高压导线表面电场强度的测量电路及测量装置的制作方法

本实用新型涉及输电技术领域，特别是涉及一种高压导线表面电场强度的测量电路及测量装置。

背景技术：

随着输电技术的不断发展，电力系统的电压等级不断升高，在不断增大输电容量的同时，给实时监测电力系统中输电线路的运行状态增加了难度。同时，随着输电技术的不断发展，电网的规模也不断扩大，由于我国幅员辽阔，地形多变，电网纵横交错，覆盖范围广大，输电线路在不同地区间运行时会受到不同的地理环境和气候的影响，所以输电线路在运行时存在着诸多隐患。因此，如何实现在电力系统中实时监测输电线路的运行状态至关重要。

目前，在电力系统中，实时监测输电线路运行状态的方式主要是对输电线路进行电压测量。电压质量也一直作为衡量电力系统稳定性的重要指标之一。通过对输电线路的电压信号进行实时测量可以得到最为真实、准确的输电线路实时运行状态数据。然而，目前测量输电线路的电压信号的设备存在体型大、造价昂贵、维护与检修费用高、测量不灵活、绝缘要求高等问题，并且，在监测输电线路实时状态时仍不成熟，存在诸多需要克服的技术壁垒，例如，不能够测量雷击时的过电压。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种如何得到高压导线表面电场强度的测量电路及测量装置，获得的高压导线表面电场强度用于检测电线路运行状态。

本实用新型一实施例提供一种高压导线表面电场强度的测量电路，其包括：电阻R、交流电源AC、对地电容C和示波器，其中：

所述电阻R的一端连接所述对地电容C，所述电阻R的另一端连接所述交流电源AC；

所述示波器与所述电阻R并联；

所述交流电源AC接地；

所述对地电容C为高压导线对地形成的对地电容。

在其中一个实施例中，所述测量方法还包括显示器，所述显示器与所述示波器连接。

在其中一个实施例中，所述电阻R为可调电阻。

在其中一个实施例中所述电阻R为两个串联的电阻或三个串联的电阻。

本实用新型另一实施例提供一种高压导线表面电场强度测量装置，其包括如上述任一实施例中所述高压导线表面电场强度的测量电路。

在其中一个实施例中，所述测量装置还包括壳体，所述壳体上设置有一开关，一显示屏、一散热孔。

在其中一个实施例中，所述壳体内还包括充电电池。

在其中一个实施例中，所述壳体上设置有多个散热孔。

在其中一个实施例中，所述散热孔上设置有防尘网。

在其中一个实施例中，所述测量装置还包括光纤接口，用于连接光纤。

上述高压导线表面电场强度的测量电路包括：电阻R、交流电源AC、对地电容C、示波器，其中：所述电阻R的一端连接所述对地电容C，所述电阻R的另一端连接所述交流电源AC；所述示波器与所述电阻R并联；所述交流电源AC接地；所述对地电容C为高压导线对地形成的对地电容。上述高压导线表面电场强度测量装置包括上述测量电路。利用上述测量电路及测量装置，实现了通过交流电高压导线表面的电场强度来检测交流电高压导线线路运行状态的目的，为检测交流电高压导线线路运行状态提供了一种更加简单易行的方法。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的高压导线表面电场强度的测量电路图；

图2本实用新型另一实施例的高压导线表面电场强度的测量电路图；

图3为本实用新型一实施例的高压导线表面电场强度测量方法的流程图；

图4为本实用新型一实施例的高压导线表面电场强度的测量模型示意图；

图5为本实用新型一实施例的高压导线表面电场强度的测量装置的模块结构示意图；

图6为本实用新型另一实施例的高压导线表面电场强度的测量装置的模块结构示意图；

图7为图6中获取模块的模块结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

下面结合附图描述根据本实用新型实施例的高压导线表面电场强度的测量电路及测量装置。其中，所述高压导线表面电场强度的测量电路及测量装置应用于高压输电线路。

如图1所示，一种高压导线表面电场强度的测量电路，包括：电阻R、交流电源AC、对地电容C、示波器100，其中：所述电阻R的一端连接所述对地电容C，所述电阻R的另一端连接所述交流电源AC；所述示波器与所述电阻R并联；所述交流电源AC接地；所述对地电容C为贴附于高压导线上的探测片内的金属薄膜层对地形成的对地电容，所述金属薄膜层与所述高压导线表面贴合的侧面设置有绝缘层，等效于高压导线对地形成的对地电容，所述电阻R为采样电阻。

