交直流并行输电线路地面离子流密度测量系统及其测量方法

摘要

本发明涉及交直流并行输电线路地面离子流密度测量系统及其测量方法，属于高压输电线路电磁环境技术领域，该系统主要包括依次相连的离子流板，示波器和储存有离子流密度分析程序的计算机的三部分；该方法包括：读取离子流板校准数据；设置示波器采样频率；对采样数据进行频谱分析，搜索峰值频率；提取直流分量，计算离子流密度直流成分；进行谐波分析，计算离子流密度交流成分；存储离子流密度频谱。采用本发明成功地用交直流并行输电线路地面离子流密度测量系统对交直流输电线路地面离子流密度的直流和交流分量进行了测量。

权利要求

1.一种交直流并行输电线路地面离子流密度测量系统，其特征在于，该系统主要包括依次相连的离子流板、示波器和储存有离子流密度分析程序的计算机三部分；

该离子流板，用于接收向地面运动的空间电荷的时域信号；

该示波器，用于对离子流板获得的时域信号进行采样，显示采样信号，并将采样结果送至计算机；

该储存有离子流密度分析程序的计算机，用于对所述采样的交变电流的时域信号进行傅立叶变换，排除感应电流部分，分析得到测量位置离子流密度的交流、直流成分。

2.采用如权利要求1所述的系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)读取离子流板校准数据：离子流板使用前需要根据离子流板面积计算离子电流密度ρ与离子流板测得电流Iout的比值COEF作为校准数据，并将该校准数据存入计算机，在每次测量开始时读取；

(2)设置示波器采样频率：示波器采样频率fs的取值范围为：

10×fh≤fs≤5×Ns

式中：fh为50Hz工频；Ns为示波器采样点数；并通过GPIB接口对示波器进行设置；

(3)对采样数据进行频谱分析，搜索峰值频率：控制示波器对离子流板输出信号进行读取，得到时域波形，对此信号的时域波形进行快速傅立叶变换得到频谱；查找离子流板输出信号的频谱中局部极值点，记录各峰值频率fp和峰值幅值Ip作为后续分析的依据；

(4)提取直流分量，计算离子流密度直流成分：通过对时域波形滤波后先求平均，再乘以校准数据得到离子流密度直流幅值；

(5)进行谐波分析，计算离子流密度交流成分：根据频率50Hz的半周正弦波中100Hz谐波分量幅值与50Hz基波幅值比例为0.4248，用测量信号频谱中工频2次谐波幅值除以

0.4248，得到50Hz交流离子电流幅值，再乘以校准数据，得到50Hz交流离子电流密度；

(6)存储离子流密度频谱：将分析得到的离子流密度频谱信息存储在计算机中备用。

说明书

交直流并行输电线路地面离子流密度测量系统及其测量方

法

技术领域

[0001] 本发明属于高压输电线路电磁环境技术领域，特别涉及交直流并行高压输电线路下地面离子流密度测量系统的开发。

背景技术

[0002] 随着电力系统建设的高速发展，在电站、变电站等电力传输密集区域交直流并行输电的应用越来越多。特别是特高压直流电网建设中，一方面换流站出口附近直流交流线路汇于一处，且可能路径相同，将交直流线路相邻架设甚至共走廊可以大量节省占地，并降低设计难度；另一方面新增的长距离跨区域直流输电线路如果能共用已有的交流输电走廊，可以带来显著的经济效益和社会效益。

[0003] 然而交直流并行输电可能带来一些负面效应，其中对并行线路附近电磁环境的污染是必须关注的问题。高压输电线路附近电磁环境污染程度主要用以下物理量衡量：无线电干扰、可听噪声、地面电场、地表离子流密度。目前针对以上物理量的测量装置只适用于单独的直流线路或交流线路，若直接应用在交直流并行线路则或交直流不能兼顾难以获得真实值，或不能区分交流和直流引起的效应难以对主要电磁污染源做出评判。 [0004] 直流线路下离子流密度一般使用离子流板进行测量，但存在交流电场时由于电容效应会在离子流板上形成感应电流，影响对直流离子流密度的测量。一般认为交流线路电晕放电时空间电荷在导线附近做往复运动，地面附近不存在空间电荷，但在交直流混合线路下地面附近存在由直流线路电晕放电产生的空间电荷，这些空间电荷在交流电场的作用下会在地面产生非直流的离子电流，使用传统方法难以考虑这些效应。 发明内容

