CN206057412U - 一种通过电晕笼对高压输电线路电晕电流进行测量的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种对高压输电线路电晕电流进行测量的装置，包括：电晕笼、电阻传感器、过压保护模块、通断控制器、光电转换单元、数据采集卡和供电单元，在所述电晕笼的笼体侧串联电阻传感器；所述电阻传感器与过压保护模块并联；所述过压保护模块连接通断控制器，能够有效避免电晕笼产生瞬时高压放电对数据采集卡的破坏；所述通断控制器和数据采集卡均通过数据线与光电转换单元连接并进行数据交换；所述光电转换单元用于光信号和电信号之间的转换；所述供电单元分别与数据采集卡和光电转换单元电连接，为数据采集卡和光电转换单元提供直流电源；以及所述电阻传感器为固定式传感器，一端连接电晕笼内层网的测量段，另一端接电晕笼外层网。
Description
技术领域
本实用新型涉及输电线路测量技术领域，并且更具体地，涉及一种通过电晕笼对高压输电线路电晕电流进行测量的装置。
背景技术
电晕笼本身是一个截面为方形或者圆形的同心网状金属笼，笼体与大地相接，用来模拟大地。由于线和笼间的距离较线和大地间的距离近，在导线上施加较低的电压等级，可使导线表面的场强达到较高电压等级的实际输电线路的表面场强水平，从而表现出高电压等级下输电线路导线的电晕特性。电晕笼可用于对超、特高压输电线路的电晕损耗、无线电干扰、可听噪声等电晕特性、电晕起始电压、电场分布和离子电流密度分布等内容的研究。通过调整实验的条件，例如改变导线分裂数和高度、极间距、导线表面状况例如，落灰和积污程度、气压、湿度、温度以及模拟各种环境因素，可研究这些因素对输电线路电晕特性的影响。
随着中国输电线路电压等级的提高以及特高压直流输电工程的投入运行，输电线路电晕损耗和由电晕造成的电磁环境问题日益突出。因此，输电线路电晕特性的研究，对于保障输电线路安全经济运行具有重要意义。高压输电线路电晕损耗和电磁环境的源头为导线的电晕放电，而表征电晕放电最直接的物理量是电晕电流。目前国内针对高压直流输电线路电晕损耗/电晕电流的测量问题，有电桥电路法、耦合天线法、功率表法、取样电阻传感器等多种方法，但这些方法分别存在操作不便，存在安全隐患、无法在不同气候下实现长时间在线测量、很难实现多点同步测量及无法测量电晕电流的瞬态波形的问题。
另外，以往的高压输电线路电晕电流测量装置均位于超/特高压侧，因而需要解决由于高电压环境所带来的一系列问题，如高电压环境下的传感器自身放电问题、高电压环境下测量装置和通讯线路的自身放电问题、高电压环境下的供电问题、高电压环境下弱电信号的高速测量和传输问题等等。中国电力科学研究院和北京航空航天大学联合研制成功了特高压直流输电线路宽频域电晕电流测量系统，解决了上述问题，取得了国际领先级的研究成果。但其缺点是其实现过程较为复杂，测量装置的价格较为昂贵，在技术推广应用上有一定难度。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型提供了一种通过电晕笼对高压输电线路电晕电流进行测量的装置，所述装置包括：电晕笼、电阻传感器、过压保护单元、通断控制器、光电转换单元、高速数据采集卡和供电单元，在所述电晕笼的笼体侧串联电阻传感器以对电晕电流进行测量；所述电阻传感器与过压保护模块并联；所述过压保护模块连接通断控制器，用于在电晕笼产生瞬时高压放电时保护数据采集卡；所述通断控制器和数据采集卡均通过数据线与光电转换单元连接并进行数据交换；所述光电转换单元用于光信号和电信号之间的转换；所述供电单元分别与数据采集卡和光电转换单元电连接，为数据采集卡和光电转换单元提供直流电源；以及所述电阻传感器为固定式传感器，一端连接电晕笼内层网的测量段，另一端接电晕笼外层网。
优选地，其中所述电晕笼为同心网状金属笼，所述电晕笼包括外层网和内层网；其中外层网接地，用于屏蔽来自外界的干扰；内层网用来测量高压输电线路的电晕效应；所述电阻传感器的一端连接电晕笼内层网，另一端接电晕笼外层网。
优选地，其中所述电晕笼的内层网与电晕笼的外层网之间设置有绝缘支座。
优选地，其中所述电晕笼的内层网包括测量段和位于测量段两侧的防护段；防护段接地，用来屏蔽电晕笼端部引起的端部效应，测量段用来收集高压输电线路的电晕效应数据。
优选地，其中所述电晕笼的内层网分为多个分段，每个分段之间绝缘并用方便拆卸的金属条连接。
优选地，其中所述过压保护模块包括双向瞬变电压抑制二极管和气体放电管，在电阻传感器输入端和数据采集卡的输入端并联双向瞬变电压抑制二极管TVS及气体放电管作为输入保护。
优选地，其中所述通断控制器包括继电器、继电器驱动芯片、反相器以及主控芯片，主控芯片连接继电器来控制电路的通断，继电器通过继电器驱动芯片引出的管脚连接反相器。