在本实施例中，例如，所述测量电路还包括显示器，所述显示器与所述示波器连接。又如，所述电阻R为可调电阻。又如，所述电阻R为两个串联的电阻或三个串联的电阻。

在另一实施例中，如图2所示，该测量电路包括电阻R、交流电源AC、对地电容C、示波器200及显示器210，电阻R的一端连接对地电容C，电阻R的另一端连接交流电源AC，示波器200与电阻R并联，显示器210与示波器160连接，其中，交流电源AC接地，对地电容C为贴附于高压导线上的所述探测片内金属薄膜层对地形成的对地电容，等效于高压导线对地形成的对地电容，所述电阻R为采样电阻。

在另一实施例中，测量电路包括电阻、电压表、交流电源、对地电容，串联所述电阻的外接导线的一端与所述对地电容电连接，所述外接导线的另一端与高压导线电连接，所述高压导线与所述交流电源电连接，所述电压表与所述电阻并联，其中，所述交流电源接地，所述对地电容为金属薄膜层与所述高压导线绝缘后贴附于所述高压导线表面对地形成的对地电容，等效于所述高压导线对地形成的对地电容，所述电阻为采样电阻。为了更加方便的读取所述电压表显示的数值，例如，所述电压表通过导线与一显示器相连。

考虑到在实地测量时，需要获取多组高压导线表面的电场强度值，例如，所述电阻R为可调电阻，这样在实地测量时，能够获取多组高压导线表面的电场强度值。又如，所述电阻R至少包括一个电阻，也能够为两个串联的电阻或者三个串联的电阻，在满足工作人员在不同的外部环境中，方便的获取所述探测片上产生的感应电流的前提下，能够灵活调整串联的电阻的数量。这样，能够满足工作人员不同的外部环境中对电阻的要求。

考虑到高压导线中电流的不稳定性及高压导线所处的高电压、高电压冲击、高压高频等外部环境，例如，所述电阻R为管形陶瓷无感高压电阻，短时间可耐受更大的电流、更高峰值能量，不会出现线绕电阻和模压电阻的失效现象；又如，所述电阻R为高压金属陶瓷阻尼电阻，所述金属陶瓷高压阻尼电阻器具有优越的耐高压高电流突波特性，及比绕线型及薄膜型的电阻器更具安定性.适合用高压电路设计，又如，所受电阻R为棒状高压玻璃釉膜电阻或电阻片状高压玻璃釉膜电阻，用于交直流或脉冲电路中。这样，所述电阻R能够适应高压导线中电流的不稳定性及高压导线所处的高电压、高电压冲击、高压高频等外部环境。

上述测量高压导线表面电场强度的测量电路，能够获得交流电高压导线表面电场强度，实现了通过交流电高压导线表面电场强度来检测交流电高压导线线路运行状态的目的，为检测交流电高压导线线路运行状态提供了一种更加简单易行的方法。

利用上述测量电路获取高压导线表面电场强度的测量方法包括以下步骤：将探测片贴设于高压导线的表面上，根据采样电阻的电阻值以及所述采样电阻两端的电压，得到所述探测片的感应电流，其中所述采样电阻、所述探测片、所述高压导线与外接交流电源形成回路；根据所述探测片的感应电流，计算得到高压导线表面的电场强度。

如图3所示，该高压导线表面电场强度的测量方法包括以下步骤：

S110，将探测片贴设于高压导线的表面上，根据采样电阻的电阻值以及所述采样电阻两端的电压，得到所述探测片的感应电流，其中所述采样电阻、所述探测片、所述高压导线与外接交流电源形成回路。

高压输电导线上传输工频电流，也存在谐波电流，在超/特高压输电导线上存在电晕电流，有载波通信和高频保护的输电导线上传输载波电流。运行的高压输电导线会在导线上产生电荷，载有电荷的导线即会在周围空间激发电场。从而，通过实时获取所述高压输电导线表面的电场强度，能够实时反映高压输电导线上电流的变化，进而，实现在电力系统中实时监测输电线路的运行状态的目的。

