本发明涉及一种可以在淋雨、强干扰条件下使用的高电位电流采集系统，属于测量技术领域。
背景技术：
在超高压/特高压输电线路中，空气是最常见的绝缘介质，绝缘闪络和击穿故障是输电系统中最重要的危害之一。特高压线路大幅度提高了线路的电压等级，电压等级的提升也导致了线路设备绝缘要求的大幅提升，对长空气间隙放电的研究显得更加重要。国内外的学者对干燥条件下空气间隙的击穿过程进行了大量的试验研究，结果表明击穿电压随间隙长度的增加会呈现“饱和”的趋势。但是对于降雨条件下长空气间隙的放电过程，学者们进行的研究十分有限，也未能达成广泛的共识。
近年来，我国局部地区空气污染越来越严重，雨水电导率持续增加，有时可高达2000μs/cm，雨水的导电能力显著增强。而在极端的暴雨条件下，瞬间降雨强度甚至可以超过10mm/min，线路的绝缘能力面临着严峻的考验。从以往高压输电线路的运行情况来看，在降雨尤其是暴雨条件下，会发生导线闪络事故，金具部分因为场强高，更容易发生闪络。因此，对淋雨状态下空气间隙放电的研究具有重大的工程意义，而测量放电电流是研究空气间隙放电的有效方法。
目前广泛采用的高压放电电流测量方式主要有两种：一种是在高压电极侧串入罗氏线圈的方式；另一种是在低压电极与地线之间串入采样电阻，通过测量电阻两端的电压计算放电电流。但是随着研究的不断深入，学者们发现这两种测量方法均存在诸多弊端。罗氏线圈的测量结果受其频率响应特性的影响较大，当测量电流存在直流分量时更是如此。而使用在低压端串入电阻的测量方式时，只有当接地平板足够大时，才能保证空间电离产生的正离子全部进入接地平板。同时，由于间隙距离较大，而正离子的迁移速度较慢，因此在接地平板处测得的电流不能实时反映放电的物理过程。基于以上的考虑，近年来通常选择在高压侧串入采样电阻的方式来测量预放电电流。预放电电流通常以脉冲形式出现，波形上升时间短，这就要求测量系统具有较大的模拟带宽；测量设备的高压部分接入放电电路中，电位很高，要求具有良好的电气绝缘，以保证低压采样设备的电气安全；预放电电流的测量在高压环境下进行，属于快速暂态信号的时域测量，要求测量系统具有一定的抗电磁干扰能力。
现有的高压侧预放电电流测量装置在长间隙放电实验中取得了良好的测量效果，但也存在一些问题，例如电源持续工作时间短、体积庞大不便于拆装充电、无法对设备进行远程智能控制、造价高昂和触发方式单一。除此以外，因为对淋雨条件下长间隙放电实验的研究较少，现有的测量装置在设计时并没有考虑防雨问题，因此有必要加以改进。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种具有防雨功能的高电位电流采集系统，为淋雨状态下空气间隙放电的研究创造有利条件。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种具有防雨功能的高电位电流采集系统，构成中包括数据采集箱、数据接收装置和触发装置，所述数据采集箱包括屏蔽箱及安装在屏蔽箱内的数据采集盒和可调电阻，所述屏蔽箱接高压导线并通过绝缘子吊挂在横担上，所述可调电阻的一端通过罩在其外部的电阻屏蔽罩与屏蔽箱电连接，另一端通过外部设有绝缘层的导电铜条与屏蔽箱下方的放电电极电连接，可调电阻的阻值控制线和电压测量电缆与数据采集盒连接，所述数据采集盒通过光纤与数据接收装置和触发装置交换信息。
上述具有防雨功能的高电位电流采集系统，所述导电铜条位于屏蔽箱以外的部分设有防雨罩。
上述具有防雨功能的高电位电流采集系统，所述可调电阻包括安装在pcb电路板上的多个采样电阻和与每个采样电阻相对应的电控开关和tvs稳压管，多个采样电阻串联连接后接于电阻屏蔽罩与导电铜条之间并通过电压测量电缆与数据采集盒连接，每个电控开关的常开触点和每个tvs稳压管并接在对应的采样电阻上，电控开关的开关控制器通过阻值控制线与数据采集盒连接，在pcb电路板上还设有放电管，所述放电管接于电阻屏蔽罩与导电铜条之间。
