一種對高壓輸電線路電暈電流進行測量的裝置的制作方法

本發明涉及輸電線路測量技術領域，并且更具體地，涉及一種對高壓輸電線路電暈電流進行測量的裝置、系統及方法。

背景技術：

電暈籠本身是一個截面為方形或者圓形的同心網狀金屬籠，籠體與大地相接，用來模擬大地。由于線和籠間的距離較線和大地間的距離近，在導線上施加較低的電壓等級，可使導線表面的場強達到較高電壓等級的實際輸電線路的表面場強水平，從而表現出高電壓等級下輸電線路導線的電暈特性。電暈籠可用于對超、特高壓輸電線路的電暈損耗、無線電干擾、可聽噪聲等電暈特性、電暈起始電壓、電場分布和離子電流密度分布等內容的研究。通過調整實驗的條件，例如改變導線分裂數和高度、極間距、導線表面狀況例如，落灰和積污程度、氣壓、濕度、溫度以及模擬各種環境因素，可研究這些因素對輸電線路電暈特性的影響。

隨著中國輸電線路電壓等級的提高以及特高壓直流輸電工程的投入運行，輸電線路電暈損耗和由電暈造成的電磁環境問題日益突出。因此，輸電線路電暈特性的研究，對于保障輸電線路安全經濟運行具有重要意義。高壓輸電線路電暈損耗和電磁環境的源頭為導線的電暈放電，而表征電暈放電最直接的物理量是電暈電流。目前國內針對高壓直流輸電線路電暈損耗/電暈電流的測量問題，有電橋電路法、耦合天線法、功率表法、取樣電阻傳感器等多種方法，但這些方法分別存在操作不便，存在安全隱患、無法在不同氣候下實現長時間在線測量、很難實現多點同步測量及無法測量電暈電流的瞬態波形的問題。

另外，以往的高壓輸電線路電暈電流測量裝置均位于超/特高壓側，因而需要解決由于高電壓環境所帶來的一系列問題，如高電壓環境下的傳感器自身放電問題、高電壓環境下測量裝置和通訊線路的自身放電問題、高電壓環境下的供電問題、高電壓環境下弱電信號的高速測量和傳輸問題等等。中國電力科學研究院和北京航空航天大學聯合研制成功了特高壓直流輸電線路寬頻域電暈電流測量系統，解決了上述問題，取得了國際領先級的研究成果。但其缺點是其實現過程較為復雜，測量裝置的價格較為昂貴，在技術推廣應用上有一定難度。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提供了一種對高壓輸電線路電暈電流進行測量的裝置，所述裝置包括：電暈籠、電阻傳感器、過壓保護模塊、通斷控制器、光電轉換單元、數據采集卡和供電單元。優選地，在所述電暈籠的籠體側串聯電阻傳感器以對電暈電流進行測量；所述電阻傳感器與過壓保護模塊并聯；所述過壓保護模塊連接通斷控制器，用于在電暈籠產生瞬時高壓放電時保護數據采集卡；所述通斷控制器和數據采集卡均通過數據線與光電轉換單元連接并進行數據交換；所述光電轉換單元用于光信號和電信號之間的轉換；所述供電單元分別與數據采集卡和光電轉換單元電連接，為數據采集卡和光電轉換單元提供直流電源。

優選地，所述電暈籠為同心網狀金屬籠，所述電暈籠包括外層網和內層網；其中外層網接地，用于屏蔽來自外界的干擾；內層網用來測量高壓輸電線路的電暈效應；所述電阻傳感器的一端連接電暈籠內層網，另一端接電暈籠外層網。

優選地，其中所述電暈籠的內層網與電暈籠的外層網之間設置有絕緣支座。

優選地，其中所述電暈籠的內層網包括測量段和位于測量段兩側的防護段；防護段接地，用來屏蔽電暈籠端部引起的端部效應，測量段用來收集高壓輸電線路的電暈效應數據。

優選地，其中所述電暈籠的內層網分為多個分段，每個分段之間絕緣并用方便拆卸的金屬條連接。

優選地，其中所述電阻傳感器為可調式傳感器，有多個檔位。

優選地，其中所述過壓保護模塊包括雙向瞬變電壓抑制二極管和氣體放電管。在電阻傳感器的輸入端和數據采集卡的輸入端并聯雙向瞬變電壓抑制二極管TVS及氣體放電管作為輸入保護。