为了能够获取所述高压输电导线周围空间产生的电场的电场强度，在本实施例中，将探测片贴设于高压导线的表面上，根据采样电阻的电阻值以及所述采样电阻两端的电压，得到所述探测片的感应电流，其中所述采样电阻、所述探测片、所述高压导线与外接交流电源形成回路。所述探测片内设置有金属薄膜层，所述金属薄膜层与所述高压导线表面贴合的侧面设置有绝缘层。

具体地，在本实施例中，将探测片贴设于所述高压导线上，串联一采样电阻的外接导线的一端与探测片的金属薄膜层电连接，所述外接导线的另一端与高压导线电连接，所述高压导线与发电站的交流电源电连接，交流电源的另一端接地，由于所述金属薄膜层与大地形成一个对地电容，等效于高压导线与大地形成一个对地电容，大地是连通的，所述探测片、所述采样电阻、所述交流电源及接地端子形成一个闭合回路，其中，所述采样电阻的两端并联一示波器。

例如，请参阅图4，采样电阻300的一端连接探测片310，采样电阻300的另一端连接高压导线320，高压导线320与交流电源330的一端连接，交流电源330的另一端接地，示波器340与采样电阻300并联，其中，矩形板体350表示地面。探测片310包括金属薄膜层及绝缘层(图未示)，所述绝缘层设置于所述金属薄膜层与所述高压导线表面贴合的侧面，采样电阻300与探测片310内的金属薄膜层连接。所述金属薄膜层与大地形成一个对地电容，等效于高压导线与大地形成一个对地电容，大地是连通的，所述探测片、所述采样电阻、所述交流电源及接地端子形成一个闭合回路。

在本实施例中，将所述探测片内的所述金属薄膜层与所述高压输电导线绝缘后，将所述金属薄膜层放进所述高压输电导线周围空间产生的所述感生电场内，也就是将所述探测片贴设于所述高压导线上，能够为后续步骤获知所述高压输电导线表面的电场强度提供前期的准备。

这样，当探测片与所述外接导线电连接时，所述探测片内所述金属薄膜层表面所积聚的电荷就能够通过所述外接导线导出，所述金属薄膜层表面积聚的所述电荷经所述外接导线导出的过程即为所述电荷定向移动产生电流的过程，产生的电流为传导电流。此时，所述采样电阻的电阻值已知，通过所述示波器获取电压信号，根据欧姆定律，便可获得所述传导电流的电流值，也就是所述探测片上产生的感应电流的电流值。

为了提高所述探测片的探测性能，又能够很好地保护所述探测片，例如，所述金属薄膜层为铝薄膜、金薄膜、银薄膜、金银合金薄膜、金铝合金薄膜或者银铝合金薄膜中的任意一种。所述金属薄膜层靠近所述高压导线的一面设置有绝缘层，例如，所述绝缘层为聚酰亚胺薄膜、聚氨酯薄膜、聚苯乙烯薄膜、聚四氟乙烯薄膜中的任意一种。这样，能够提高所述探测片的探测性能，又能够很好地保护所述探测片。

为了使得工作人员遇到不同的测量环境及测量对象，能够方便的获取所述探测片上产生的感应电流，例如，所述高压导线能够为特高压导线、超高压导线、带毛刺高压导线、GIS内部高压导线中的任意一种。又如，所述采样电阻为可调电阻，又如，所述采样电阻至少包括一个电阻，也能够为两个串联的电阻或者三个串联的电阻，在满足工作人员遇到不同的测量环境及测量对象，方便的获取所述探测片上产生的感应电流的前提下，能够灵活调整串联的电阻的数量。这样，能够满足工作人员遇到不同的测量环境及测量对象，方便的获取所述探测片上产生的感应电流。

