专利名称：一种高压直流宽频域电晕电流测量系统的制作方法
技术领域：
本发明属于高电压试验设备和测量技术领域，具体涉及一种高压直流宽频域电晕电流测量系统。
背景技术：
为贯彻国家能源政策，确保电力工业全面、协调、可持续的健康发展，国家电网公司根据我国国情提出了加快发展交直流特高压电网的重大战略举措。特高压输电是在超高压输电的基础上发展起来的，可以实现远距离、大容量传输电能，适合大区电网互联。与特高压交流输电不同，特高压直流输电的线路造价更低，功率损耗更小，更适合超远距离的大容量电能输送。由于电压等级较高，特高压直流输电导线上不可避免的会发生电晕现象。特高压直流输电线路电晕效应包括电晕损失、电场效应、无线电干扰、可听噪声和空间离子流等。输电电压等级的提高使很多国家对防电晕现象提出了更高的要求。近年来，我国为进一步提高电能输送容量和距离，已经建设完成向家坝一上海±800kV特高压直流输电工程，同时国家电网公司目前已启动± IlOOkV特高压直流输电技术的前期研究工作。由于我国特高压直流输电线路将经过不同地理和不同环境地区，随着电压等级的提高，电晕效应问题将会更加突出。而发达国家的大气环境质量与我国相差很大，在特高压直流线路电晕效应等相关领域，这些国家的试验数据和设计方法难以为我国直接使用。因此需要对直流线路的电晕效应进行深入研究。以上与电磁环境有关的问题源头大多在于电晕放电，而电晕电流产生空间辐射电磁场就是无线电干扰；电晕产生离子的高速运动导致空气压缩而产生可听噪声，直流线路电晕产生空间电荷,进而产生空间电场。因此,必须重点研究揭示电磁环境参数与电晕放电本质特征的电晕电流。电晕放电属随机性脉冲放电，频谱很宽。工程上，对无线电干扰等电磁环境参数，一般需测量到30MHz以上。从研究角度，需考虑更宽频域。为此，须具备全天候宽频域电晕电流测试手段，为今后研究不同海拔和不同气候环境的特高压线路、交直流输电线路混合架设下的电晕电流特性提供必要的条件。电晕损失以及电晕引起的环境效应是直流输电工程中需要解决的两大关键问题，而电晕电流是与电晕损失和环境效应直接相关的物理量，同时也是表征线路电晕放电情况最直接的物理量，通过研究电晕电流可对改进特高压输电线路的导线配置提供依据。以前电力系统测量电晕电流只注重研究电晕损耗，并且传统的测量系统采样频率低(通常在2MHz以下)，测量性能远不能满足特高压输电线路可听噪声、无线电干扰和直流合成电场的研究需求。由电晕电流的研究需要推动，中国电力科学研究院已成功研制出频带响应为30MHz的取样传感器，南方电网技术研究中心和清华大学已研制出带宽为50MHz的电晕电流测量系统，但这些还不能满足特高压直流电晕特性研究的需求，需要进一步研制采样频率更高的测量系统。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种高压直流宽频域电晕电流测量系统，具有测量频率范围宽、抗电磁干扰能力强等优点，可在特高压直流环境及各种恶劣自然环境条件下长期稳定运行，为深入研究高压直流电晕特性提供了有效的技术手段。为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案:一种高压直流宽频域电晕电流测量系统，所述系统包括取样电阻传感器、特高压当地端测量单元、光纤传输单元、安全位置测量端单元和上位机；所述取样电阻传感器和特高压当地端测量单元均设于一体化特高压当地单元中，所述取样电阻传感器对高压直流线路的电晕电流信号进行取样，将所述电晕电流信号转化为电压信号，所述特高压当地端测量单元对所述电压信号进行采集，经光电转换得到光信号，所述光信号经所述光纤传输单元传送至所述安全位置测量端单元，所述安全位置测量端单元将所述光信号转换成电压信号，所述上位机对电压信号进行处理、存储和显示。所述一体化特高压当地单元包括均压环A、取样电阻传感器、光纤防水插座、特高压当地端测量单元和屏蔽环；一体化特高压当地单元两侧分别设有取样电阻传感器和特高压当地端测量单元，所述取样电阻传感器和特高压当地端测量单元的外侧均设有屏蔽环，所述特高压当地端测量单元与其外侧的屏蔽环交接处设有光纤防水插座，用以引出光信号。