优选地，其中所述继电器驱动芯片是高耐压、大电流达林顿阵列反相驱动器，所述继电器驱动芯片由七个NPN硅达林顿管组成。
优选地，其中所述光电转换单元包括USB转光纤的本地端模块和光纤转USB的远程端模块，远程端模块与数据采集卡相连，本地端模块连接上位机。
优选地，其中所述数据采集卡在铁盒内部，数据采集卡的USB延长器和探头连接处用加固件进行加固。
优选地，其中所述供电单元的电源的引入端串接自恢复保险丝。
优选地，其中所述供电单元采用13V的大容量电池供电的模式，并将其供电电压转换成5V。
优选地，其中所述装置位于斜顶式结构装置之中，便于防雨。
本实用新型的有益效果在于：
1.现有技术都是直接对高压输电线路进行测量，电阻传感器处的电位特别高，高电压环境导致了一系列问题，而本发明采用的是电晕笼笼体侧测量技术，在电晕笼笼体侧串接电阻传感器来测量高压输电线路的电晕电流，由于电晕笼的笼体侧的电压较低，降低了电阻传感器处的电位，因此本发明解决了现有技术中所存在的问题，且本发明具有投资小、实验条件可控，结构调整方便、测量方便、运行稳定、试验周期短的优点，可实现便捷的选量程功能，对特高压直流输电工程电晕特性研究具有重要作用。
2.本发明采用光纤传输，光纤传输具有频带宽、通信容量大、损耗低、抗电磁干扰、无串音干扰，保密性好等优点。
3.本发明设置通断控制器，可保护数据采集卡，避免瞬间高压进入测量系统，同时将电晕笼内壁接地，避免累积电荷，保护测量环境。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本实用新型的示例性实施方式：
图1为根据本实用新型实施方式的测量装置的结构示意图；
图2为根据本实用新型实施方式的测量装置中电晕笼的结构示意图；
图3为根据本实用新型实施方式的保护电路的结构示意图；
图4为根据本实用新型实施方式的通断保护原理图；
图5为根据本实用新型实施方式的通断保护电路图；
图6为根据本实用新型实施方式的测量系统远程端原理图；
图7为根据本实用新型实施方式的光纤连接的结构示意图；
图8为根据本实用新型实施方式的测量系统本地端原理图；以及
图9为根据本实用新型实施方式的整个电晕电流测量回路系统的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本实用新型的示例性实施方式，然而，本实用新型可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本实用新型，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本实用新型的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本实用新型的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本实用新型实施方式的测量装置的结构示意图。如图1所示，所述对高压输电线路电晕电流进行测量的装置，包括：电晕笼、电阻传感器、过压保护模块、通断控制器、光电转换单元、数据采集卡和供电单元，在所述电晕笼的笼体侧串联电阻传感器；所述电阻传感器与过压保护模块并联；所述过压保护模块连接通断控制器，能够有效避免电晕笼产生瞬时高压放电对数据采集卡的破坏；所述通断控制器和数据采集卡均通过数据线与光电转换单元连接并进行数据交换；所述光电转换单元用于光信号和电信号之间的转换；所述供电单元分别与数据采集卡和光电转换单元电连接，为数据采集卡和光电转换单元提供直流电源；以及
所述电阻传感器为固定式传感器，一端连接电晕笼内层网的测量段，另一端接电晕笼外层网。
图2为根据本发明实施方式的测量装置中电晕笼的结构示意图。如图2所示，黑色线为导线，1是测量段，2是内层网，3是绝缘支座，4是外层网，5是防护段。优选地，所述电晕笼为同心网状金属笼，所述电晕笼包括外层网4和内层网2；其中外层网4接地，用于屏蔽来自外界的干扰；内层网2用来测量高压输电线路的电晕效应；所述电阻传感器的一端连接电晕笼内层网2，另一端接电晕笼外层网4。优选地，其中所述电晕笼的内层网2与电晕笼的外层网4之间设置绝缘支座3。优选地，其中所述电晕笼的内层网2包括测量段1和位于测量段两侧的防护段5；防护段5接地，用来屏蔽电晕笼端部引起的端部效应，测量段1用来收集高压输电线路的电晕效应数据，并且所述测量段1的长度至少应为所述防护段3长度的3倍。优选地，其中所述电晕笼的内层网2分为多个分段，每个分段之间绝缘并用方便拆卸的金属条进行连接。测量段1和防护段5的长度可以根据需要来进行改变。
优选地，其中所述电阻传感器为固定式传感器，一端连接电晕笼内层网的测量段，另一端接电晕笼外层网。
