1 引言
特高压直流输电与传统交流输电技术相比,具有线路输电能力强、损耗小、两侧交流系统不需同步运行、发生故障时对电网造成的损失小等优点,特别适合用于长距离点对点大功率输电[1,2,3]。近年来,国内500 kV超高压直流输电技术已得到较广泛应用,向家坝-上海、云南-广州等±800 kV特高压直流输电示范工程已投入运行。在直流输电线路设计、建设和运行中,电磁环境是必须考虑的重大技术问题,直流输电线路下方空间的直流电场是影响地面附近电磁环境的重要因素之一[4]。在云广±800 kV特高压直流输电工程环境影响评价中,国家环境保护总局批复的关于该工程的环境控制指标中规定：在居民区的合成场强最大值为25 kV/m,并同时满足在测量时间内80%的测量值不超过15 kV/m[5]。为了满足环境保护的要求,减少因电磁环境问题引发的矛盾及法律纠纷,准确地分析和测量输电线路走廊空间直流电场强度具有重要的意义。
直流电场测量难度极大,原因是电场传感器易引起待测场畸变,同时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。目前,国内外测量直流电场强度的方法主要有以下三种：①感应探针法,通过探测待测点与电动势参考地之间的电动势差,间接获得待测点处的电场强度,这种方法需要极高的输入阻抗,测量误差大[25],也有将该方法用于生物体生物电测试的报道[26];②电光效应法,这类方法利用一些光电晶体的Pockels效应、Kerr效应、光波导、电致光吸收及压电弹光效应等,通过测量受电场强度调制的光信号来获得电场强度信息[27,28,29,30,31,32,33,34,35]。现实中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,电光晶体价格昂贵,光学探测元件要求灵敏、精确等。在直流电场测量中遇到的更大困难在于,电场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电光系数往往也比较小。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,连接探头和光学仪器的光纤通常拥有塑料外包层,也能束缚大量空间电荷,造成空间电场的改变。因此这类测量方法没有得到广泛应用;③电磨法,即通过旋转电极的静电感应法,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,降低了对后续放大器处理电路的要求。当将该旋转电极放入待测直流电场中时,极板与电场方向垂直,通过修正极板的形状,极板上聚集的电荷可近似按正弦规律变化。若将两极板通过电阻相连,则电阻上会产生近似正弦电流流动,电阻两端也将产生交流电压。显然,该交流电压的大小与待测直流电场强度的大小成正比,以此,可以实现对直流电场强度的测量[36,37]。目前,在实际测量中主要采用这种方法,其优点是利于消除后续信号处理电路温漂和失调电压的影响,但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,体积偏大,从高速旋转或振动的电极上引出信号较为困难,所使用的电刷结构往往易磨损,接触电阻变化不定,使得信号不够稳定,另外,在野外测量时,由于风沙等因素也易引起电极旋转转速不稳定,造成测量困难和误差等不足。
对于特高压直流输电线路直流电场的测量,通常需要测量直流高压输电线路下方距地面2 m高度以下空间的直流电场,该电场方向一般为竖直方向,探测极板应平行放置,并与电场方向垂直。为了克服上述现有直流电场测量方法的不足,本文提出采用斩波的方法,极板不动,利用高绝缘干簧继电器将两感应电极间的直流感应电压信号斩波转换为一定频率的交变信号,从而实现直流电场的测量[40],克服了旋转或移动极板测量方法的局限性。
2 斩波系统组成
图1
表1 OPA128型运放主要技术参数
| 参数 | 取值 |
|---|---|
| 输入偏置电流/fA | ≤±1 |
| 输入失调电压/μV | <±500 |
| 差模输入阻抗/(Ω//pF) | 1 013 //1 |
| 共模输入阻抗/(Ω//pF) | 1 015 //2 |
| 开环电压增益/dB | >110 dB |
图1中,U3为美国BURR-BROWN公司产精密单位增益差动放大器,其电路增益为100 dB,共模抑制比可达118 dB,增益误差≤0.01%,非线性≤0.001%。