所述取样电阻传感器包括屏蔽罩、环氧树脂绝缘法兰、PE绝缘骨架、厢体和取样电阻；所述取样电阻的阻值相同，圆周均匀布置且采用并联形式；位于所述厢体内部，所述厢体使用所述PE绝缘骨架做受力支撑支架，在PE绝缘骨架的外侧设有屏蔽罩，所述取样电阻传感器两端分别通过所述环氧树脂绝缘法兰与特高压当地端测量单元和管母线连接。所述特高压当地端测量单元包括高速宽频域数据采集单元、USB接口、光电转换单元A、串行接口、能源综合控制单元和独立供电单元；所述高速宽频域数据采集单元与所述取样电阻传感器连接，其对所述电压信号进行采集，所述电压信号通过所述USB接口输入所述光电转换单元A，经转换得到所述光信号；所述能源综合控制单元通过串行接口和光电转换单元A连接；所述独立供电单元为高速宽频域数据采集单元、能源综合控制单元和光电转换单元A供电。所述独立供电单元包括蓄电池，所述蓄电池包括电池保护板，所述蓄电池采用磷酸铁锂材料。所述蓄电池包括光纤充电单元，利用光纤对所述蓄电池进行光信号充电。所述高速宽频域数据采集单元包括AD转换单元、FPGA单元、ARM控制单元、缓冲单元和网络传输单元；所述FPGA单元按照采样时钟控制所述AD转换单元将经取样电阻传感器获得的电晕电流信号转换为数字信号，并控制缓冲单元A对数字信号的进行缓存，所述ARM控制单元控制FPGA单元和缓冲单元B对所述数字信号的传输，所述网络传输单元将数字信号通过所述USB接口传输给所述光电转换单元A。所述能源综合控制单元包括电源输入接口、电源转换单元、供电控制电路、中央控制单元、保护电路、电源输出接口 A和电源输出接口 B;所述电源转换单元通过所述电源输入接口连接所述独立供电单元，其一方面为所述中央处理单元和供电控制电路供电，另一方面控制所述电源输出接口 A和电源输出接口 B分别输出不同电压，所述中央控制单元控制所述保护电路和供电控制电路，通过所述供电控制电路的通断实现电源输出的控制，所述保护电路包括气体放电管和与其并联的TVS管，以使所述能源综合控制单元不被瞬时高压冲击。所述光纤传输单元包括光纤和光纤绝缘子；所述光纤采用室外多模光缆，所述光纤绝缘子将所述光信号从特高压当地端测量单元传输到至所述安全位置测量端单元。所述安全位置测量端单元包括光电转换单元B、USB接口、串行接口和电源单元；所述USB接口和串行接口分别与所述光电转换单元连接，所述电源单元为光电转换单元B供电。所述上位机通过USB接口及串行接口与所述安全位置测量端单元连接，其接收、保存并处理所述电压信号，进而得到电晕电流信号。所述电晕电流信号的取样频率为IkHz 1GHz，取样深度为IkB 128MB。与现有技术相比，本发明的有益效果在于:1.取样电阻传感器采用取样电阻圆周并联的形式，信号失真小、测量频率范围宽，可达到500MHz，且在特高压环境下不产生电晕放电；该电阻传感器的排列形式可更有效的降低取样电阻的电感和分布电容参数，大大提高频响参数；2.采用高速宽频域数据采集单元，采样频率高、存储深度大，可以更好的采集电晕电流信号；3.将取样电阻传感器和特高压当地端测量单元统一安装在一体化特高压当地单元中，使得电晕电流信号的取样、采集和处理过程最大限度的不受外界特高压电磁环境的影响，具有很好的电磁屏蔽效果；4.采用数字化光纤传输单元，频带宽、衰减少，抗干扰能力强，并且有效距离大，可满足远程测量需求；5.光纤绝缘子对高低压有效隔离，保护光纤中的数据传输不受特高压特殊电磁环境的影响，保证电晕电流数据高速、安全、可靠的传输；6.本发明所提出的宽频域电晕电流测量系统可在特高压直流环境及各种恶劣自然环境条件下长期稳定运行。
