支路、直流端电流信号采样支路、四通道同步高速数据采集单元、上位机；其特征为：所述交流端电压、电流信号采样支路、直流端电压、电流信号采样直流与四通道同步高速数据采集单元连接，所述采集单元将采集、处理后的信号上传到上位机。

Description

用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置及其测量方法，尤其是涉及电网传输一种用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置及其测量方法。

背景技术

近年来由于换流阀等电气设备的普遍应用，以及交直流同走廊线路的大量架设，交、直流共存的复合电压环境受到关注。因此，研究复杂环境下复合电压下的电晕起始特性，以确定设备的安全净距及绝缘强度十分有必要。交直流系统的起晕特性包括交流、直流两部分和起晕的具体时刻，由于电晕电流脉冲具有即时性、准确性，其响应快，波形特征明显，广泛用于系统电晕起始的确定，即根据导线电晕电流幅值突变以及重复率增加来获得交直流系统发生电晕放电的时刻及此刻的瞬态起晕电压。然而现有的技术大多是在单一极性或仅有交流情况下对电晕电流或者电晕损耗的单独检测，并没有把电晕电压和电流两种电晕特征统一起来同步测量，因此难以确定系统的起晕电压幅值和相位，更不用说交直流电场共存的复杂工况。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明公开用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置及其方法，其技术方案如下：

一种用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置，包括：交流端电压信号采样支路、交流端电流信号采样支路、直流端电压信号采样支路、直流端电流信号采样支路、四通道同步高速数据采集单元、上位机；其特征为：所述交流端电压、电流信号采样支路、直流端电压、电流信号采样直流与四通道同步高速数据采集单元连接，所述采集单元将采集、处理后的信号上传到上位机。

本发明还公开一种用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置的测量方法。

有益效果：现有技术的电晕检测技术没有对电压电流进行同步采集，难以得到起晕电压，在本发明中通过同一采集卡对交流端、直流端电压和电晕电流信号共四种信号进行了同步采样，能够根据电晕电流脉冲来判断电晕起始并获得对应的交直流起晕电压，另外相比于单线路的电晕特征采集，对交流线路和直流线路的电晕电流都进行了同步采集，使得到的电晕电流更加准确，更好判断电晕的发生。

附图说明

图1为本发明用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置的结构图；

图2为本发明串联电流采样模块结构图；

图3为本发明并联电流采样模块结构图；

图4为本发明测量交直流系统电晕起始电压方法的流程图；

图5为本发明在优选实例中系统发生电晕时的四路信号测量结果图，图5(a)棒端直流电压，图5(b)板端交流电压，图5(c)棒端电晕电流，图5(d)板端电晕电路，图5(e)起晕电压配比和起晕时刻。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

本发明公开一种用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置能够准确判断线路上或电极发生起晕的时刻，并且能够得到对应的交流和直流起晕电压，为线路的设计和各参数选择提供了依据，在实际系统中也能监测线路电晕情况。

用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置，包括：交流端电压信号采样支路、交流端电流信号采样支路、直流端电压信号采样支路、直流端电流信号采样支路、四通道同步高速数据采集单元、上位机；其特征为：所述交流端电压、电流信号采样支路、直流端电压、电流信号采样直流与四通道同步高速数据采集单元连接，所述采集单元将采集、处理后的信号上传到上位机。

交流端电压信号采样支路连接结构如下：交流电源端电极上引出一条支路接交流分压器的高压端，交流分压器低压端接地，交流分压器上的输出端接交流低通滤波电路输入端，交流低通滤波电路输出端连接四通道同步高速数据采集单元的通道CH2。所述交流分压器通过调整分压比，使交流电源电压降低到采集单元的量程以内，实现电压的低电位测量。所述交流低通滤波通过选择截止频率来排除高频电晕电流脉冲的干扰，由于系统发生电晕放电后，会产生高频电晕电流脉冲，进而使测量的电源电压叠加高频分量，影响测量结果；工频电源是50Hz工频，所述低通滤波器的截止频率设置为100Hz，交流源如果不是工频，则需要选择合适的截止频率，由于电晕放电引起的高频分量在10MHz以上，对于低频(1kHz以下)的交流源，截止频率一般设为电源频率的2～5倍。

