专利名称：高压直流输电线路绝缘子直流电场测量方法
技术领域：
本发明属于电力系统中高压输电线路绝缘子带电检测领域，特别是提供了一种高压直流输电线路绝缘子直流电场测量方法。
背景技术：
我国超高压直流输电系统作为西部大量水电的东送通道，其承载的功率非常大，通常会满负荷运行，一旦直流系统发生事故，将对电网产生了很大冲击。直流系统故障后，由于大量功率输送不出去，导致系统频率升高；大量功率的转移，使得部分线路特别是网省间联络线严重过负荷，对整个电网安全稳定运行造成很大冲击；直流系统故障频繁，特别是直流系统连续多次故障时有发生，严重威胁系统安全稳定运行。直流输电线路是直流输电系统的重要组成部分，因输电线路故障和检修导致整个直流输电系统退出运行的事例时有发生。
对于超高压直流输电线路，主要事故是绝缘子遭雷击时闪络和发生污秽闪络；主要维护工作是检测低零值绝缘子、劣质绝缘子和清除污秽。超高压直流输电线路动辄上千公里，绝缘子用量巨大，维护工作尤为费时费力。然而，目前直流输电方面的研究主要集中在电站设备上，而对用量最大、直接影响线路可靠性的线路绝缘子及其运行性能研究较少。我国已经发生了多起500kV交流复合绝缘子事故，而直流绝缘子的运行环境比交流绝缘子的运行环境更为恶劣，发生事故的概率更高。据资料报道和相关研究表明，相似的地理环境，在直流高压作用下绝缘子的金属端头腐蚀、污秽程度都比交流高电压作用时更为严重，绝缘子的损坏率也更高。
电场法是一种利用绝缘子周围电场分布曲线来判断缺陷、检测低零值绝缘子的高压输电线路绝缘子带电检测方法，其原理是缺陷畸变了绝缘子周围的电场分布，根据电场分布曲线是否畸变来判断低零值瓷质悬式绝缘子和有缺陷的复合绝缘子。基于该原理的绝缘子带电检测仪已在高压交流输电线路推广应用。但是，直流电场测量技术的难度远超过交流电场，要求测量仪器的输入阻抗无穷大，使得直接测量直流电场不太可能。测量超高压输电线路绝缘子周围的直流电场更加困难，不但要求测量仪器体积小，重量轻，而且要操作简便。目前用于绝缘子直流电场测量的方法主要有光电效应法，旋转电极静电感应法、球隙和分压器法四大类，其中后两类只能用于瓷质绝缘子和玻璃绝缘子。
光电效应法利用一些光电晶体的pockels效应、kerr效应、光波导、电致光吸收、压电弹光效应，通过测量受电场强度调制的光信号来获得电场强度信息。现实中受到光学晶体机械加工精度要求高，受温度、应力和自然双折射严重影响，电光晶体价格较贵，光探测元件要求十分灵敏精确等因素的制约。在直流电场测量中遇到的更大的困难在于，电场测量中要求电光晶体的电导率和介电常数尽量小，而介电常数小的晶体的电光系数往往也较小；晶体内部离子迁移和空间电荷在传感器上聚集后，原空间电场遭到改变；连接探头与光学仪器的光纤通常拥有塑料外皮，也能够束缚大量空间电荷，造成空间电场改变。因此这类测量方法未得到广泛应用。
旋转电极静电感应法利用一对相对旋转的叶轮形电极，将空间直流电场在电极上感应到的电荷信号调制成交流电流信号进行测量，降低了对放大器等后续处理电路的要求。若将该旋转电极放入直流电场中，并且使极板与电场方向垂直，则极板上聚集的电荷也按近似正弦规律变化。若将两极板通过电阻相连，则电阻上会有近似正弦电流流动，电阻两端也产生交流电压。显而易见，该交流电压的大小与直流电场的大小成正比。基于此类方法的测量仪器存在机械旋转机构或振动机构，较为复杂，体积庞大，不利于绝缘子周围极不均匀电场的准确测量。更重要的是，从高速旋转或振动的电极上引出信号较为困难，必须解决“动静结合”问题。所使用的电刷结构往往磨损，接触电阻变化不定，使得信号不够稳定。本人实测发现，超高压直流输电线路上存在大量的高次谐波，直流电场传感器输出的交流调制信号的频率常常处于谐波频率之间，难以提取。谐波电场也会被旋转电极调制，造成强大干扰。
球隙法和分压器法均是针对瓷质悬式绝缘子串中单片绝缘子上承担的电压而设计的。球隙法将两只金属小球分别放在待测绝缘子的钢帽和钢脚上，则绝缘子上承担的直流电压也施加在两球间的空气间隙上，球隙的击穿电压就是绝缘子上承担的电压。分压器法利用一系列串连电阻产生各种已知电位，将绝缘子串中待测电位用检流计连接在分压器的各个接头上，当检流计无电流时，待测电位与分压器该接头的电位一致。这两种方法只能用于实验室研究，不能用于实际线路上绝缘子直流电场分布的测量。并且因球隙击穿电压分散性较大、分压器及检流计引线影响电场分布而误差较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压直流输电线路绝缘子直流电场测量方法，实现了更加简便、实用、准确的高压直流输电线路绝缘子周围直流电场测量，不但可以实现直流绝缘子的带电检测问题，而且可以为直流绝缘子的设计和维护提供科学依据。