優選地，其中所述通斷控制器包括繼電器、繼電器驅動芯片、反相器以及主控芯片，主控芯片連接繼電器來控制電路的通斷，繼電器通過繼電器驅動芯片引出的管腳連接反相器。

優選地，其中所述繼電器驅動芯片是高耐壓、大電流達林頓陣列反相驅動器，所述繼電器驅動芯片由七個NPN硅達林頓管組成。

優選地，其中所述光電轉換單元包括USB轉光纖的本地端模塊和光纖轉USB的遠程端模塊，遠程端模塊與數據采集卡相連，本地端模塊連接上位機。

優選地，其中所述數據采集卡在鐵盒內部，數據采集卡的USB延長器和探頭連接處用加固件進行加固。

優選地，其中所述供電單元的電源的引入端串接自恢復保險絲。

優選地，其中所述供電單元輸入端連接市電，并將市電轉換成5V電源。

優選地，其中所述裝置位于斜頂式結構裝置之中。

本發明提供了一種對高壓輸電線路電暈電流進行測量的系統，所述系統包括：

上述裝置，對高壓輸電線路電暈電流進行測量；以及

電暈電流測量本地模塊，接收并處理通過光纖傳輸過來的電暈電流數據。

優選地，其中所述電暈電流測量本地模塊位于測量室內。

本發明提供了一種對高壓輸電線路電暈電流進行測量的方法，所述方法包括：

將電阻傳感器連接于電暈籠測量段與外層網之間；

將光電轉換單元的光信號輸出端通過光纖與電暈電流測量本地端連接；

進行加壓試驗并對電暈電流進行測量；

將上述測量的電暈電流傳輸至電暈電流測量本地端。

本發明的有益效果在于：

1.現有技術都是直接對高壓輸電線路進行測量，電阻傳感器處的電位特別高，高電壓環境導致了一系列問題，而本發明采用的是電暈籠籠體側測量技術，在電暈籠籠體側串接電阻傳感器來測量高壓輸電線路的電暈電流，由于電暈籠的籠體側的電壓較低，降低了電阻傳感器處的電位，因此本發明解決了現有技術中所存在的問題，且本發明具有投資小、實驗條件可控，結構調整方便、測量方便、運行穩定、試驗周期短的優點，可實現便捷的選量程功能，對特高壓直流輸電工程電暈特性研究具有重要作用。

2.本發明采用光纖傳輸，光纖傳輸具有頻帶寬、通信容量大、損耗低、抗電磁干擾、無串音干擾，保密性好等優點。

3.本發明設置通斷控制器，可保護數據采集卡，避免瞬間高壓進入測量系統，同時將電暈籠內壁接地，避免累積電荷，保護測量環境。

附圖說明

通過參考下面的附圖，可以更為完整地理解本發明的示例性實施方式：

圖1為根據本發明實施方式的測量裝置的結構示意圖；

圖2為根據本發明實施方式的測量裝置中電暈籠的結構示意圖；

圖3為根據本發明實施方式的保護電路的結構示意圖；

圖4為根據本發明實施方式的通斷保護原理圖；

圖5為根據本發明實施方式的通斷保護電路圖；

圖6為根據本發明實施方式的測量系統遠程端原理圖；

圖7為根據本發明實施方式的光纖連接的結構示意圖；

圖8為根據本發明實施方式的測量系統本地端原理圖；

圖9為根據本發明實施方式的整個電暈電流測量回路系統的結構示意圖；以及

圖10為根據本發明實施方式的高壓輸電線路電暈電流測量方法1000的流程圖。

具體實施方式

現在參考附圖介紹本發明的示例性實施方式，然而，本發明可以用許多不同的形式來實施，并且不局限于此處描述的實施例，提供這些實施例是為了詳盡地且完全地公開本發明，并且向所屬技術領域的技術人員充分傳達本發明的范圍。對于表示在附圖中的示例性實施方式中的術語并不是對本發明的限定。在附圖中，相同的單元/元件使用相同的附圖標記。