上述具有防雨功能的高电位电流采集系统，所述屏蔽箱的内部由金属隔板分为上、中、下三个腔，所述数据采集盒固定在上腔内，所述可调电阻及其外部的电阻屏蔽罩位于中腔内，外部设有绝缘层的导电铜条穿过屏蔽箱的内凹底板和下隔板的中心孔与放电电极和可调电阻连接。
上述具有防雨功能的高电位电流采集系统，所述屏蔽箱的侧壁为圆筒状并沿其竖直轴线分为三段，相邻的两段之间通过下段上端的外螺纹和上段下端的内螺纹连接，屏蔽箱的下端周围涂有憎水材料。
上述具有防雨功能的高电位电流采集系统，所述触发装置包括触发源和光电转换装置，所述触发源产生的触发信号由光电转换装置转换成光信号后通过光纤送到数据采集盒。
上述具有防雨功能的高电位电流采集系统，所述光纤靠近数据接收装置和光电转换装置的部位用防雨杆塔挂高。
上述具有防雨功能的高电位电流采集系统，构成中还包括太阳能电池板，所述太阳能电池板固定在横担上并通过充电线给数据采集盒内的蓄电池充电，所述充电线固定在太阳能电池板上的遥控伸缩臂上。
上述具有防雨功能的高电位电流采集系统，所述触发源包括电容分压器、衰变电路和电压比较器，所述电容分压器的一端接地，另一端接冲击电压发生器，电容分压器输出的电压信号经衰变电路处理后送入电压比较器的同相输入端，所述电压比较器的反相输入端接参考电压，输出端接光电转换装置的输入端。
上述具有防雨功能的高电位电流采集系统，所述触发源包括光探头、光电倍增管和电压比较器，所述光探头接收高压放电产生的光信号，所述光电倍增管的光信号输入端接光探头，电流信号输出端经信号转换电阻接地，信号转换电阻输出的电压信号接电压比较器的同相输入端，所述电压比较器的反相输入端接参考电压，输出端接光电转换装置的输入端。
上述具有防雨功能的高电位电流采集系统，所述触发源包括磁感应线圈和电压比较器，所述磁感应线圈置于放电电极的下方，磁感应线圈输出的电压信号接电压比较器的输入端，所述电压比较器的输出端接光电转换装置的输入端。
本发明将高压侧的数据采集部分放置在金属屏蔽箱内，并通过光纤实现高低压侧的信息传输，不仅可以屏蔽各种电磁干扰，保证高低压侧之间的电气绝缘，而且适于在淋雨条件下使用，为淋雨状态下空气间隙放电的研究创造有利条件。此外，本发明还具有结构简单、体积小、测量带宽大、测量精度高、适用范围广等优点，可以应用于各种高压试验的场合。
附图说明
图1是高电位电流测量装置的总体结构示意图；
图2是数据采集箱结构原理图；
图3是可调电阻结构原理图；
图4是电压比较器式触发源示意图；
图5是光信号触发式触发源示意图；
图6是磁感应触发式触发源示意图；
图7是充电系统充电状态示意图；
图8是实验过程中充电系统状态示意图。
图中各标号清单为：1、太阳能电池板，2、横担，3、绝缘子，4、数据采集箱，5、光纤，5-1、数据光纤，5-2、触发光纤，6、数据接收装置，7、光电转换装置，8、防雨杆塔，9、触发源，10、放电电极，11、防雨罩，12、高压导线，13、屏蔽箱，14、数据采集盒，15、电压测量电缆，16、导电铜条，17、绝缘层，18、可调电阻，19、电阻屏蔽罩，20、阻值控制线，21、放电管，22、tvs稳压管，23、电控开关，24、采样电阻，25、pcb电路板，26、开关控制器，27、电容分压器，28、衰变电路，29、电压比较器，30、伸缩臂，31、充电线，32、光电倍增管，33、光探头，34、磁感应线圈，r0、信号转换电阻，r+、同相输入电阻，r-、反相输入电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