优选地，其中所述过压保护模块包括双向瞬变电压抑制二极管和气体放电管，在电阻传感器的输入端和数据采集卡的输入端并联双向瞬变电压抑制二极管(TVS)及气体放电管作为输入保护，能避免电晕笼产生瞬时高压放电对数据采集卡的破坏，在瞬间高功率的冲击下，TVS能以极高的速度改变本身的阻抗，从而吸收一个极大的电流，将它两端的电压钳制在预定的数值上，并且能满足系统中ns级快速保护的需要。
测量电晕电流时，电源室电压等级最高可加至1000kV。在此电压等级下工作，采集卡可能会遭受瞬间高压脉冲击穿其采集通道的风险。尤其在电源室降压接地时，高电压脉冲直接经过采集卡通道流入大地，这样极易破坏采集卡探头。
图3为根据本发明实施方式的保护电路的结构示意图。如图3所示，在无感电阻两端加上限幅电路，限幅电路包含短路开关、TVS管以及放电管，与无感电阻并联，可以将数据采集卡通道电压钳制在较低电压水平。电源室降压接地时，将短路开关闭合，高压脉冲直接流入大地，可避免其击穿采集卡通道。
具体实施时，所述TVS管可以为P6KE15CA瞬态抑制二极管，所述放电管可以为2R-75V陶瓷放电二极管。
优选地，其中所述通断控制器包括继电器、继电器驱动芯片、反相器以及主控芯片，主控芯片连接继电器来控制电路的通断，继电器通过继电器驱动芯片引出的管脚连接反相器。数据采集卡不工作时将磁保持继电器置位，当数据采集卡工作时将磁保持继电器复位，添加一级反相器，使得上电之后施加到继电器上的单片机信号为高电平，即置位信号和复位信号都无效，避免了继电器的误操作。
优选地，其中所述继电器驱动芯片是高耐压、大电流达林顿阵列反相驱动器，所述继电器驱动芯片由七个NPN硅达林顿管组成。继电器驱动芯片的每一对达林顿都串联一个2.7k的基极电阻，在5V的工作电压下能与TTL和CMOS电路直接相连，工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关闭态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。
图4为根据本发明实施方式的通断保护原理图。如图4所示，当数据采集卡不工作时将通断控制器中的继电器(或称磁保持继电器)置位，此时精密电阻传感器中的测量电阻短路，电晕电流直接流入大地，采集装置输入端为零。当数据采集卡工作时将磁保持继电器复位，此时测量电阻串接在电晕电流测试线和地线之间，电晕电流进入数据采集卡。通断控制器功能有两个，一是保护测量系统，避免瞬间高压进入数据采集卡，平时数据采集卡不工作的时候，将通断控制器连通，相当于将电晕测量笼直接接地，只有测量的时候才将通断控制器断开，这时电晕电流信号进入数据采集卡。另外，在降压接地阶段，由于瞬间将电压降到0V，试验线段上会有大电流流过，这时如果不将测量端接地，就会造成数据采集卡的毁坏。二是将电晕笼内壁接地，避免累积电荷，保护测量环境。
图5为根据本发明实施方式的通断保护电路图，如图5所示，本发明通过磁保持继电器设计了通断保护电路。MC1413B作为继电器的驱动芯片，74HC04作为反相器。MC1413B是高耐压、大电流达林顿阵列反相驱动器，所述继电器驱动芯片MC1413B由七个NPN硅达林顿管组成。MC1413B驱动芯片内部的每一对达林顿都串联一个2.7k的基极电阻，在5V的工作电压下能与TTL和CMOS电路直接相连，引出至图中各个管脚，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。MC1413B工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关闭态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。单片机的引脚上电为高电平，而MC1413B是漏极开路驱动，经过MC1413B反向之后变为低电平，此时置位信号和复位信号都有效，造成继电器的误动作。为了避免此种现象的发生，添加一级反相器74HC04，使得上电之后施加到继电器上的单片机信号为高电平，即置位信号和复位信号都无效，避免了继电器的误操作。
优选地，其中所述光电转换单元包括USB转光纤的本地端模块和光纤转USB的远程端模块，远程端模块与数据采集卡相连，本地端模块连接上位机。
图6为根据本发明实施方式的测量系统远程端原理图。测量系统远程端模块包括电阻传感器、保护电路(包括前端保护、采集卡输入端保护)、光电转换模块(远程端)、数据采集卡(例如：图6中DSO-5200A)和供电单元(例如：图6中的电源模块)。