交流端电流信号采样支路连接结构如下：电流采样模块的1、2端口分别与交流电源和电极相连，3端输出口输出电流信号，与高通滤波的输入端相连，高通滤波电路输出端连接四通道同步高速数据采集单元的通道CH1。

所述高通滤波通过选择截止频率来排除低频电源的干扰，由于交流端会产生交流电流，会被采样模块一起采集，做起晕判断只需要高频(30MHz左右)电流脉冲信号，低频电流分量会影响测量结果。这里高通滤波的截止频率设置为100kHz。

直流端电压信号采样支路连接：直流电源端电极上引出一条支路，接直流分压器的高压端，直流分压器低压端接地；所述直流分压器上的输出端接低通滤波电路输入端，低通滤波电路输出端连接四通道同步高速数据采集单元的通道CH4。

所述直流分压器：使直流电源电压降低到采集单元的量程以内。所述直流低通滤波：与交流低通滤波原理相同，由于所连电源是直流，为了提高精确度，截止频率设为10Hz。

直流端电流信号采样支路连接：电流采样模块的1、2端分别与直流电源和电极相连，3端口输出电流信号，与高通滤波的输入端相连，高通滤波电路输出端连接四通道同步高速数据采集单元的通道3。

高通滤波：通过选择截止频率来排除低频电源的干扰，由于直流端会产生直流电流，会被采样模块一起采集，做起晕判断只需要高频(30MHz左右)电流脉冲信号，低频电流分量会影响测量结果。这里高通滤波的截止频率设置为100kHz。

所述电流采样模块连接分为串联电流采样模块和并联电流采样模块，串联电流采样模块适合在较高电压环境下工作，并联电流采样模块适合在较低电压下工作。

串联电流采样模块(图2)：由无感电阻、差分传感器、过压保护TVS管、光电传感器组成。无感电阻两端引出1，2端口，差分传感器两个输入端与无感电阻并联，过压保护TVS管并联在差分传感器上，差分传感器输出端接光电传感器输入端，光电传感器输出端为端口3。无感电阻功率50W，阻值0.5Ω，用来对电晕电流脉冲进行采样，差分传感器获得无感电阻上的电势差，由于整个模块串联在高电位上，过压保护TVS管用来防止电压过高损坏设备，光电传感器把差分传感器采集到的电信号转换为光信号传输到远端的低电位采集单元。

并联电流采样模块(图3)：由耦合电容、匹配电阻、电流探头组成。耦合电容的高压端引出1，2端口，低压端串联匹配电阻，匹配电阻另一端接地，接地导线上连接电流探头，电流探头输出端为端口3。耦合电容：为了隔离高压电源，使采样设备工作在低电位环境，只耦合高频电晕电流脉冲。电压源为交流电源时，容量选用150pF，可以使工频电源电压几乎都降落在耦合电容上，仅耦合很小的工频电流，如果交流电源频率过高，交流电源电压难以全部降落在电容上，这种方法不再适用，需要采用串联电流采样模块。电压源为直流时，选用0.1μF隔离直流电源，使高频电流脉冲信号通过电容。匹配电阻：与加压的导线进行阻抗匹配，减少电流脉冲反射，否则测量数据会发生震荡，影响测量结果。在电容低压侧接匹配电阻，匹配电阻的选择：

式中，μ₀和ε₀分别为真空磁导率和真空的介电常数，h为导线对地高度，d为导线直径。

电流探头：采用宽频带罗科夫斯基线圈采集电流，为了不影响阻抗匹配，这里没有采用无感电阻来采集电流。

获得的四路信号都由四通道同步高速数据采集单元采集，交流电压、交流电晕电流，直流电压，直流电晕电流分别对应CH1、CH2、CH3、CH4，该模块对所有采样模块采用同一个触发脉冲，保证交直流端的电压、电流四路信号同步采集，并将接收到的信号传至远端数据分析电脑，由远端电脑分析测量数据，完成对系统电晕起始的判定。