本发明提供了一种可以在淋雨条件下使用的高电位电流采集系统，该系统可以在高电压、强干扰的电磁条件和淋雨实验条件下使用。本发明中，采样电阻将放电通道的电流信号转化为电压信号，数据采集箱中的数据采集卡采集的电压数据转换为光信号后通过光纤向外输出。在低压侧，数据接收装置中的光电转换模块接收端收到光信号，将其转换为电信号后传输至计算机。使用触发电路产生的触发信号触发数据采集卡工作。可以针对不同的实验条件和测量电流特征，选用不同的触发方式。触发信号经过光电转换装置进行转换和传输，接入数据采集卡的外触发输入接口。整套系统的高压端和低压端之间只由光纤相连，既减小了数据在传输过程中的衰减，也为高压端和低压端之间提供了良好的电气绝缘。本发明使用的采样电阻为精密分流器和高频无感电阻，采样电阻固定在pcb电路板上，通过逻辑电路可以很方便地在低压侧根据需要改变采样电阻值。高压侧数据采集部分放置在金属屏蔽腔内，通过特定的结构设计，不仅大大减小了杂散电容，也保证了腔体在淋雨条件下不会因进水而损坏内部设备。本发明结构简单、体积小、测量带宽大、测量精度高、抗干扰能力强、适用范围广，可以应用于各种高压试验的场合。
高电位电流采集系统的整体结构
参看图1，高电位电流采集系统由高压侧的数据采集箱4与低压侧的数据接收装置6、触发装置以及连接高压侧与低压侧的光纤5(包括数据光纤5-1和触发光纤5-2)构成。
高压侧的数据采集箱4通过绝缘子3悬挂在横担2上，由高压导线12接入试验高压，下方伸出导电铜条16连接放电电极10。数据采集箱4外表面涂有憎水材料，下方的导电铜条16套有防雨罩，避免雨水影响导电铜条16和屏蔽箱之间的绝缘。数据接收装置6和触发装置位于低压端的地面。高压侧与低压侧之间通过光纤5连接，光纤5在穿过淋雨区域后用防雨杆塔8挂高，避免雨水顺着光纤5流向低压侧，危及设备、人身安全。使用光纤传输数据既可以避免受到强电磁场的干扰，也提供了充分的电气绝缘。低压侧部分主要有数据接收装置6和触发装置。数据接收装置6用于接收、转换和处理测量数据。触发源位于放电电极10附近，根据不同的实验条件可以选择不同的类型，当满足设置的条件后产生触发信号。触发装置中的光电转换装置7则用来对触发信号进行光电转换，从而可以使用光纤进行传输。太阳能电池板1固定在横担2上方，当实验结束后由操作人员连接数据采集箱4内的蓄电池进行充电。
高电位电流采集系统的工作原理
将整套系统按上图1安装好后，给低压端的光电转换装置通上电，根据试验条件调整好采样电阻值，选择合适的触发方式并设置触发条件。完成准备工作后开始加压试验。
在试验过程中，高压侧的采样电阻将流过电路的电流信号转换为电压信号。当满足触发条件后，触发装置动作，产生高电平信号。该高电平信号在低压侧由同轴电缆传输至光电转换装置7，转换为光信号，然后由光纤传输至高压侧的数据采集箱4。数据采集箱4内接收端的光电转换模块将光信号转换回电信号，由d-sub9针外触发接口输入至数据采集卡。接收到触发信号后，数据采集卡开始测量采样电阻两端电压，并将其转换为usb信号输出。usb信号经过转换接头转换为rj45端口信号，再通过光电转换模块后成为光信号，经光纤传输至低压侧。低压侧数据接收装置6的光电转换模块将收到的光信号转换为电信号，接入电脑的rj45端口。操作人员通过基于labview设计的控制软件可以对数据进行记录和快速处理。
数据采集箱4的结构和原理
整个采集系统的核心为高压侧的数据采集箱4，数据采集箱4接入放电电路，就地完成数据的采集和转换，具体结构如图2所示。
