用于电晕电流测量的高电位数据采集系统开发和应用

向 宇 卢铁兵 刘 阳 崔 翔

用于电晕电流测量的高电位数据采集系统开发和应用

向 宇 卢铁兵 刘 阳 崔 翔

（华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室 北京 102206）

电晕是高压输电线路设计中必须考虑的问题。电晕电流是导线周围带电粒子的复杂运动引起的，具有环境电压高、频谱宽、变化剧烈等特点。针对高压试验线路，采用屏蔽箱、电流探头和高速采集卡设计了电晕电流测量系统，采用光电技术和计算机控制技术，解决了高压绝缘、信号干扰和电晕信号高频采样记录的测量困难，实现高压试验线段电晕电流的地面安全可靠测量。在实验室搭建模拟线路，利用该系统进行了测量，测量现象和结果符合预期的分析，验证了方案的可行性。

电晕电流 高电位 光电转换 测量

1 引言

高压输电具有大容量、低损耗、低成本的特点，适合于远距离、大容量电能输送。我国区域性能源分布与电能需求极不均衡，高电压输电成为解决这一矛盾的主要手段。

随着我国经济的持续快速增长，电能需求逐年增加，电压等级也逐步升高。高压输电线路在正常运行状态下，通常处于起晕的状态，而电晕现象会产生一系列的环境效应。如电晕放电时，导线附近空气被电离而使得其中存在许多自由电子及正、负离子。

当这些电子及正、负离子在强电场的作用下，加速向导线和地面运动，从而在导线上产生电晕电流。电晕电流具有高达30MHz的带宽，覆盖了无线电的中波和短波频段。电晕电流在空间中激发出的电磁场会对无线电信号形成干扰，因此无线电干扰是电晕现象带来的一个重要问题，必须对其进行深入研究。

无线电干扰的来源是电晕电流，因此必须掌握电晕电流的特性。国内外众多学者对电晕进行了长期大量的研究，提出了电桥电路法、耦合天线法等测量方法[1]。但这些方法或是改变电路结构，对测量结果产生一定影响，或是在低压侧测量由电晕电流产生的不同效应来反推。而且电晕信号频率高、频带宽，对测量系统的采样频率、信号存储速率提出了较高要求[2]。如何从高压侧直接获取准确的电晕电流参数，以分析其产生机理和传播特性成为一个难题。本文提出了一套电晕电流测量系统，利用高速采集卡、光电技术以及计算机控制技术实现对高电位电晕电流的有效测量，该系统测量精度高、抗干扰能力强、尺寸小、重量轻，且人员在低电位进行操作，确保操作人员安全。

2 系统的开发

2.1 工作原理

测量系统主要由高速数据采集卡、测量主机、光电转换传输装置和地面控制主机等部分构成。

图1为系统工作原理图，其中，基于罗氏线圈原理的电流探头用于采集流过导线的电晕电流，通过高速数据采集卡将模拟电信号转为数字电信号传送至测量主机，高压侧屏蔽箱内的测量主机实时进行采集、运算和存储，地面控制主机的信号通过光电转换器将电信号转换成光信号，经光纤传输线接入测量部分，再转换成电信号接入测量主机以对其进行实时观察和控制。光电转换器和数据采集卡均由测量主机的电池供电。

图1 采集系统工作原理图Fig.1 Fundamental diagram

2.2 设计难点

本文针对高电位测量主要存在三个难点：高速精确采集，防止装置起晕和实现电位隔离，进行了设计和布置，如图 2。

图2 采集系统示意图Fig.2 Schematic diagram

电晕脉冲信号主要能量分布在30MHz以内，幅值几十mA以内。为实现采集系统的精确快速采集，数据采集卡选用Tiepie Handyscope HS5 XM，通过BNC接口的屏蔽电缆线与电流探头相连，同时通过USb接口的传输线与测量主机相连。采集卡的最大实时采样频率为500MHz，12bit，量程±80A，最小分辨率约为0.1mA，在测量过程中采样频率、量程、显示参数等可实时进行调整。

由于与高压线路直接接触，处于高电位的采集系统必须能有效防止自身起晕。采集系统的测量模块置于屏蔽箱内，屏蔽箱整体呈流线型，金属盖和金属底盘通过尼龙螺丝及螺母紧密贴合，接触环面上方放置有均压环，过渡面光滑无毛刺，屏蔽箱上表面有半球形接线端子，通过波纹管接触高压导线以保持屏蔽箱处于的高电位，BNC接口电缆线置于波纹管内，连接采集卡和电流探头，电流探头同样有球形屏蔽罩保护以防止边角起晕。

用光纤传输控制信号不仅能实现电位隔离，而且抗干扰能力强。本系统采用了光电转换器，提供直通线/交叉线自适应的 RJ45网线接口和 1 000Base-SX/LX全双工模式的光纤接口，能在极小的空间内实现电信号与光信号的相互转换，通过光纤达到电位隔离的目的，保证了控制端人员的安全。

3 测量系统的有效性验证

为了检测数据采集系统的响应速度和数据精确度，利用信号发生器和高性能示波器搭建简单的实验平台。

将数据采集系统与高性能示波器同时连接信号发生器，分别用信号发生器输出端输出频率20MHz，幅值1V的正弦波，以及上升沿约为10ns，幅值为1V的脉冲波形。测量得到波形对比如图3。