由于电晕电流脉冲主频集中在30MHz左右，为了准确采集电流信号，四通道同步高速数据采集单元每个通道采样率至少为200MS/s，并且四个通道要实现精确同步。

参见说明书附图4所示，本发明还公开一种同时检测电网起晕电压、电流实验装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：设定电晕电流脉冲幅值和重复率判定起晕的阈值。

交直流系统发生电晕放电时，会产生电晕电流脉冲，其即时性强、响应速度快，设定合适的临界脉冲幅值和重复率可以准确判断系统电晕起始，阈值的选取可以根据电晕放电的经验公式，或者用紫外光法测量系统的电晕起始，得到当前交直流系统电晕起始时的电流波形参数，从而选定系统的阈值。

步骤2：发送同步采集脉冲。

四通道同步高速数据采集单元对每个采样模块发送同步的采集脉冲，保证交直流端的电压、电流四路信号同步采集。

步骤3：采样模块同步采集交流端和直流端的电压、电流信号。

步骤4：对电流信号进行高通滤波，对电压信号进行低通滤波。

电流信号采用高通滤波，需要过滤掉工频电流，提取高频电晕电流脉冲信号，电压信号采用低通滤波，过滤掉电晕脉冲带来的电压波动，各采样模块按之前提到的截止频率滤波(以下默认交流端采用工频电源)，交流端电压信号采用100Hz截止频率的低通滤波，直流端电压信号采用10Hz截止频率的低通滤波，交流和直流端电流信号都采用100kHz高通滤波。

步骤5：判定幅值和重复率是否达到阈值。

当交流端、直流端任意一端发生电晕放电时，该端产生的高频电晕电流脉冲通过电流采样模块采集后传输给数据分析电脑进行判断。

步骤6：记录该时刻即为起晕时刻。

上述判定达到阈值时，即可判定系统发生电晕放电，达到阈值的时刻即为系统的起晕时刻

步骤7：记录下该时刻对应的交流电压和直流电压，即为起晕电压。

记录上述时刻的交流端、直流端的电压，得到交直流系统发生电晕放电时分别对应的交流和直流电压，这两部分即是该系统的电晕起始电压配比。

实施例1及其工作原理如下：

在实验室中建立了交直流下棒板电极实验平台模拟极不均匀交直流电场下的电晕起始，根据经验，在棒板电极构成的极不均匀电场模型中，电晕起始时的电晕电流幅值临界值为10mA，重复率临界值为200Hz(电晕电流脉冲的重复率指1s内出现的脉冲个数)。在上位机中设定捕捉电流幅值和重复率阈值分别为10mA和200Hz。(步骤1)

接下来模拟系统发生电晕放电的情景，固定直流端电压为-2.2kV，缓慢增加交流端电压，观测直流分量-2.2kV情况下缓慢增加交流分量的交直流系统电晕起始情况。

在加压的同时，打开四通道同步高速数据采集单元，对每个采样模块发生同步采样脉冲(步骤2)，采样模块实时监测交流端、直流端的电压和电流共四路信号(步骤3)，并对采集的原始信号进行滤波处理，电流信号采用高通滤波，过滤掉工频电流，提取高频电晕电流脉冲信号，电压信号采用低通滤波，过滤掉电晕脉冲带来的电压波动，交流端电压信号采用100Hz截止频率的低通滤波，直流端电压信号采用10Hz截止频率的低通滤波，交流和直流端电流信号都采用100kHz高通滤波(步骤4)。

在本发明中缓慢增加交流电压，图5(c)、(d)分别为棒电极和板电极上采集的电晕电流脉冲，在系统发生电晕放电前，两路电流信号几乎为零，产生极少量波动，当交流分量增加到8.2kV时，电极上同时出现了周期性的簇状电晕电流脉，上位机统计的电晕电流的脉冲幅值和重复率达到了阈值(步骤5)，判断系统此时发生了电晕放电，得到了此时的棒端直流电压波形图5(a)和板端交流电压波形图5(b)。