3 测量原理
感应极板直径为100 mm,厚度为3 mm,极板间距为d=10 mm,将它们平行放置于待测直流电场中,待测电场强度为E,设极板间感应电压为U,则
图1中的两块探测极板即为电容传感器,可视为由待测电场强度控制的电压源,因其自身内阻极高,欲对其产生的感应电压信号进行斩波,关键是所采用的高绝缘干簧继电器及后续输入电路应具有相当高的输入阻抗,并严防电荷泄露。如前所述,继电器触点绝缘等级高达100 TΩ,按照电路理论,差动输入电路的输入阻抗为
图2
图2中的电路方程为
式中,$R_{sr}^{'}$为放电阻抗,可视为电路的输入阻抗与干簧继电器绝缘阻抗并联。设初始条件为,t=0时,电容电量为q=Q,则根据电路理论可解得电容电量与放电电流为
电容放电的时间常数为
式中,ε0近似为空气中的介电常数;S为电容极板面积;d为极板间距,可估算极板的放电时间常数约为13.9 s。感应电极极板放电过程中,由空间电场补充电量,只要将极板上的感应电压信号斩波为方波信号,然后测得该方波信号的幅值,通过标定,即可获得待测电场强度。
4 测量与标定
图3为测量部分组成框图,将斩波获得的方波信号经滤波放大调理后,利用美国NI公司生产的USB6210型数据采集卡进行模数转换,最后通过上位机和软件,实现波形观察和测量。输出电压信号的幅值与待测直流电场强度具有一定的对应关系,经标定后,可通过软件界面直接显示和读取待测电场强度的大小。
图3
测量软件系统是基于LabVIEW软件平台搭建的测量监测程序图,斩波后的信号经放大和滤波调理后,由数据采集卡NI-USB6210的AI1和AI19输入端口差分输入,通过USB即插即用数据总线与终端监视上位机连接。数据采集设备输出的数据一路直接导出波形图,用以实时监测信号波形;另一路导出单频测量函数,实时监测信号幅值和频率,经标定后,在一定的量限内,信号输出的幅度与待测电场强度具有K倍的比例关系,可直接在界面显示输出电场强度。图4为实验测量过程中的一个监测界面,斩波频率设为10 Hz,标定比例系数K为252,当信号幅值约为20 mV时,待测电场强度约为5.07 kV/m。从检测界面看,斩波信号呈方波波形。
图4
标定在标准直流电场发生装置进行,由两块相距0.5 m、面积为1 m2的平行金属极板构成。根据待测场的强弱,可以调整信号调理电路的增益系数,然后确定输出电压幅度与待测电场强度的比例系数K。表2为输出电压幅值与电场强度对应关系。实验测试表明该测量方法有效,系统能满足特高压直流输电线路直流电场强度的测量需要。
表2 测量标定表
| 信号幅值U/mV | 测量强度E/(kV/m) |
|---|---|
| 14.1 | 5.135 |
| 32.4 | 10.273 |
| 89.7 | 20.164 |
| 137.5 | 29.898 |
| 184.6 | 40.027 |
| 227.3 | 50.272 |
5 结论
本文针对现有输电线路直流电场强度测量方法的不足,提出了感应极板不动,对感应电压信号进行直接斩波而将直流感应电压信号转变为交变信号,实现直流电场强度测量的新方法。能否实现电场强度有效测量的关键是防电荷泄露,斩波器件及输入级需要尽可能高的输入阻抗。虽然感应极板上可得伏量级的感应电压信号,但实测得到的信号只有毫伏级,因此,进一步提高系统技术工艺,严防电荷泄漏,是该方法能否实现有效测量的关键。
参考文献
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高压直流双回输电线路合成电场与离子流的计算
[J].高压直流双回输电线路在我国尚无设计与运行经验。为此，文章对双回直流线路电晕效应产生的离子流与综合电场强度进行了计算，分析了导线不同的布置方式以及线路间距、对地高度、导线分裂数、导线半径等结构参数对地表离子流和场强的影响。结果表明，两回线路上下排布方式的地表合成场强与离子流密度较小；在相同导线尺寸与同等架设高度下，合理排布的双回线路的地表场强与离子流远小于单回线路，且双回线间距越小地表场强与离子流越小；同塔双回线路的电磁环境要优于单回线路。
Calculation of total electric field and ionic current density of double circuit HVDC transmission lines