图7为根据本发明实施方式的光纤连接的结构示意图。整个测量系统的光纤通路包括光纤USB延长器、室外光纤和光纤转接盒，如图7所示。光纤USB延长器通过内部的光电转化模块将USB数据采集卡输出的数字差分信号转化为适宜于远程传输的数字光信号。电晕笼低压侧附近的户外配电柜内部有光纤配线柜，埋在地里的室外光纤经过熔接后固定在光纤配线柜内，提供光纤连接的法兰接口，一端与室内光纤相连，另一端与远程端光纤USB延长器输出端连接。光纤配线柜可保证光纤不易折断，同时可以防止在恶劣的天气环境下受到污染或者腐蚀。光纤频带宽，通信容量大光纤可利用的带宽约为50000GHz，可传输各种宽频带信息；损耗低，目前实用石英光纤的损耗可低于0.2dB/km，可降低通信的成本、提高可靠性和稳定性；能抗电磁干扰。光纤是绝缘体材料，它不受自然界，的雷电干扰、电离层的变化和高压设备等工业电器的干扰。无串音干扰，保密性好。光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来。为了保证光纤通信的稳定可靠，应定期对光纤法兰进行清洗，一般选取浓度为75％的工业酒精对准光纤头或者法兰口冲洗。冲洗干净的标准有两种：一种简便的方法是用红色激光笔直射光纤一端，肉眼观察另一端的光点，亮度越强烈，则光纤衰减就越小，光纤通信的质量越高；另一种方法可以用精密仪器光纤测试仪对光纤进行测试，可直接测试出光纤通信的衰减值。
优选地，其中所述数据采集卡装设在铁盒内，为了加强电磁屏蔽，减少外界环境对测量装置的无线电干扰；数据采集卡的光纤USB延长器和探头连接处用加固件进行加固，这是为了防止电晕笼进行人工模拟降雨喷雾时，附近的管道振动导致连接线接触不良，从而出现远程端和本地端之间通信中断的现象。
优选地，其中所述供电单元的电源的引入端串接自恢复保险丝。优选地，所述供电单元采用13V的大容量电池供电的模式，并将其供电电压转换成5V。图8为根据本实用新型实施方式的测量系统本地端原理图。如图8所示，电晕笼的两侧装有220V的户外配电柜，内置的插线板预留了多个插孔，可外接电源线为本地端设备供电。为了防止电源线长期暴露在野外易老化，在外部套上波纹管。本地端测量装置内部包含电源适配器，可将市电转化为5V的直流电压，同时为高速数据采集卡和光纤USB延伸器供电，从而保证测量系统全天候24小时连续工作。为了防止连接不当等因素造成系统电流过大，进而烧毁测量系统，在电源的引入端串接了自恢复保险丝。
图9为根据本发明实施方式的整个电晕电流测量回路系统的结构示意图。如图9所示，本发明涉及的一种通过电晕笼测量高压输电线路电晕电流的装置，整个测量回路还包括直流高压电源、锚塔、控制室。其中电晕电流测量系统本地端位于控制室内，并通过USB连接控制室的PC机。所述电晕笼的两端各设置一个锚塔，直流高压电源经过低压侧的锚塔，穿过电晕笼。电晕电流测量本地模块内的光纤USB延长器连接室外光纤，可接收远程端传输的数据信号。为了实现正负极同步测量，正极、负极光纤USB延长器安装在同一个本地端测量盒内。测量盒输出两根USB延长器，连接计算机后，可同时测量正负电压等级下的电晕电流。采用开关电源为两个光电转换模块供电，输入220V，可输出两路+5V直流电源。为防止设备出现意外短路的危险，开关电源模块输入端串联了保险丝。计算机对HS3采集卡的识别是根据其连接到计算机的先后顺序确定的，这是由HS3采集卡的驱动程序决定的。所以，可以控制HS3采集卡的上电顺序来确定其物理地址。如图9所示，本装置A为笼体侧电晕电流测量装置，包括电阻传感器、过压保护模块、通断控制器、光电转换单元、数据采集卡和供电单元。装置A将测量的电晕电流通过室外光纤传输至控制室内的电晕电流测量本地端，电晕电流测量本地端通过USB通信将数据信号传输至显示设备。本装置A在运用时，将本装置A的电阻传感器连接于整个测量回路中的电晕笼测量段，将光电转换单元的光信号输出端通过光纤与电晕电流测量本地端连接，直流高压电源可提供的最高电压等级为±1200kV，进行加压试验时，电压等级一般在400kV至1000kV之间。直流高压电源经过管母线，将电能传送至锚塔处。在两锚塔导线挂盘处，挂接研究电晕特性的多分裂导线，沿电晕笼的1/2高度穿过。电晕电流测量装置的电阻传感器连接在电晕笼内层网与外层网之间，由于外层网直接接地，电晕电流测量传感器另一端入地。整个测量系统利用光纤通信的抗干扰、隔离强、传输快、损耗低等优点，将电晕电流信号从远程端安全传输到本地端，实现试验人员的远程操作，使整个高压测试回路与测量控制设备隔绝开来，保证设备与人员的高度安全。最后，本地试验人员可通过上位机软件实现电晕电流测量的远程监控。优选地，其中所述装置位于斜顶式结构装置之中，便于防雨。
已经通过参考少量实施方式描述了本实用新型。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本实用新型以上公开的其他的实施例等同地落在本实用新型的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (13)