图1是高压直流宽频域电晕电流测量系统结构框图；图2是高压直流宽频域电晕电流测量系统中一体化特高压当地单元结构示意图；图3是高压直流宽频域电晕电流测量系统中光纤绝缘子示意图；图4是高压直流宽频域电晕电流测量系统中高速宽频域数据采集单元组成示意图；图5是高压直流宽频域电晕电流测量系统中能源综合控制单元示意图；图6是高压直流宽频域电晕电流测量系统中上位机接收、保存并处理电压信号流程图；图7是实施例中电晕电流测量结果示意图。其中:1.均压环A，2.屏蔽罩，3.环氧树脂绝缘法兰，4.PE绝缘骨架，5.厢体，7.蓄电池，8.光纤防水插座，9.特高压当地端测量单元，10.屏蔽环，11.取样电阻，12.低压端连接金具，13.低压测量端光纤转接盒，14.光纤绝缘子延长金具，15.高压测量端光纤转接盒，16.光纤绝缘子固定伸缩弹簧，17.光纤绝缘子与室外光纤连接接口，18.光纤绝缘子与测量系统光纤连接接口，19.均压环B，20.绝缘子。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。如图1，一种高压直流宽频域电晕电流测量系统，所述系统包括取样电阻传感器、特高压当地端测量单元、光纤传输单元、安全位置测量端单元和上位机；所述取样电阻传感器和特高压当地端测量单元均设于一体化特高压当地单元中，所述取样电阻传感器对高压直流线路的电晕电流信号进行取样，将所述电晕电流信号转换为电压信号，所述特高压当地端测量单元对所述电压信号进行采集，经光电转换得到光信号，所述光信号经所述光纤传输单元传送至所述安全位置测量端单元，所述安全位置测量端单元将所述光信号转换成电压信号，所述上位机对电压信号进行处理、存储和显示。如图2，所述一体化特高压当地单元包括均压环Al、取样电阻传感器、光纤防水插座8、特高压当地端测量单元9和屏蔽环10 ;—体化特高压当地单元两侧分别设有取样电阻传感器和特高压当地端测量单元，所述取样电阻传感器和特高压当地端测量单元的外侧均设有屏蔽环，所述特高压当地端测量单元与其外侧的屏蔽环交接处设有光纤防水插座，其采用四芯光纤防水插头，用于和光纤绝缘子连接，是光信号的传输接口。均压环A用于降低一体化特高压当地单元表面场强，防止表面放电。所述取样电阻传感器包括屏蔽罩2、环氧树脂绝缘法兰3、PE绝缘骨架4、厢体5和4个相同阻值的取样电阻11 ;所述取样电阻11采用氧化锌陶瓷管式无感电阻，4个取样电阻11圆周均匀布置且采用并联形式；位于所述厢体5内部，所述厢体5使用所述PE绝缘骨架4做受力支撑支架，在PE绝缘骨架4的外侧设有屏蔽罩2，所述取样电阻传感器两端分别通过所述环氧树脂绝缘法兰3与特高压当地端测量单元9和管母线连接。屏蔽罩2和屏蔽环10起屏蔽作用，更好的保护取样电阻传感器不受特高压直流电磁场的干扰。环氧树脂绝缘法兰3、PE绝缘骨架4起固定和支撑的作用，这些材料强度很高，可以满足实际所需要的安装强度。所述特高压当地端测量单元9包括高速宽频域数据采集单元、USB接口、光电转换单元A、串行接口、能源综合控制单元和独立供电单元；所述高速宽频域数据采集单元与所述取样电阻传感器连接，其对所述电压信号进行采集，所述电压信号通过所述USB接口输入所述光电转换单元A，经转换得到所述光信号；所述能源综合控制单元通过串行接口和光电转换单元A连接；所述独立供电单元为高速宽频域数据采集单元、能源综合控制单元和光电转换单元A供电。所述独立供电单元包括蓄电池7,所述蓄电池7包括电池保护板,所述蓄电池7采用磷酸铁锂材料，其标称容量为40Ah。所述蓄电池7包括光纤充电单元，利用光纤对所述蓄电池7进行光信号充电。如图3，所述光纤传输单元包括光纤和光纤绝缘子；所述光纤采用室外多模光缆，所述光纤绝缘子将所述光信号从特高压当地端测量单元传输到至所述安全位置测量端单
J Li ο