除非另有說明，此處使用的術語(包括科技術語)對所屬技術領域的技術人員具有通常的理解含義。另外，可以理解的是，以通常使用的詞典限定的術語，應當被理解為與其相關領域的語境具有一致的含義，而不應該被理解為理想化的或過于正式的意義。

圖1為根據本發明實施方式的測量裝置的結構示意圖。如圖1所示，所述裝置包括：電暈籠、電阻傳感器、過壓保護模塊、通斷控制器、光電轉換單元、數據采集卡和供電單元。

優選地，其中所述電暈籠的籠體側串聯傳感器以對電暈電流進行測量，所述電阻傳感器與過壓保護模塊并聯，所述過壓保護模塊連接通斷控制器，用于在電暈籠產生瞬時高壓放電時保護數據采集卡，，所述通斷控制器連接數據采集卡，通斷控制能保護數據采集卡，避免瞬間高壓進入測量系統，平時數據采集卡不工作的時候，將通斷控制器連通，相當于將電暈測量籠直接接地，只有測量的時候才將通斷控制器斷開，這時電暈電流信號進入測量系統。通斷控制器還能將電暈籠內壁接地，避免累積電荷，保護測量環境；所述通斷控制器和數據采集卡均通過數據線與光電轉換單元連接并進行數據交換；所述光電轉換單元包含USB轉光纖本地端模塊和光纖轉USB遠程端模塊，所述光電轉換單元用于光信號和電信號之間的轉換；所述供電單元分別與數據采集卡和光電轉換單元電連接，為數據采集卡和光電轉換單元提供直流電源。

本發明將巧妙地利用電暈籠，在低壓側進行電暈電流測量，通過對測量裝置進行有效地保護等手段，克服了現有系統所存在的“操作不便，存在安全隱患、無法在不同氣候下實現長時間在線測量、很難實現多點同步測量及無法測量電暈電流的瞬態波形”等問題。

圖2為根據本發明實施方式的測量裝置中電暈籠的結構示意圖。如圖2所示，黑色線為導線，1是測量段，2是內層網，3是絕緣支座，4是外層網，5是防護段。優選地，所述電暈籠為同心網狀金屬籠，所述電暈籠包括外層網4和內層網2；其中外層網4接地，用于屏蔽來自外界的干擾；內層網2用來測量高壓輸電線路的電暈效應；所述電阻傳感器的一端連接電暈籠內層網2，另一端接電暈籠外層網4。優選地，其中所述電暈籠的內層網2與電暈籠的外層網4之間設置絕緣支座3。優選地，其中所述電暈籠的內層網2包括測量段1和位于測量段兩側的防護段5；防護段5接地，用來屏蔽電暈籠端部引起的端部效應，測量段1用來收集高壓輸電線路的電暈效應數據，并且所述測量段1的長度至少應為所述防護段3長度的3倍。優選地，其中所述電暈籠的內層網2分為多個分段，每個分段之間絕緣并用方便拆卸的金屬條進行連接。測量段1和防護段5的長度可以根據需要來進行改變。

優選地，其中所述電阻傳感器為可調式傳感器，有多個檔位，既能夠人工調檔，又能夠通過程序實現自動調檔，所述電阻傳感器的一端連接電暈籠內層網的測量段，另一端接電暈籠外層網。

在測量系統中取樣電阻占據極為重要的地位，需要串入特高壓電暈籠直流導線以測量相應的電流值，考慮到防高壓擊穿、散熱、抗電磁干擾及無電感效應等因素，采用精密電阻式傳感器。經過長期特高壓電暈電流試驗，阻值為50Ω，100Ω，150Ω的電阻阻抗特性較穩定，可滿足寬頻域電暈電流的測量要求，因此采用多阻值可調傳感器。

