CN115616302A - 一种直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法及装置，包括如下步骤：步骤1，在直流导线的绝缘层表面包裹铜膜，并在直流导线上焊接高阻导线；步骤2，将直流导线上覆盖的铜膜及与直流导线相连的高阻导线用绝缘材料包裹；步骤3，高阻导线的两端分别连接直流导线与公共端，并在高阻导线的两端进行电压监测，得到测量电压E；步骤4，获取直流导线上等效电荷Q与测量电压E之间的关系；步骤5，结合直流导线上覆盖铜膜的覆盖面积和测量电压E计算直流导线的实际运行电压V。本发明能够实现在线路无流或弱直流电流下，无需直接接触待测的线路导线即可准确测量电压，且测量电路简单，测量成本较低。

Description

一种直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统检测的技术领域，更具体地，涉及一种直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法及装置。

背景技术

直流电压检测，一直是电力系统检测领域的难题，由于其缺乏霍尔效应，使得直流导线周围没有变化的磁场，因此无法根据电磁转化间接测量直流电压，导致其检测困难。

目前可实现直流非接触测量的方法有两种：一种是基于带负载直流回路电流的磁效应测量，此种方法对于弱电流检测能力较差，且需要电磁环抱箍安装，体积较大；另一种方案是通过光电效应测量，通过光的偏振特性与电压的映射关系，形成电压的数值拟合，此种方法成本高昂，且仍处于理论阶段，未有实际的工程产品。

现有技术文件1提出了一种直流导线空间电位和合成电场分布的简便测量装置(CN109142895A)，包括测量导线，所述测量导线固定于绝缘支架上，所述测量导线的一端通过连接导线与检测电源的一级电连接，所述检测电源的另一极通过接地导线接地，所述接地导线上串联有采样电阻，所述采样电阻的两端与压差表电连接。其有益效果是：可以实现无畸变地测量直流输电线路附近的空间电位及电场分布，成本低、测试范围广、精度高。现有技术文件1存在的问题包括：测量方法采用铜管，铜管具有一定厚度，其测量出的电势中包含磁场产生的电势，但这种测量方法中采用铜质套筒导致测量过程易受潮湿空气或外界电场强烈的干扰，导致抗干扰能力弱、测量不准确，且测量过程需要使用到支架、检测电源等辅助器材，导致存在测量成本大、测量过程复杂等问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法，能够实现对无负载直流线路电压的准确测量。