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同塔双回高压直流线路地面合成电场的计算方法
[J].我国计划在实际工程中采用同塔双回高压直流线路，由于该类线路在世界上无工程应用先例，需要研究其地面合成电场的有效计算方法，以满足工程设计和环境保护需求。考虑极导线对地距离不同和极导线布置方案对每一极导线起晕电压的影响及正负极导线起晕场强的差别等因素，提出一种计算同塔双回高压直流线路地面合成电场的方法。利用同塔双回直流模拟试验线段，对极导线按不同方案布置时的地面合成电场进行测试，并采用该文方法对地面合成电场进行计算。结果表明，采用该文方法计算极导线按不同方案布置时同塔双回直流线路的地面合成电场，其分布规律与实测结果基本吻合；地面最大合成电场计算值与实测结果基本一致。
Calculation of the total electric field at ground level for double circuit HVDC overhead transmission lines
[J].我国计划在实际工程中采用同塔双回高压直流线路，由于该类线路在世界上无工程应用先例，需要研究其地面合成电场的有效计算方法，以满足工程设计和环境保护需求。考虑极导线对地距离不同和极导线布置方案对每一极导线起晕电压的影响及正负极导线起晕场强的差别等因素，提出一种计算同塔双回高压直流线路地面合成电场的方法。利用同塔双回直流模拟试验线段，对极导线按不同方案布置时的地面合成电场进行测试，并采用该文方法对地面合成电场进行计算。结果表明，采用该文方法计算极导线按不同方案布置时同塔双回直流线路的地面合成电场，其分布规律与实测结果基本吻合；地面最大合成电场计算值与实测结果基本一致。
极导线垂直排列直流线路地面合成电场的一种计算方法
[J].极导线垂直排列直流线路在我国已用于实际工程，有必要研究有效方法计算该类线路的合成电场，以满足工程设计和环境保护需求。根据极导线垂直排列直流线路几何结构的特点，在Deutsch假设的基础上，提出了一种计算极导线垂直排列直流线路地面合成电场的方法。该方法还适用于极导线水平排列直流线路。通过试验和计算结果对比，对该方法进行了验证。使用该法对极导线垂直和水平排列±500kV直流线路的地面合成电场进行了计算分析。结果表明：在极导线高度和极间距分别相同的情况下，极导线垂直排列直流线路下的最大地面合成电场比极导线水平排列直流线路的略大，但极导线垂直排列直流线路的地面合成电场横向衰减较快；极导线垂直排列直流线路的走廊宽度约为极导线水平排列线路的50%。
A calculation method for the total electric field strength at the ground level under vertical bipolar HVDC transmission lines
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基于上流有限元法对高压直流输电线路下合成电场的研究
[J].高压直流输电线路产生的地面合成电场和离子流密度是设计和建设输电线路时应考虑的2个主要电磁环境指标。为预测高压直流输电线路的电磁环境问题，基于上流有限元法开发了相应的分析预测软件。同轴圆柱结构的解析解和实验线路的测量数据验证了该方法的有效性。最后，分析了双极线路情况下线路高度、极间距和表面状况以及单极情况下风速对地面合成场强和离子流密度的影响，这些结果对设计高压直流输电线路具有一定的指导意义。
Power system technology research on total electric field beneath HVDC power lines based on upstream finite element method
[J].高压直流输电线路产生的地面合成电场和离子流密度是设计和建设输电线路时应考虑的2个主要电磁环境指标。为预测高压直流输电线路的电磁环境问题，基于上流有限元法开发了相应的分析预测软件。同轴圆柱结构的解析解和实验线路的测量数据验证了该方法的有效性。最后，分析了双极线路情况下线路高度、极间距和表面状况以及单极情况下风速对地面合成场强和离子流密度的影响，这些结果对设计高压直流输电线路具有一定的指导意义。