1.一种通过电晕笼对高压输电线路电晕电流进行测量的装置，所述装置包括：电晕笼、电阻传感器、过压保护单元、通断控制器、光电转换单元、高速数据采集卡和供电单元，其特征在于，
在所述电晕笼的笼体侧串联电阻传感器以对电晕电流进行测量；所述电阻传感器与过压保护模块并联；所述过压保护模块连接通断控制器，用于在电晕笼产生瞬时高压放电时保护数据采集卡；所述通断控制器和数据采集卡均通过数据线与光电转换单元连接并进行数据交换；所述光电转换单元用于光信号和电信号之间的转换；所述供电单元分别与数据采集卡和光电转换单元电连接，为数据采集卡和光电转换单元提供直流电源；以及
所述电阻传感器为固定式传感器，一端连接电晕笼内层网的测量段，另一端接电晕笼外层网。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电晕笼为同心网状金属笼，所述电晕笼包括外层网和内层网；其中外层网接地，用于屏蔽来自外界的干扰；内层网用来测量高压输电线路的电晕效应；所述电阻传感器的一端连接电晕笼内层网，另一端接电晕笼外层网。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电晕笼的内层网与电晕笼的外层网之间设置有绝缘支座。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电晕笼的内层网包括测量段和位于测量段两侧的防护段；防护段接地，用来屏蔽电晕笼端部引起的端部效应，测量段用来收集高压输电线路的电晕效应数据。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电晕笼的内层网分为多个分段，每个分段之间绝缘并用方便拆卸的金属条连接。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述过压保护模块包括双向瞬变电压抑制二极管和气体放电管，在电阻传感器输入端和数据采集卡的输入端并联双向瞬变电压抑制二极管TVS及气体放电管作为输入保护。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通断控制器包括继电器、继电器驱动芯片、反相器以及主控芯片，主控芯片连接继电器来控制电路的通断，继电器通过继电器驱动芯片引出的管脚连接反相器。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述继电器驱动芯片是高耐压、大电流达林顿阵列反相驱动器，所述继电器驱动芯片由七个NPN硅达林顿管组成。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电转换单元包括USB转光纤的本地端模块和光纤转USB的远程端模块，远程端模块与数据采集卡相连，本地端模块连接上位机。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集卡在铁盒内部，数据采集卡的USB延长器和探头连接处用加固件进行加固。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述供电单元的电源的引入端串接自恢复保险丝。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述供电单元采用13V的大容量电池供电的模式，并将其供电电压转换成5V。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置位于斜顶式结构装置之中，便于防雨。
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|---|---|---|---|
| CN201621064741.7U CN206057412U (zh) | 2016-09-19 | 2016-09-19 | 一种通过电晕笼对高压输电线路电晕电流进行测量的装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111693825A (zh) * | 2020-05-07 | 2020-09-22 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种确定微风条件下电晕笼淋雨装置的雨强的方法和系统 |
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2016
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