優選地，其中所述過壓保護模塊包括雙向瞬變電壓抑制二極管和氣體放電管，在電阻傳感器的輸入端和數據采集卡的輸入端并聯雙向瞬變電壓抑制二極管(TVS)及氣體放電管作為輸入保護，能避免電暈籠產生瞬時高壓放電對數據采集卡的破壞，在瞬間高功率的沖擊下，TVS能以極高的速度改變本身的阻抗，從而吸收一個極大的電流，將它兩端的電壓鉗制在預定的數值上，并且能滿足系統中ns級快速保護的需要。

測量電暈電流時，電源室電壓等級最高可加至1000kV。在此電壓等級下工作，采集卡可能會遭受瞬間高壓脈沖擊穿其采集通道的風險。尤其在電源室降壓接地時，高電壓脈沖直接經過采集卡通道流入大地，這樣極易破壞采集卡探頭。

圖3為根據本發明實施方式的保護電路的結構示意圖。如圖3所示，在無感電阻兩端加上限幅電路，限幅電路包含短路開關、TVS管以及放電管，與無感電阻并聯，可以將數據采集卡通道電壓鉗制在較低電壓水平。電源室降壓接地時，將短路開關閉合，高壓脈沖直接流入大地，可避免其擊穿采集卡通道。

具體實施時，所述TVS管可以為P6KE15CA瞬態抑制二極管，所述放電管可以為2R-75V陶瓷放電二極管。

優選地，其中所述通斷控制器包括繼電器、繼電器驅動芯片、反相器以及主控芯片，主控芯片連接繼電器來控制電路的通斷，繼電器通過繼電器驅動芯片引出的管腳連接反相器。數據采集卡不工作時將磁保持繼電器置位，當數據采集卡工作時將磁保持繼電器復位，添加一級反相器，使得上電之后施加到繼電器上的單片機信號為高電平，即置位信號和復位信號都無效，避免了繼電器的誤操作。

優選地，其中所述繼電器驅動芯片是高耐壓、大電流達林頓陣列反相驅動器，所述繼電器驅動芯片由七個NPN硅達林頓管組成。繼電器驅動芯片的每一對達林頓都串聯一個2.7k的基極電阻，在5V的工作電壓下能與TTL和CMOS電路直接相連，工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關閉態時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。

圖4為根據本發明實施方式的通斷保護原理圖。如圖4所示，當數據采集卡不工作時將通斷控制器中的繼電器(或稱磁保持繼電器)置位，此時精密電阻傳感器中的測量電阻短路，電暈電流直接流入大地，采集裝置輸入端為零。當數據采集卡工作時將磁保持繼電器復位，此時測量電阻串接在電暈電流測試線和地線之間，電暈電流進入數據采集卡。通斷控制器功能有兩個，一是保護測量系統，避免瞬間高壓進入數據采集卡，平時數據采集卡不工作的時候，將通斷控制器連通，相當于將電暈測量籠直接接地，只有測量的時候才將通斷控制器斷開，這時電暈電流信號進入數據采集卡。另外，在降壓接地階段，由于瞬間將電壓降到0V，試驗線段上會有大電流流過，這時如果不將測量端接地，就會造成數據采集卡的毀壞。二是將電暈籠內壁接地，避免累積電荷，保護測量環境。

圖5為根據本發明實施方式的通斷保護電路圖，如圖5所示，本發明通過磁保持繼電器設計了通斷保護電路。MC1413B作為繼電器的驅動芯片，74HC04作為反相器。MC1413B是高耐壓、大電流達林頓陣列反相驅動器，所述繼電器驅動芯片MC1413B由七個NPN硅達林頓管組成。MC1413B驅動芯片內部的每一對達林頓都串聯一個2.7k的基極電阻，在5V的工作電壓下能與TTL和CMOS電路直接相連，引出至圖中各個管腳，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。MC1413B工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關閉態時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。單片機的引腳上電為高電平，而MC1413B是漏極開路驅動，經過MC1413B反向之后變為低電平，此時置位信號和復位信號都有效，造成繼電器的誤動作。為了避免此種現象的發生，添加一級反相器74HC04，使得上電之后施加到繼電器上的單片機信號為高電平，即置位信號和復位信號都無效，避免了繼電器的誤操作。