光纤绝缘子包括低压端连接金具12、低压测量端光纤转接盒13、光纤绝缘子延长金具14、高压测量端光纤转接盒15、光纤绝缘子固定伸缩弹簧16、光纤绝缘子与室外光纤连接接口 17、光纤绝缘子与测量系统光纤连接接口 18、均压环B19和绝缘子20;其中低压端连接金具12连接在低电位侧的固定点上，低压测量端光纤转接盒13、高压测量端光纤转接盒15用于室外光纤和光纤绝缘子的转接，光纤绝缘子与室外光纤连接接口 17、光纤绝缘子与测量系统光纤连接接口 18分别是光纤绝缘子与室外光纤和一体化特高压当地单元的连接接口，光纤绝缘子固定伸缩弹簧16用于提供光纤绝缘子一定的安装裕度以及小范围活动能力，均压环19用于防止表面放电，绝缘子20用于线路高压侧与试验塔安装挂点的绝缘。所述安全位置测量端单元包括光电转换单元B、USB接口、串行接口和电源单元；所述USB接口和串行接口分别与所述光电转换单元连接，所述电源单元为光电转换单元B供电；如图4,所述高速宽频域数据采集单元包括AD转换单元、FPGA单元、ARM控制单元、缓冲单元和网络传输单元；所述FPGA单元按照采样时钟控制所述AD转换单元将经取样电阻传感器获得的电晕电流信号转换为数字信号，并控制缓冲单元A对数字信号的进行缓存，所述ARM控制单元控制FPGA单元和缓冲单元B对所述数字信号的传输，所述网络传输单元将数字信号通过所述USB接口传输给所述光电转换单元A。如图5，所述能源综合控制单元包括电源输入接口、电源转换单元、供电控制电路、中央控制单元、保护电路、电源输出接口 A和电源输出接口 B;所述电源转换单元通过所述电源输入接口连接所述独立供电单元，其一方面为所述中央处理单元和供电控制电路供电，另一方面控制所述电源输出接口 A和电源输出接口 B分别输出不同电压，所述中央控制单元控制所述保护电路和供电控制电路，通过所述供电控制电路的通断实现电源输出的控制，所述保护电路包括气体放电管和与其并联的TVS管，以使所述能源综合控制单元不被瞬时高压冲击。如图6，所述上位机通过USB接口及串行接口与所述安全位置测量端单元连接，其接收、保存并处理所述电压信号，进而得到电晕电流信号。并且还要对能源综合控制模块进行控制，以达到降低功耗的效果。所述电晕电流信号的取样频率为IkHz 1GHz，取样深度为IkB 128MB。该系统已经安装在国家电网公司特高压直流试验基地并已投入使用，已经进行过大量的电晕电流测量研究工作。该试验基地建有全长1084米的试验线段，可作同塔双回试验，双回直流电压等级最高可以达到±1200kV。其特高压双极直流发生器作为特高压直流试验基地的直流电源，输出电压最高可以达到为±1200kV，输出电流为0.5A。如图7，可得出不同的极导线对地高度对电晕电流测量结果的影响规律。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范围当中。
权利要求
1.一种高压直流宽频域电晕电流测量系统，其特征在于:所述系统包括取样电阻传感器、特高压当地端测量单元、光纤传输单元、安全位置测量端单元和上位机；所述取样电阻传感器和特高压当地端测量单元均设于一体化特高压当地单元中，所述取样电阻传感器对高压直流线路的电晕电流信号进行取样，将所述电晕电流信号转化为电压信号，所述特高压当地端测量单元对所述电压信号进行采集，经光电转换得到光信号，所述光信号经所述光纤传输单元传送至所述安全位置测量端单元，所述安全位置测量端单元将所述光信号转换成电压信号，所述上位机对电压信号进行处理、存储和显示。
2.根据权利要求1所述的高压直流宽频域电晕电流测量系统，其特征在于:所述一体化特高压当地单元包括均压环A、取样电阻传感器、光纤防水插座、特高压当地端测量单元和屏蔽环；一体化特高压当地单元两侧分别设有取样电阻传感器和特高压当地端测量单元，所述取样电阻传感器和特高压当地端测量单元的外侧均设有屏蔽环，所述特高压当地端测量单元与其外侧的屏蔽环交接处设有光纤防水插座，用以引出光信号。
3.根据权利要求1所述的高压直流宽频域电晕电流测量系统，其特征在于:所述取样电阻传感器包括屏蔽罩、环氧树脂绝缘法兰、PE绝缘骨架、厢体和取样电阻；所述取样电阻的阻值相同，圆周均匀布置且采用并联形式；位于所述厢体内部，所述厢体使用所述PE绝缘骨架做受力支撑支架，在PE绝缘骨架的外侧设有屏蔽罩，所述取样电阻传感器两端分别通过所述环氧树脂绝缘法兰与特高压当地端测量单元和管母线连接。