直流输电线路下地面合成电场的无线同步测量系统研究
[J].<p>新疆电网以750 kV电压等级线路接入西北主网后，互联电网的动态特性、振荡模式发生了变化，新增了一个新疆电网对西北主网的区域间振荡模式。新疆内部和西北主网内部主要断面的动态稳定水平没有下降，新疆电网内部局部地区仍存在弱阻尼振荡模式。通过协调优化新疆电网内部北疆西部地区部分机组的励磁系统自动电压调节器(automatic voltage regulator，AVR)和电力系统稳定器(power system stabilizer，PSS)参数，可提高系统的阻尼水平，并在一定程度上解决了该地区水电窝电现象。开展了实际互联电网系统扰动试验，实测数据验证了仿真计算结果的准确性，通过扰动试验掌握了互联电网的动态特性和系统阻尼水平。研究综合运用了时域和频域的方法，并以频率计算为主，辅以时域分析校验。</p>
Research on wireless synchronous measurement system for total ground electric field under HVDC transmission lines
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差分型脉冲电场测量系统的研制
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交直流混合电场旋转式一体化测试仪的研制
[J].研究了一种直流电场、交流电场和交直流混合电场一体化旋转式电场测量仪。首先导出了一体化旋转式电场测量<br/><br/><br/><br/>仪的输出电流与直流电场强度、交流电场强度和交直流混合电场强度的关系。在此基础上采用窄带通滤波法设计了感应信号后续处理电路，分离出感应信号中的直流分量与交流分量，并对电场仪进行了标定与现场测试。该电场仪测量精度高，线性度好，可以同时测量同一地点的交流电场、直流电场和交直流混合电场，对于超/特高压交直流同走廊和同塔输电线路混合电场研究和电磁环境监测具有重要意义。
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基于直接数字频率合成器及正交锁相技术的交直流微型电场传感器电路
[J].
DOI:10.3724/SP.J.1146.2013.00312
Magsci
[本文引用: 1]
为了实现AC(工频)和DC电场同时检测，该文基于MEMS电场传感器，采用直接数字频率合成器(DDS)激励及正交锁相技术研制出一种高性能微型电场传感器电路。该系统结合低噪声模拟电路和数字控制方式，采用DDS产生精准的传感器激励信号和双路正交参考信号，保证了激励信号及正交参考信号的频率、幅值稳定性以及双路正交参考信号之间准确的相位差。采用相关解调芯片及高速滤波器构建正交锁相放大电路，结合Advanced RISC Machines (ARM)微控制器，解决了单片机数字信号处理响应速度慢、资源不足等问题，成功实现AC(工频)及DC电场加载情况下传感器弱信号高精度提取。
Micromachined electric-field sensor system based on direct digital synthesizer and lock-in-amplifier to measure AC and DC fields
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为了实现AC(工频)和DC电场同时检测，该文基于MEMS电场传感器，采用直接数字频率合成器(DDS)激励及正交锁相技术研制出一种高性能微型电场传感器电路。该系统结合低噪声模拟电路和数字控制方式，采用DDS产生精准的传感器激励信号和双路正交参考信号，保证了激励信号及正交参考信号的频率、幅值稳定性以及双路正交参考信号之间准确的相位差。采用相关解调芯片及高速滤波器构建正交锁相放大电路，结合Advanced RISC Machines (ARM)微控制器，解决了单片机数字信号处理响应速度慢、资源不足等问题，成功实现AC(工频)及DC电场加载情况下传感器弱信号高精度提取。
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