優選地，其中所述光電轉換單元包括USB轉光纖的本地端模塊和光纖轉USB的遠程端模塊，遠程端模塊與數據采集卡相連，本地端模塊連接上位機。

圖6為根據本發明實施方式的測量系統遠程端原理圖。測量系統遠程端模塊包括電阻傳感器、保護電路(包括前端保護、采集卡輸入端保護)、光電轉換模塊(遠程端)、數據采集卡(例如：圖6中DSO-5200A)和供電單元(例如：圖6中的電源模塊)。

圖7為根據本發明實施方式的光纖連接的結構示意圖。整個測量系統的光纖通路包括光纖USB延長器、室外光纖和光纖轉接盒，如圖7所示。光纖USB延長器通過內部的光電轉化模塊將USB數據采集卡輸出的數字差分信號轉化為適宜于遠程傳輸的數字光信號。電暈籠低壓側附近的戶外配電柜內部有光纖配線柜，埋在地里的室外光纖經過熔接后固定在光纖配線柜內，提供光纖連接的法蘭接口，一端與室內光纖相連，另一端與遠程端光纖USB延長器輸出端連接。光纖配線柜可保證光纖不易折斷，同時可以防止在惡劣的天氣環境下受到污染或者腐蝕。光纖頻帶寬，通信容量大光纖可利用的帶寬約為50000GHz，可傳輸各種寬頻帶信息；損耗低，目前實用石英光纖的損耗可低于0.2dB/km，可降低通信的成本、提高可靠性和穩定性；能抗電磁干擾。光纖是絕緣體材料，它不受自然界，的雷電干擾、電離層的變化和高壓設備等工業電器的干擾。無串音干擾，保密性好。光波在光纜中傳輸，很難從光纖中泄漏出來。為了保證光纖通信的穩定可靠，應定期對光纖法蘭進行清洗，一般選取濃度為75％的工業酒精對準光纖頭或者法蘭口沖洗。沖洗干凈的標準有兩種：一種簡便的方法是用紅色激光筆直射光纖一端，肉眼觀察另一端的光點，亮度越強烈，則光纖衰減就越小，光纖通信的質量越高；另一種方法可以用精密儀器光纖測試儀對光纖進行測試，可直接測試出光纖通信的衰減值。

優選地，其中所述數據采集卡裝設在鐵盒內，為了加強電磁屏蔽，減少外界環境對測量裝置的無線電干擾；數據采集卡的光纖USB延長器和探頭連接處用加固件進行加固，這是為了防止電暈籠進行人工模擬降雨噴霧時，附近的管道振動導致連接線接觸不良，從而出現遠程端和本地端之間通信中斷的現象。

優選地，其中所述供電單元的電源的引入端串接自恢復保險絲。優選地，其中所述供電單元輸入端連接市電，并將市電轉換成5V電源。

圖8為根據本發明實施方式的電暈電流測量系統本地端原理圖。如圖8所示，電暈籠的兩側裝有220V的戶外配電柜，內置的插線板預留了多個插孔，可外接電源線為本地端設備供電。為了防止電源線長期暴露在野外易老化，在外部套上波紋管。電暈電流測量系統本地端測量裝置內部包含電源適配器，可將市電轉化為5V的直流電壓，同時為數據采集卡和光纖USB延長器供電，從而保證測量系統全天候24小時連續工作。為了防止連接不當等因素造成系統電流過大，進而燒毀測量系統，在電源的引入端串接了自恢復保險絲。

如圖8所示，在本地端通過兩個開關實現兩套測量系統的控制，其中一個為總開關，只要它閉合，電暈籠低壓側正極測量系統連通，計算機可通過采集軟件將HS3采集卡設備號設置為0。然后，分開關閉合后，電暈籠低壓側負極測量系統連通，對應的HS3采集卡設備號將被設置為1。此時計算機連接了兩個測量系統，可以根據設備號0和1區別不同的HS3采集卡，從而實現一臺計算機控制兩套測量系統的電暈電流采集。