图2显示，所有数据采集部件置于一个圆筒状的铝制屏蔽箱13中，屏蔽箱13上方焊接有用于悬挂的吊环，并连接高压导线12。考虑到装置需要应用在在淋雨条件下，屏蔽箱13采用全封闭设计，只在下方留有出线口，出线口使用内凹设计，避免雨水渗入采集箱。屏蔽箱13外侧的边沿部分均进行了倒圆角处理，避免在测量过程中箱体发生放电。屏蔽箱13分为多层，不同层间使用内螺纹连接。高压侧的精密电子设备大部分位于数据采集盒14内，为了避免这些设备受潮损坏，在采集盒内部使用了干燥剂。
屏蔽箱13内部分为三层，由金属隔板分开，最上层安装数据采集盒14，数据采集盒14中设有数据采集卡、供电电源和光电转换模块。这些装置放在有机玻璃套内，粘接在分为三层的长方体形数据采集盒14上，引出一根同轴电缆和一根阻值控制线，经隔板上的开孔接入下方部分。本发明使用的数据采集卡为荷兰tiepie公司的handyscopehs5虚拟示波器，该数据采集卡拥有14位分辨率(16位增强分辨率)，最高可达500ms/s的采样速度，250mhz带宽，单通道32msamples的内存，0.25％的直流垂直精度，1ppm时基准确度。光电转换模块采用百兆单模光纤收发器和视频光端机，数据传输速率超过100mb/s，输出光信号波长为1310nm和1550nm。供电电源为usb移动电源，输出电压5v，输出电流可达2a，单个电源容量为20000mah以上。
屏蔽箱13的第二层安装可调电阻18和电阻屏蔽罩19。本发明使用的精密分流器容易受到外界的干扰，需要进行电磁屏蔽，电阻屏蔽罩19通过螺丝连接至金属隔板，和外壳导通。可调电阻18放在电阻屏蔽罩19内，可调电阻18主要由安装在硬质pcb电路板25上的多个采样电阻24(精密分流器)、电控开关23和开关控制器26组成，可以实现远程控制电阻开断，从而改变采样电阻值。pcb电路板25的两端开有菱形孔，上端用铜条固定连接至电阻屏蔽罩19上，另一端固定连接放电电极10的导电铜条16，导电铜条16经隔板上的开孔向下伸出。
屏蔽箱13内的第三层为内凹的防雨绝缘层。雨水会在物体的最低点聚集，使用内凹的底部外形设计可以避免雨水渗入，导电铜条16外部绝缘层17由纵截面为“丁”字形的硬绝缘棒制成，中心开有圆孔，供导电铜条16通过，上端通过螺丝固定在屏蔽箱13底部，下端穿出至屏蔽箱13最低点以下，绝缘棒具有良好的机械强度，可以用来悬挂放电电极10。
高电位电流采集系统的防雨设计
本高电位电流采集系统可以在淋雨实验条件下正常使用，为了避免设备的损坏，系统采用了多种防雨设计，主要有以下几点：
首先，高电位侧的数据采集箱4最有可能进入淋雨范围内，需要重点进行防范。数据采集箱4外部为金属材料的屏蔽箱13，整个屏蔽箱13为全封闭设计，在下方留有出线口，用于引出接线，连接放电电极10，出线口使用内凹设计，位于屏蔽箱13体内部，同时在靠近底面的箱体部分，喷涂高5cm、厚度为1mm的憎水材料层，可以避免顺着箱体流下的雨水在底部聚集，渗入采集箱。屏蔽箱13一共有三层，层间使用内螺纹连接，均采取下层箱体插入上层箱体的设计，杜绝雨水渗入，具有很好的防雨性能。在屏蔽箱13的内部，精密测量仪器大多位于数据采集盒14内。数据采集盒14是抽屉状的有机玻璃盒，采集设备放置在有机玻璃套内，粘接到玻璃盒上。为了避免精密仪器受潮损坏，数据采集盒14外部用塑料套包裹住，并在每一层放置了干燥剂。
其次，本系统高电位侧和低电位侧间的绝缘由光纤来完成，但是在淋雨条件下，由于高压侧位于较高的位置，雨水会顺着光纤流向低压侧，从而导致绝缘强度的下降，可能导致低压侧的设备和人身安全受到损害。为了避免这种情况的出现，一方面，我们在光纤的表面增加了一毫米厚的憎水材料喷层，避免雨水附着在光纤的表面，沿着光纤向下流动。另一方面，我们在光纤抵达低压侧前，让其通过一个防雨杆塔8，在中间位置挂高，防雨杆塔8位于淋雨区域外。这样就使得附着在光纤表面的雨水无法由高压侧一直流到低压侧引发绝缘事故。