可以看出，数据采集系统的所采集到的波形与高性能示波器基本重合，其测量的精确度完全能够胜任电晕电流的测量工作。

图3 采集系统与示波器对比Fig.3 Comparison diagrams of wave forms

4 模拟实验线路电晕电流的测量

为了检测数据采集系统的光电控制性能和存储速度，将其应用在高电位区进行了电晕电流的测量。

在高电压实验室搭建模拟线路，试验导线采用直径为4mm的绞线。导线两端用绝缘棒支架固定，一端通过电感与高压直流源连接，减少电源纹波干扰；另一端通过高压电容器和匹配电阻接地，能有效的消除反射。

图4 实验线路示意图Fig.4 Experimental platform

首先对测量导线施加正极直流电压，加压过程匀速缓慢。当施加电压达到34.3kV的时候第一次测到了明显的脉冲波形，如图 5。脉冲波形上升时间为30ns左右。

图5 单个脉冲电流波形Fig.5 A corona current pulse

分别对测量导线施加正极直流电压、负极直流电压以及交流电压，采集系统存储深度为32MiB，使用最大采样率500MHz，记录时间长度为66ms。为了比较三种情况下电晕电流的表现，加压过程均为缓慢匀速加压，电压分别为正极 40kV，负极-40kV，交流有效值28.3kV（最大值±40kV）。

在加压过程中，正极到 34.3kV的时候开始出现脉冲波形，而负极电压加到 33kV就出现电晕电流的脉冲，这说明负极线路比正极线路更容易起晕。

当导线具有正极电压时，空气中出现的电子向导线端运动并开始引起电离现象而形成电子崩。随着电压的逐渐上升，到放电达到自持、爆发电晕之前，空气中形成相当多的电子崩。当电子崩达到导线后，其中的电子进入导线，而正离子仍留在空间，并在导线表面积聚起正空间电荷，从而减小了导线表面的电场，而略为加强了外部空间的电场。这样，导线附近的电场被削弱，难以造成流注，这也使得电晕放电难以形成。而当导线具有负极性时，电子崩中的正离子逐渐向导线运动而消失于导线中，但由于其运动速度较慢，所以在导线附近总是存在着正空间电荷。导线表面的电场得到增强，因而自持放电条件易于得到满足、易于转入流注而形成电晕放电。分析表明，正极性导线的起晕电压比负极性导线略高，实验结果也证明了这一点。

从长时间的正极电晕电流波形可以发现，电晕电流脉冲基本都是相隔固定的时间成簇出现的。其中正极电晕电流每一簇中包含一大一小两个脉冲，这是因为在第一次电晕放电之后，空间中会有残余的正离子，影响了导线表面的电场强度，使得第二次放电的强度降低。

图6 正极40kV电晕电流Fig.6 Corona current produced by +40kV corona

对比正负极的电晕电流波形可以看出，在施加的电压绝对值相同的情况下，正极的脉冲个数多于负极的脉冲个数，且正极电晕电流幅值的绝对值要远大于负极，说明正极导线起晕要比负极导线起晕更强烈。这是因为，在正极导线电晕放电的过程中，参与运动的主要是正离子，而负极导线电晕放电过程中主要参与者是电子，其质量远远小于正离子，在碰撞空气分子产生电离等过程中作用效果也没有正离子那么明显，所以无论是在幅值或者放电次数方面，负极电晕电流都不如正极电晕电流。

图7 负极-40kV电晕电流Fig.7 Corona current produced by -40kV corona

图 8为导线通以±28.3kV交流电源的电晕电流波形。由于是交流电压，正极和负极的电晕电流脉冲都存在，并且交替出现，每隔 10ms左右会有一簇交流电晕出现，同一簇中的正负电晕电流幅值相差不多。

5 结论

图8 交流±28.3kV电晕电流Fig.8 Corona current produced by ±28.3kV corona

本文设计的采集系统能直接有效地对高压线路上电晕电流进行实时测量，通过在高电压实验室搭建模拟线路，测得了导线上的电晕电流。实验对正极直流、负极直流和交流的电晕电流分别进行了测量，并对各自的产生机理和现象特征进行了对比分析，结果表明：本文设计的采集系统在高电位完全能够快速准确地捕捉到电晕电流脉冲，在最大采样率的情况下，可实现长达 67ms的脉冲波形记录，且每个波形保存完整。

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Design and Application of HV-Side Acquisition System for Corona Current Measurement

Xiang Yu Lu Tiebing Liu Yang Cui Xiang

（Beijing Key Laboratory of High V oltage & Electromagnetic Compatibility North China Electric Power University Beijing 102206 China）

Corona effect is an important issue that must be considered in designing HV transmission lines. It is caused by the compound movement of charged particles around the conductors, and has the characteristics of high voltage, wide spectrum, and strenuous diversification. According to the HV test line, a corona current measurement system is developed for the investigation of HV test line. The measurement principle and system configuration is described. Problems such as high-voltage insulation, high-frequency signal sampling, interference suppression, and signal record and transmission etc. are solved. Simulation experiments are also carried out in laboratory. By analyzing the test results, the feasibility of the developed measurement system is validated.

Corona current, HV side, optoelectronic conversion, measurement

TM743

向 宇 男，1988年生，硕士研究生，研究方向为电力系统电磁环境。

国家自然科学基金资助项目（51177041）。

2013-10-08 改稿日期 2014-06-09

卢铁兵 男，1970年生，教授，博士生导师，研究方向为电力系统电磁环境、电磁场数值计算。