圖9為根據本發明實施方式的整個電暈電流測量回路系統的結構示意圖。如圖9所示，本發明涉及的一種通過電暈籠測量高壓輸電線路電暈電流的裝置，整個測量回路還包括直流高壓電源、錨塔、控制室。其中電暈電流測量系統本地端位于控制室內，并通過USB連接控制室的PC機。所述電暈籠的兩端各設置一個錨塔，直流高壓電源經過低壓側的錨塔，穿過電暈籠。電暈電流測量本地模塊內的光纖USB延長器連接室外光纖，可接收遠程端傳輸的數據信號。為了實現正負極同步測量，正極、負極光纖USB延長器安裝在同一個本地端測量盒內。測量盒輸出兩根USB延長器，連接計算機后，可同時測量正負電壓等級下的電暈電流。采用開關電源為兩個光電轉換模塊供電，輸入220V，可輸出兩路+5V直流電源。為防止設備出現意外短路的危險，開關電源模塊輸入端串聯了保險絲。計算機對HS3采集卡的識別是根據其連接到計算機的先后順序確定的，這是由HS3采集卡的驅動程序決定的。所以，可以控制HS3采集卡的上電順序來確定其物理地址。如圖9所示，本裝置A為籠體側電暈電流測量裝置，包括電阻傳感器、過壓保護模塊、通斷控制器、光電轉換單元、數據采集卡和供電單元。裝置A將測量的電暈電流通過室外光纖傳輸至控制室內的電暈電流測量本地端，電暈電流測量本地端通過USB通信將數據信號傳輸至顯示設備。本裝置A在運用時，將本裝置A的電阻傳感器連接于整個測量回路中的電暈籠測量段，將光電轉換單元的光信號輸出端通過光纖與電暈電流測量本地端連接，直流高壓電源可提供的最高電壓等級為±1200kV，進行加壓試驗時，電壓等級一般在400kV至1000kV之間。直流高壓電源經過管母線，將電能傳送至錨塔處。在兩錨塔導線掛盤處，掛接研究電暈特性的多分裂導線，沿電暈籠的1/2高度穿過。電暈電流測量裝置的電阻傳感器連接在電暈籠內層網與外層網之間，由于外層網直接接地，電暈電流測量傳感器另一端入地。整個測量系統利用光纖通信的抗干擾、隔離強、傳輸快、損耗低等優點，將電暈電流信號從遠程端安全傳輸到本地端，實現試驗人員的遠程操作，使整個高壓測試回路與測量控制設備隔絕開來，保證設備與人員的高度安全。最后，本地試驗人員可通過上位機軟件實現電暈電流測量的遠程監控。優選地，其中所述裝置位于斜頂式結構裝置之中，便于防雨。

圖10為根據本發明實施方式的高壓輸電線路電暈電流測量方法1000的流程圖。如圖10所示，所述電暈電流測量方法1000從步驟1001處開始，在步驟1001將電阻傳感器連接于電暈籠測量段和外層網之間。優選地，在步驟1002將光電轉換單元的光信號輸出端通過光纖與電暈電流測量本地端連接。優選地，在步驟1003，進行加壓試驗并對電暈電流進行測量。優選地，在步驟1004將上述測量的電暈電流傳輸至電暈電流測量本地端，完成對高壓輸電線路電暈電流的測量。

已經通過參考少量實施方式描述了本發明。然而，本領域技術人員所公知的，正如附帶的專利權利要求所限定的，除了本發明以上公開的其他的實施例等同地落在本發明的范圍內。

通常地，在權利要求中使用的所有術語都根據他們在技術領域的通常含義被解釋，除非在其中被另外明確地定義。所有的參考“一個/所述/該[裝置、組件等]”都被開放地解釋為所述裝置、組件等中的至少一個實例，除非另外明確地說明。這里公開的任何方法的步驟都沒必要以公開的準確的順序運行，除非明確地說明。