上位机判断幅值和重复率达到阈值，判断系统发生了电晕放电，如图5(e)所示，输出簇状电晕电流脉冲出现的时刻，如第一次起晕时刻t₁＝4.98ms，第二次起晕时t₂＝25.04ms，第三次起晕时刻t₃＝45.01ms(步骤6)，同时输出起晕时刻对应的棒端直流电压和板端交流电压幅值配比，如第一次起晕电压配比U_dc1＝-2.2kV、U_ac1＝11.27kV，第二次起晕电压配比U_dc2＝-2.2kV、U_ac2＝11.38kV，第三次起晕电压配比U_dc3＝-2.2kV、U_ac3＝11.29kV(步骤7)。

综上所述可以得出结论：在直流电压为-2.2kV时，交流电压有效值8.2kV为该交直流棒板系统的起晕电压。同时给出电晕脉冲发生的时刻，如第一次起晕时刻t₁＝4.98ms，第二次起晕时刻t₂＝25.04ms，第三次起晕时刻t₃＝45.01ms，以及对应的直流电压和交流瞬态电压配比：第一次起晕电压配比U_dc1＝-2.2kV、U_ac1＝11.27kV，第二次起晕电压配比U_dc2＝-2.2kV、U_ac2＝11.38kV，第三次起晕电压配比U_dc3＝-2.2kV、U_ac3＝11.29kV。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置，包括：交流端电压信号采样支路、交流端电流信号采样支路、直流端电压信号采样支路、直流端电流信号采样支路、四通道同步高速数据采集单元、上位机；其特征为：所述交流端电压、电流信号采样支路、直流端电压、电流信号采样直流与四通道同步高速数据采集单元连接，所述采集单元将采集、处理后的信号上传到上位机。

2.根据权利要求1所述的用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置，其特征为：所述交流端电压信号采样支路连接结构如下：交流电源端电极上引出一条支路接交流分压器的高压端，交流分压器低压端接地，交流分压器上的输出端接交流低通滤波电路输入端，交流低通滤波电路输出端连接四通道同步高速数据采集单元的通道CH2。

3.根据权利要求1所述的用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置，其特征为：交流端电流信号采样支路连接结构如下：电流采样模块的1、2端口分别与交流电源和电极相连，3端输出口输出电流信号，与高通滤波的输入端相连，高通滤波电路输出端连接四通道同步高速数据采集单元的通道CH1。

4.根据权利要求1所述的用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置，其特征为：所述高通滤波通过选择截止频率来排除低频电源的干扰，高通滤波的截止频率设置为100kHz。

5.根据权利要求1所述的用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置，其特征为：直流端电压信号采样支路连接：直流电源端电极上引出一条支路，接直流分压器的高压端，直流分压器低压端接地；所述直流分压器上的输出端接低通滤波电路输入端，低通滤波电路输出端连接四通道同步高速数据采集单元的通道CH4。

6.根据权利要求5所述的用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置，其特征为：直流端的低通滤波截止频率设为10Hz；交流端的低通滤波截止频率设为100Hz，如果交流端为非工频，需要重新选择合适的截止频率。

7.根据权利要求1所述的用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置，其特征为：直流端电流信号采样支路连接：电流采样模块的1、2端分别与直流电源和电极相连，3端口输出电流信号，与高通滤波的输入端相连，高通滤波电路输出端连接四通道同步高速数据采集单元的CH3。

8.根据权利要求1所述的用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置，其特征为：所述电流采样模块连接分为串联电流采样模块和并联电流采样模块，串联电流采样模块适合在较高电压环境下工作，并联电流采样模块适合在较低电压下工作。

9.根据权利要求8所述的用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置，其特征为：串联电流采样模块由无感电阻、差分传感器、过压保护TVS管、光电传感器组成；并联电流采样模块由耦合电容、匹配电阻、电流探头组成。

10.一种用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置的测量方法，包括权利要求1-9任一所述的用于检测交直流系统电晕起始电压实验装置，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：设定电晕电流脉冲幅值和重复率判定起晕的阈值；

步骤2：发送同步采集脉冲；

步骤3：采样模块同步采集交流端和直流端的电压、电流信号；

步骤4：对电流信号进行高通滤波，对电压信号进行低通滤波；

步骤5：判定幅值和重复率是否达到阈值；

步骤6：记录该时刻即为起晕时刻；

步骤7：记录下该时刻对应的交流电压和直流电压，即为起晕电压。

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