本发明采用如下的技术方案。

一种直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法，包括如下步骤：

步骤1，在直流导线的绝缘层表面包裹铜膜，并在直流导线上焊接高阻导线；

步骤2，将直流导线上覆盖的铜膜及与直流导线相连的高阻导线用绝缘材料包裹；

步骤3，高阻导线的两端分别连接直流导线与公共端，并在高阻导线的两端进行电压监测，得到测量电压E；

步骤4，获取直流导线上等效电荷Q与测量电压E之间的关系；

步骤5，结合直流导线上覆盖铜膜的覆盖面积和测量电压E计算直流导线的实际运行电压V。

优选地，所述步骤1中，焊接的高阻导线阻值为100兆欧。

优选地，所述步骤1中，包裹在直流导线绝缘层表面的铜膜厚度不大于0.05mm。

优选地，所述步骤3中，高阻导线与直流导线相连接的一端为电压量测量点正端，与公共端相连的一端为电压量测量点负端，通过正负端测点得到测量电压E。

优选地，所述步骤4中，直流导线等效电荷Q与测量电压E之间满足：

E＝Q4πk/ε₀s

其中，k为库仑定律常数，ε₀为空气中的介电常数，直流导线上等效电荷Q的单位是C/m，s为直流导线上覆盖铜膜的覆盖面积。

优选地，所述步骤5中，直流导线的实际运行电压V和直流导线等效电荷Q之间满足：

V＝λQ

其中，λ为麦克斯电位系数，单位是m/F；

则实际运行电压V与直流导线上覆盖铜膜的覆盖面积s、测量电压E之间的关系满足：

V＝λ·Eε₀s/4πk

其中，k为库仑定律常数，ε₀为空气中的介电常数。

优选地，所述麦克斯电位系数λ的计算公式如下：

λ＝1/2πε₀·ln 2H/R_eq

式中，ε₀是真空介电常数，数值为10^-9/36π；H为直流导线到地平面距离，单位是m；R_eq为直流导线的等效半径，单位是cm。

优选地，所述直流导线的等效半径R_eq的计算还包括：

获取直流导线参数，包括直流导线截面半径和直流导线根数，结合直流导线参数计算直流导线的等效半径R_eq，计算式如下：

其中，R为通过直流导线圆心的圆周半径，与直流导线的分布形式有关，单位是cm；

n为直流导线根数；

r为直流导线半径，单位是cm。

本发明还提供了一种直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测装置，包括：

铜膜、高阻导线、绝缘材料、电压测量模块和计算模块；

其中，所述铜膜覆盖在待检测直流导线的绝缘层表面；

所述高阻导线的一端与待检测直流导线相连接，另一端与公共端相连接；

所述绝缘材料用于包裹待检测直流导线上覆盖的铜膜及与待检测直流导线相连的高阻导线；

所述电压测量模块用于在高阻导线的两端进行电压监测，得到测量电压的大小；

所述计算模块能够结合电压测量模块的测量结果，计算得到待检测直流导线的实际运行电压。

本发明还提供了一种终端，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行所述直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法的步骤。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法的步骤。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明考虑到在直流导线绝缘层外侧会有电荷聚集，这种电荷是由绝缘层内带电导体产生的，覆盖铜膜后，覆盖区域内的电荷可以实现移动，从而可形成和绝缘层内导体电压大小相关联的对地电势供测量，因此本发明能够实现对于无负载直流线路，即无流或弱直流电流下，无需直接接触待测的线路导线即可准确测量电压，且测量电路简单，测量成本较低，解决无流或弱直流电流下，直流电压霍尔效应弱，互感测量难的问题。

附图说明

图1是本发明中直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法的流程示意图；

图2是本发明中检测系统与待检测直流导线之间的连接关系结构示意图；

图3是本发明中检测系统的模块关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的有所其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提出了一种直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1，在直流导线的绝缘层表面包裹铜膜，并在直流导线上焊接高阻导线；

如图2所示，绝缘导体表面电荷无法流动，包裹铜膜后，可见一定范围内的电荷聚集，形成稳定的电势，此时已经可以通过电压监测装置实现对地电压测量，但是由于绝缘介质是空气，存在潮湿流动等不稳定因素，因此需要焊接高阻导线与待检测的直流导线相连接。

优选的，本发明中焊接的高阻导线阻值是100兆欧，包裹在导线绝缘层表面的铜膜厚度不大于0.05mm。

优选的，铜膜覆盖面积为沿导线方向覆盖两厘米，即铜膜覆盖的导线长度优选为两厘米。

由于电荷密度计算式为：

ρ＝Q/s

因此，当线路电压不变，即电荷密度不变时，直流导线上的铜膜覆盖面积s会影响到直流导线上的等效电荷Q的大小，且直流导线上的铜膜覆盖面积s越大，直流导线上的等效电荷Q越大，则增加铜膜覆盖面积s能够提升直流导线上等效电荷Q。

当直流导线上的等效电荷Q较小时，本发明可以采用增大直流导线上的铜膜覆盖面积s的方式来增大等效电荷Q。

步骤2，将直流导线上覆盖的铜膜及与直流导线相连的高阻导线用绝缘材料包裹；

如图2所示：铜膜或高阻导线若暴露在空气中，会由于空气中的水分子作用，造成铜膜表面聚集电荷变化，不利于稳定监测，因此将其通过绝缘材料包裹，避免其受到空气或其它因素影响。

步骤3，高阻导线的两端分别连接直流导线与公共端，并在高阻导线的两端进行电压监测，得到测量电压E；

如图2所示，高阻导线的一端与直流导线相连接，另一端与地平面或公共端相连；且高阻导线与直流导线相连接的一端为电压量测量点正端，与公共端相连的一端为电压量测量点负端，通过正负端测点，可以得到测量电压E。

步骤4，获取直流导线上等效电荷Q与测量电压E之间的关系；

当铜膜无间隙可靠附着在导线表面上时，测量电压E和直流导线等效电荷Q满足：

从而：

U＝Q/C＝Q4πkd/ε₀s

E＝U/d＝Q4πkd/ε₀sd

根据上式可以得到直流导线等效电荷Q与测量电压E之间满足：

E＝Q4πk/ε₀s

其中，k为库仑定律常数，库仑定律常数的值为9.0x10^9Nm，ε₀为空气中的介电常数，本发明中取1.00053，直流导线上等效电荷Q的单位是C/m，s为直流导线上覆盖铜膜的覆盖面积。

由于本发明中无法直接测量直流导线上等效电荷Q的具体大小，因此通过获取其与测量电压E的关系，得到直流导线上等效电荷Q的计算式，当直流导线上覆盖铜膜的覆盖面积s为确定值时，直流导线上等效电荷Q只与测量电压E相关。