4.根据权利要求1所述的高压直流宽频域电晕电流测量系统，其特征在于:所述特高压当地端测量单元包括高速宽频域数据采集单元、USB接口、光电转换单元A、串行接口、能源综合控制单元和独立供电单元；所述高速宽频域数据采集单元与所述取样电阻传感器连接，其对所述电压信号进行采集，所述电压信号通过所述USB接口输入所述光电转换单元A，经转换得到所述光信号；所述能源综合控制单元通过串行接口和光电转换单元A连接；所述独立供电单元为高速宽频域数据采集单元、能源综合控制单元和光电转换单元A供电。
5.根据权利要求4所述的高压直流宽频域电晕电流测量系统，其特征在于:所述独立供电单元包括蓄电池，所述蓄电池包括电池保护板，所述蓄电池采用磷酸铁锂材料。
6.根据权利要求5所述的高压直流宽频域电晕电流测量系统，其特征在于:所述蓄电池包括光纤充电单元，利用光纤对所述蓄电池进行光信号充电。
7.根据权利要求4所述的高压直流宽频域电晕电流测量系统，其特征在于:所述高速宽频域数据采集单元包括AD转换单元、FPGA单元、ARM控制单元、缓冲单元和网络传输单元；所述FPGA单元按照采样时钟控制所述AD转换单元将经取样电阻传感器获得的电晕电流信号转换为数字信号，并控制缓冲单元A对数字信号的进行缓存，所述ARM控制单元控制FPGA单元和缓冲单元B对所述数字信号的传输，所述网络传输单元将数字信号通过所述USB接口传输给所述光电转换单元A。
8.根据权利要求4所述的高压直流宽频域电晕电流测量系统，其特征在于:所述能源综合控制单元包括电源输入接口、电源转换单元、供电控制电路、中央控制单元、保护电路、电源输出接口 A和电源输出接口 B ;所述电源转换单元通过所述电源输入接口连接所述独立供电单元，其一方面为所述中央处理单元和供电控制电路供电，另一方面控制所述电源输出接口 A和电源输出接口 B分别输出不同电压，所述中央控制单元控制所述保护电路和供电控制电路，通过所述供电控制电路的通断实现电源输出的控制，所述保护电路包括气体放电管和与其并联的TVS管，以使所述能源综合控制单元不被瞬时高压冲击。
9.根据权利要求1所述的高压直流宽频域电晕电流测量系统，其特征在于:所述光纤传输单元包括光纤和光纤绝缘子；所述光纤采用室外多模光缆，所述光纤绝缘子将所述光信号从特高压当地端测量单元传输到至所述安全位置测量端单元。
10.根据权利要求1所述的高压直流宽频域电晕电流测量系统，其特征在于:所述安全位置测量端单元包括光电转换单元B、USB接口、串行接口和电源单元；所述USB接口和串行接口分别与所述光电转换单元连接，所述电源单元为光电转换单元B供电。
11.根据权利要求1所述的高压直流宽频域电晕电流测量系统，其特征在于:所述上位机通过USB接口及串行接口与所述安全位置测量端单元连接，其接收、保存并处理所述电压信号，进而得到电晕电流信号。
12.根据权利要求1所述的高压直流宽频域电晕电流测量系统，其特征在于:所述电晕电流信号的取样频 率为IkHz 1GHz，取样深度为IkB 128MB。
全文摘要
本发明提供一种高压直流宽频域电晕电流测量系统，包括取样电阻传感器、特高压当地端测量单元、光纤传输单元、安全位置测量端单元和上位机；取样电阻传感器对高压直流线路的电晕电流信号进行取样，将电晕电流信号转化为电压信号，特高压当地端测量单元对电压信号进行采集，经光电转换得到光信号，光信号经光纤传输单元传送至安全位置测量端单元，安全位置测量端单元将光信号转换成电压信号，上位机对电压信号进行处理、存储和显示。本发明具有测量频率范围宽、抗电磁干扰能力强等优点，可在特高压直流环境及各种恶劣自然环境条件下长期稳定运行，为深入研究高压直流电晕特性提供了有效的技术手段。
文档编号G01R19/00GK103116056SQ20131001339
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月15日 优先权日2012年8月7日
发明者陆家榆, 袁海文, 刘元庆, 吕建勋, 王建刚, 夏文岳, 李炼炼, 郭剑, 鞠勇 申请人:中国电力科学研究院, 国家电网公司, 袁海文