S120，根据所述感应电流，计算高压导线表面的电场强度。

在本实施例中，当探测片与所述外接导线电连接时，所述探测片内所述金属薄膜层所积聚的电荷就能够通过所述外接导线导出，产生的电流为传导电流。此时，所述采样电阻的电阻值已知，通过所述示波器获取电压信号，根据欧姆定律，便可获得传导电流的电流值，也就是所述探测片上产生的感应电流的电流值。由于要探讨所述高压导线表面电场强度，所述探测片内的所述金属薄膜层通过绝缘层贴设于所述高压导线上。由于所述绝缘层的阻隔，所述金属薄膜层不与所述高压导线直接接触，所述高压导线上的传导电流只能通过导线传导到所述探测片内的所述金属薄膜层上，所述金属薄膜层又由于位移电流的作用在电场中积聚电荷。

需要说明的是，M.法拉第提出的电磁感应定律表明，磁场的变化要产生电场，它可以推动电流在闭合导体回路中流动，即其环路积分可以不为零，成为感应电动势。继M.法拉第电磁感应定律之后，J.C.麦克斯韦提出了位移电流概念。电位移来源于电介质中的带电粒子在电场中受到电场力的作用。这些带电粒子虽然不能自由流动，但要发生原子尺度上的微小位移。并且认为，电位移随时间变化也要产生磁场，因而称一面积上电通量的时间变化率为位移电流，而电位移矢量D的时间导数(即дD/дt)为位移电流密度。它在安培环路定律中，除传导电流之外补充了位移电流的作用，从而总结出完整的电磁方程组，即著名的麦克斯韦方程组，描述了电磁场的分布变化规律。

在本实施例中，所述高压导线为GIS内部高压导线。根据麦克斯韦(Maxwell)方程中微分形式安培全电流定律，利用步骤S110中获取的感应电流，计算高压导线表面的电场强度。

麦克斯韦(Maxwell)方程中微分形式安培全电流定律如下所述：

GIS内部(同轴结构)的电流包括两部分。一是在高压导线内部的传导电流，另一个是在高压导线和外壳之间的位移电流。这两项分别是公式(1)右端第一项(传导电流密度)和第二项(位移电流密度)。方程(1)中为磁场强度，单位为A/m；(c：conduction)为导体的传导电流体密度，单位为A/m²；为绝缘介质内部的位移电流体密度，单位为A/m²；为电位移矢量，单位为C/m²。微分全电流定律还反应了电流连续性的性质，即

其中

为位移电流体密度(d：displacement)。在方程(2)中传导电流密度又可以分为两部分，一部分传导电流与位移电流之间满足连续性关系，另一部传导电流本身满足连续性，该电流为负载电流。总传导电流可表示为，

其中(cd：conduction/displacement)是与位移电流密度之间满足连续性关系的传导电流，(cc：conduction/conduction)是为负载提供的传导电流分量。和满足下列关系

在没有负载，即GIS母线空载状态下，电流连续性方程为方程(5)，在有负载的情况下电流连续方程包括方程(5)和方程(6)。

方程(5)表明传导电流密度分量和位移电流密度在高压导线表面是连续的。方程(5)也可以表示为

其中i为导体中流过的传导电流，单位为A，对应于传导电流的面积分；为电场强度，单位V/m，ε₀为真空介电常数，单位为F/m；而方程(7)右端电流对应于位移电流的面积分，即电容电流。

通过测量所述采样电阻的电压即可获得流过采样电阻的传导电流，所述采样电阻的电阻值已知，通过所述示波器获取电压信号，根据欧姆定律，便可获得传导电流的电流值，即方程(5)中括号里第一项对应的电流，也是方程(7)左边的电流，同时，方程7中的所述探测片中所述金属薄膜层与大地形成一个对地电容的电容C通过测量能够获知，等效于高压导线与大地形成一个对地电容的电容C能够获知，这样根据方程7，通过积分即可获得高压导线的对地电压，根据预设的计算公式，获得所述高压导线表面的电场强度值。

需要注意的是：棒-板电极的棒形电极和平板电极在形状上并不对称，在进行基于金属表面电场强度的电压测量时需要考虑棒形电极的端部效应。

本实用新型还公开了一种测量高压导线表面电场强度的测量装置，如图5所示，该测量装置400包括测量高压导线表面电场强度的测量电路410，其中，测量电路410的具体实施方式如上述任一实施例描述的高压导线表面电场强度的测量电路所示，例如采用上述任一实施例的高压导线表面电场强度的测量电路实现。