步骤5，结合直流导线上覆盖铜膜的覆盖面积和测量电压E计算直流导线的实际运行电压V。

如图3所示，假设输电线路无限长并平行于地面，把地面视为良导体，通过镜像法计算直流导线等效电荷，此时直流导线的实际运行电压V和等效电荷Q之间满足：

V＝λQ

其中，λ为麦克斯电位系数，单位是m/F。

麦克斯电位系数λ的计算公式如下：

λ＝1/2πε₀·ln2H/R_eq

式中，ε₀是真空介电常数，数值为10^-9/36π；H为直流导线到地平面距离，单位是m；R_eq为直流导线的等效半径，单位是cm；

直流导线的等效半径R_eq的计算还包括：获取直流导线参数，包括直流导线截面半径和直流导线根数，结合直流导线参数计算直流导线的等效半径R_eq，计算式如下：

其中，R为通过直流导线圆心的圆周半径，与直流导线的分布形式有关，单位是cm；

n为直流导线根数；

r为直流导线半径，单位是cm；

例如，对于二次回路常用3.5mm单股线缆，R＝r，且n＝1，此时计算得到的R_eq＝0.175cm。

进一步的，结合步骤4，直流导线等效电荷Q与测量电压E之间满足：

E＝Q4πk/ε₀s

则在测量电压E和直流导线上覆盖铜膜的覆盖面积s已知的情况下，可以得到直流导线的实际运行电压V的大小满足：

V＝λ·Eε₀s/4πk

从而实现在无需裸露直流导线的前提下，完成对直流导线的电压监测。

如图2、3所示，本发明还提供了一种直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测装置，上述直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法能够通过本装置实现，该装置包括：铜膜、高阻导线、绝缘材料、电压测量模块和计算模块；

其中，铜膜覆盖在待检测直流导线的绝缘层表面；

高阻导线的一端与待检测直流导线相连接，另一端与公共端相连接；

绝缘材料用于包裹待检测直流导线上覆盖的铜膜及与待检测直流导线相连的高阻导线；

电压测量模块用于在高阻导线的两端进行电压监测，得到测量电压的大小；

计算模块能够结合电压测量模块的测量结果，计算得到待检测直流导线的实际运行电压。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明实现了对直流操作回路工作状态的非介入式监控，提升了继电保护操作回路监测的可靠性。。

本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。

这里参照根据本公开实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其它设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在直流导线的绝缘层表面包裹铜膜，并在直流导线上焊接高阻导线；

步骤2，将直流导线上覆盖的铜膜及与直流导线相连的高阻导线用绝缘材料包裹；

步骤3，高阻导线的两端分别连接直流导线与公共端，并在高阻导线的两端进行电压监测，得到测量电压E；

步骤4，获取直流导线上等效电荷Q与测量电压E之间的关系；

步骤5，结合直流导线上覆盖铜膜的覆盖面积和测量电压E计算直流导线的实际运行电压V。

2.如权利要求1所述的直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法，其特征在于，

所述步骤1中，焊接的高阻导线阻值为100兆欧。

3.如权利要求1所述的直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法，其特征在于，

所述步骤1中，包裹在直流导线绝缘层表面的铜膜厚度不大于0.05mm。

4.如权利要求1所述的直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法，其特征在于，

所述步骤3中，高阻导线与直流导线相连接的一端为电压量测量点正端，与公共端相连的一端为电压量测量点负端，通过正负端测点得到测量电压E。

5.如权利要求1所述的直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法，其特征在于，

所述步骤4中，直流导线等效电荷Q与测量电压E之间满足：

E＝Q4πk/ε₀s

其中，k为库仑定律常数，ε₀为空气中的介电常数，直流导线上等效电荷Q的单位是C/m，s为直流导线上覆盖铜膜的覆盖面积。

6.如权利要求5所述的直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法，其特征在于，

所述步骤5中，直流导线的实际运行电压V和直流导线等效电荷Q之间满足：

V＝λQ

其中，λ为麦克斯电位系数，单位是m/F；

则实际运行电压V与直流导线上覆盖铜膜的覆盖面积s、测量电压E之间的关系满足：

V＝λ·Eε₀s/4πk

其中，k为库仑定律常数，ε₀为空气中的介电常数。

7.如权利要求6所述的直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法，其特征在于，

所述麦克斯电位系数λ的计算公式如下：

λ＝1/2πε₀·ln2H/R_eq

式中，ε₀是真空介电常数，数值为10^-9/36π；H为直流导线到地平面距离，单位是m；R_eq为直流导线的等效半径，单位是cm。

8.如权利要求7所述的直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法，其特征在于，

所述直流导线的等效半径R_eq的计算还包括：

获取直流导线参数，包括直流导线截面半径和直流导线根数，结合直流导线参数计算直流导线的等效半径R_eq，计算式如下：

其中，R为通过直流导线圆心的圆周半径，与直流导线的分布形式有关，单位是cm；

n为直流导线根数；

r为直流导线半径，单位是cm。

9.一种利用权利要求1-8任一项权利要求所述直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法的直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测装置，其特征在于，包括：

铜膜、高阻导线、绝缘材料、电压测量模块和计算模块；

其中，所述铜膜覆盖在待检测直流导线的绝缘层表面；

所述高阻导线的一端与待检测直流导线相连接，另一端与公共端相连接；

所述绝缘材料用于包裹待检测直流导线上覆盖的铜膜及与待检测直流导线相连的高阻导线；

所述电压测量模块用于在高阻导线的两端进行电压监测，得到测量电压的大小；

所述计算模块能够结合电压测量模块的测量结果，计算得到待检测直流导线的实际运行电压。

10.一种终端，包括处理器及存储介质；其特征在于：

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1-8任一项所述直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法的步骤。

11.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述直流导线绝缘层电荷电势聚集与检测方法的步骤。

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