本发明采用积分电路，通过测量空间电场中两金属导体上静电感应电荷的电荷量来达到测量直流电场强度的目的，如附图1所示。
1、金属导体可以由两片相互平行的金属极板1和2组成；这两片极板分别连接到运算放大器3的正输入端和负输入端，并且利用运算放大器固有的“正负输入端电压为零”的特性，使金属极板1、2保持同一电位；2、运算放大器3与电容器4构成积分电路5，对来自极板1和2的电流I进行积分。将金属极板1、2、和积分电路5从空间直流电场小于1kv/m的地方开始，移动到绝缘子表面；在移动的过程中极板上的静电感应电荷Q随直流电场E的增强而增大，并在两金属极板之间形成电流I；电流I被积分电路5所积分，并使积分电路5输出电压U；则电压信号U与被测直流电场强度E成正比。通过标定可以求出U与E的比例系数。若将金属极板1、2和积分电路5沿绝缘子表面滑动，则随着金属极板所到之处空间直流电场E的变化，极板上静电感应电荷Q的大小随之变化，则有相应的电流I在两极板之间流动，则积分器输出电压U随之变化。积分器输出电压U可以利用普通的单片机电路采集并存储下来。最终U的变化规律就是E沿绝缘子的分布规律。
标定的具体方法是将积分电路从直流场强小于1kv/m的地方开始，移动到50kV/m的直流电场中；当积分电路处于50kV/m的直流电场中时，积分器输出电压U的数值U50对应于50kV/m，则U和E之间的比例关系为E＝U*(50/U50)kV/m。
本发明的优点在于所用装置简单，成本低廉，只需金属极板和积分器电路；操作简便，只需将装置移到绝缘子跟前并沿绝缘子滑动即可完成对整个直流电场分布的测量，且不存在上述各种方法的缺点，准确可靠。
图1为本发明直流电场测量方法原理图。其中，金属极板1、2、运算放大器3、电容器4、积分电路5。
图2为本发明的一种实施方式示意图。
附图3为本发明的实施方式中所测到的绝缘子直流电场分布曲线，位置序号为绝缘子伞裙号，从接地侧计起。
具体实施方法图1～3为本发明的一种实施方式。如图2所示，金属极板采用平行的长方形平板(尺寸为10cm×5cm)，积分电路由运算放大器AD620和1微法电容组成；积分电路及其后续负责记录的单片机电路放在长方形屏蔽盒内，金属极板放在屏蔽盒外部两侧并且与屏蔽盒绝缘；金属极板与绝缘子轴线垂直，可测量沿轴线方向的直流电场分量。附图3给出了该实施方法所测到的一只110kV等级复合绝缘子承担50kV直流电压时的轴向直流电场分布曲线，图中纵坐标为所测到的轴向直流电场强度，横坐标为绝缘子伞裙序号，从接地侧计起，直到高压端。可见，直流电场分布显现高压侧强、中间弱的“马鞍”形分布，符合理论分析。
权利要求
1.一种高压直流输电线路绝缘子直流电场测量方法，其特征在于采用积分电路，通过测量空间电场中两金属导体上静电感应电荷的电荷量测量直流电场强度；a、将由两片相互平行的金属极板(1、2)组成的金属导体；分别连接到运算放大器(3)的正输入端和负输入端，利用运算放大器固有的“正负输入端电压为零”的特性，使金属极板(1、2)保持同一电位；b、运算放大器(3)与电容器(4)构成积分电路(5)，对来自金属极板(1、2)的电流I进行积分；将金属极板(1、2)和积分电路(5)从直流电场小于1kv/m的地方移动到绝缘子表面；在移动的过程中极板上的静电感应电荷Q随直流电场E的增强而增大，在两金属极板之间形成电流I；电流I被积分电路(5)所积分，使积分电路(5)输出电压U；输出电压U与被测直流电场强度E成正比，通过标定求出U与E的比例系数。
2.按照权利要求1所属的测量方法，其特征在于标定的具体方法是将积分电路从直流场强小于1kv/m的地方开始，移动到50kV/m的直流电场中；当积分电路处于50kV/m的直流电场中时，积分器输出电压U的数值U50对应于50kV/m，比例关系为E＝U*(50/U50)kV/m。
全文摘要
高压直流输电线路绝缘子直流电场测量方法，属于电力系统中高压输电线路绝缘子带电检测领域。采用积分电路，通过测量空间电场中两金属导体上静电感应电荷的电荷量测量直流电场强度。本发明的优点在于所用装置简单，成本低廉，只需金属极板和积分器电路；操作简便，只需将装置移到绝缘子跟前并沿绝缘子滑动即可完成对整个直流电场分布的测量，且不存在上述各种方法的缺点，准确可靠。
文档编号G01R29/12GK1924593SQ200610089769
公开日2007年3月7日 申请日期2006年7月14日 优先权日2006年7月14日
发明者程养春, 李成榕, 唐志国, 王伟, 郑书生 申请人:华北电力大学