在本实施例中，例如，所述测量装置还包括壳体，所述壳体上设置有一开关，一显示屏、一散热孔，所述显示屏方便工作人员读取预设信息，方便工作人员监控所述测量装置的运行情况，所述散热孔能够将测量装置工作时产生的热量及时散出。又如，所述壳体内还包括充电电池。又如，所述测量装置还包括光纤接口，用来连接光纤。又如，所述壳体上设置有多个散热孔。又如，所述散热孔上设置有防尘网，放置灰尘及沙砾通过所述散热孔进入所述壳体内。

上述测量高压导线表面电场强度的测量装置，通过所述测量电路，获得交流电高压导线表面电场强度，并能够将所述交流电高压导线表面电场强度传输到变电所，从而实现了通过交流电高压导线表面电场强度来检测交流电高压导线线路运行状态的目的，为检测交流电高压导线线路运行状态提供了一种更加简单易行的方法。

在另一实施方式中，如图6及图7所示，测量装置500包括获取模块510及计算模块520，所述计算模块与所述获取模块通过导线连接。

获取模块510包括测量高压导线表面电场强度的测量电路511，其中，测量电路511的具体实施方式如上述任一实施例描述的高压导线表面电场强度的测量电路所示，例如采用上述任一实施例的高压导线表面电场强度的测量电路实现。其中，所述获取模块还包括一电压电流转换器512，用于将所述测量电路测得电压信号转换为电流信号，所述电流值为感应电流值。所述获取模块用于根据采样电阻的电阻值以及所述采样电阻两端的电压，得到探测片的感应电流，其中所述探测片贴设于高压导线的表面上，所述采样电阻、所述探测片、所述高压导线与外接交流电源形成回路。

计算模块520，用于根据所述感应电流，计算所述高压导线表面电场强度

在本实施例中，测量装置500还包括传输模块530，用于将计算得到的所述高压导线表面电场强度传输到变电所。

在本实施例中，所述探测片内设置有金属薄膜层，所述金属薄膜层与所述高压导线表面贴合的侧面设置有绝缘层。例如，所述金属薄膜层为金属薄膜层，所述金属薄膜层贴设于所述高压导线上。所述金属薄膜层靠近所述高压导线的一面设置有绝缘层。又如，所述金属薄膜层为铝薄膜、金薄膜、银薄膜、金银合金薄膜、金铝合金薄膜或者银铝合金薄膜中的任意一种。又如所述金属薄膜层的形状为圆形体状结构或者矩形体状结构中的任意一种，又如，所述绝缘层为聚酰亚胺薄膜、聚氨酯薄膜、聚苯乙烯薄膜、聚四氟乙烯薄膜中的任意一种。又如，所述探测片的形状为圆形，方便贴设于所述高压导线上，又如所述探测片的形状为带状，环绕贴设于所述高压导线上。

在本实施例中，所述获取模块还包括壳体，所述壳体上还设置有一开关，一显示屏、一散热孔，所述壳体内还设置有充电电池。

在本实施例中，所述高压导线表面电场强度测量装置能够测量的所述高压导线包括特高压导线、超高压导线、带毛刺高压导线、GIS内部高压导线中的任意一种。

在本实施例中，所述计算模块至少包括数据接收组件、数据处理组件及数据传出组件，具体用于根据所述探测片的感应电流，利用麦克斯韦方程计算所述高压导线表面电场强度。

在本实施例中，所述传输模块至少包括数据接收端口，数据传输线及数据送达端口，所述数据传输线为光纤。

上述测量高压导线表面电场强度的测量装置，通过获取模块、计算模块及传输模块，能够获得交流电高压导线表面电场强度，并将所述交流电高压导线表面电场强度传输到变电所，从而实现了通过交流电高压导线表面电场强度来检测交流电高压导线线路运行状态的目的，为检测交流电高压导线线路运行状态提供了一种更加简单易行新方法。

应该说明的是，上述装置实施例中，所包括的各个模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本实用新型的保护范围。

需要说明的是，以上所述实施例中，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。