采样电路的结构和原理
本发明可应用在不同的高压放电试验中，实验电路中流过的放电电流由几十安到数十千安不等，因此使用的采样电阻值的选值范围很大，根据需要可以在几毫欧到几十欧姆之间变化。为了适应这样的要求，本发明使用pcb电路板25作为固定电阻的载体，具有方便拆卸、耐高温等优点。使用的电阻确定后，也可以通过控制电控开关23的开断，方便地调节采样电阻值。
如图3所示，采样电阻24，电控开关23，tvs稳压管22，开关控制器26固定在定制的pcb电路板25上，采样电阻24的阻值由1.5毫欧至500欧姆不等，可以根据需要装卸。采样电阻24呈直线排列，每个采样电阻24两端并联一个tvs进行保护。所有的采样电阻24首尾串联后接至放电管21两端的接线端子。电压测量电缆15(同轴电缆)从这两个端子获得电压信号后输入数据采集卡。本发明使用继电器作为电控开关23控制采样电阻24的连接，电控开关23并联在每个采样电阻24的两端，由开关控制器26统一控制。控制信号从低压侧发出，经光电转换，输入开关控制器26电路。开关控制器26根据输入的信号，控制相应的电控开关23开断，调节接入电路的电阻值。
触发装置的结构与原理
图4是电压比较器式触发源示意图，这种触发方式是指将由电容分压器27获得的输入电压信号输入电压比较器的同相输入端，当输入电压高于参考电压时，电压比较器输出高电平，高电平信号经过转换和传输，接入数据采集卡外触发输入接口，触发采集卡开始测量。
图5和图6是光信号触发和磁感应触发式触发源的示意图。光信号触发方式是当进行光学现象明显的实验时，可以在发光位置附近放置光探头33，采集到的光信号经光电倍增管32转变为电流信号，再经信号转换电阻r0转变为电压信号，输入电压比较器的同相输入端，当此电压高于反相输入端设置的参考电压值时，电压比较器输出约等于+vcc的高电平。此高电平信号由光电转换装置7转换为光信号，经光纤传递至高压侧数据采集盒14内，由高压侧的光电转换模块重新转换回电信号，再接入数据采集卡的外触发输入端口，对采集卡进行触发。磁感应触发方式是指将磁感应线圈34置于放电电极下方附近，将磁感应线圈34两端压降输入电压比较器，经过相同的电压比较和信号转换、传输后触发信号采集卡工作。
本系统可以适用于与多种多样的高压放电实验，为了在不同的实验条件下实现精确触发，装置的触发系统包括多种触发方式。在使用时可以根据实验条件和测量要求进行选择，使用冲击电压进行实验时，加压波形具有明显的上升沿，适合使用电压比较器触发方式；而当进行直流加压实验时，电压比较器触发方式就不再适用了，这时就可以选择磁感应触发方式，利用实验过程中的电磁反应进行触发；当进行光学现象明显的实验时，可以在发光位置附近放置光探头33，使用采集到的光信号进行触发。
高电位电流采集系统的充电系统
高电位电流采集系统的体积较为庞大，在充电时，如果要将其从高压侧拆卸、搬运到低压侧，显得十分困难。因此，基于户外实验的条件，本发明设计了一种可在高电位就地进行充电的系统，具体结构如图7和图8所示。
图中显示，充电系统由太阳能电池板1、可遥控的伸缩臂30和固定在伸缩臂30上的充电线31组成。太阳能电池板1固定在横担2上方，用来收集和转换太阳能，太阳能电池板1的输出口经过电压转换器后连接到充电线31，充电线31为耐折叠的软质usb线，固定在伸缩臂30上，可以随伸缩臂30折叠收起。伸缩臂30可以远程控制，进行放电实验时，将伸缩臂30收起，避免影响绝缘性能，要充电时控制伸缩臂30伸展，将充电线31下放至采集箱顶附近，由操作人员连接至数据采集箱内的蓄电池，就地进行充电。