[0005] 本发明的目的是为了对交直流并行输电线路地面离子流密度进行测量，提出一种交直流并行输电线路地面离子流密度测量系统及其方法，可以测量地面离子流密度的直流成分和交流成分，从而反映交直流混合电场作用下地面附近空间电荷的运动状态；还可以对地面离子流密度进行实时连续测量，有利于交直流并行线路电磁环境的长时间在线检测。

[0006] 本发明提出的交直流并行输电线路地面离子流密度测量系统，其特征在于，该系统主要包括依次相连的离子流板、示波器和储存有离子流密度分析程序的计算机三部分； [0007] 该离子流板，用于接收向地面运动的空间电荷的时域信号；

[0008] 该示波器，用于对离子流板获得的时域信号进行采样，显示采样信号，并将采样结果送至计算机；

[0009] 该储存有离子流密度分析程序的计算机，用于对所述采样的交变电流的时域信号进行傅立叶变换，排除感应电流部分，分析得到测量位置离子流密度的交流、直流成分。 [0010] 采用如上述的系统的交直流并行输电线路地面离子流密度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0011] (1)读取离子流板校准数据：离子流板使用前需要根据离子流板面积计算离子电2
流密度ρ(以μA/m 为单位)与离子流板测得电流Iout(以μA为单位)的比值COEF作为校准数据，并将该校准数据存入计算机，在每次测量开始时读取。

[0012] (2)设置示波器采样频率：示波器采样频率fs的取值范围为：

[0013] 10×fh≤fs≤5×Ns

[0014] 式中：fh为50Hz工频；Ns为示波器采样点数；并通过GPIB接口对示波器进行设置；

[0015] (3)对采样数据进行频谱分析，搜索峰值频率：控制示波器对离子流板输出信号进行读取，得到时域波形，对此信号的时域波形进行快速傅立叶变换得到频谱；查找离子流板输出信号的频谱中局部极值点，记录各峰值频率fp和峰值幅值Ip作为后续分析的依据； [0016] (4)提取直流分量，计算离子流密度直流成分：测量信号中的直流成分和交流成分分别处理。直流信号幅值可通过对时域波形滤波后求平均得到。

[0017] (5)进行谐波分析，计算离子流密度交流成分：用测量信号频谱中工频2次谐波即100Hz分量幅值反推交流离子电流幅值，频率50Hz的半周正弦波中100Hz谐波分量幅值与
50Hz基波幅值比例为0.4248，所以50Hz交流离子电流幅值为测量信号中100Hz分量幅度值的1/0.4248＝2.354倍。

[0018] (6)存储离子流密度频谱：将分析得到的离子流密度频谱信息存储在计算机中备用。

[0019] 本发明特点及有益效果：

[0020] 本发明提出的交直流并行输电线路地面离子流密度测量系统是首次提出对交直流并行线路下离子流密度的测量方法，其优点是可以测量地面离子流密度的直流成分和交流成分，从而反映交直流混合电场作用下地面附近空间电荷的运动状态；另外本系统可以对地面离子流密度进行实时连续测量，有利于交直流并行线路电磁环境的长时间在线检测。

[0021] 本发明成功地用交直流并行输电线路地面离子流密度测量系统对交直流混合线路下地面离子流密度进行了测量，并兼顾了其中的直流和交流成分。

[0022] 本发明可为交直流并行线路附近电磁环境监测提供一种工具，同时也为交直流并行线路电磁环境特性的科学研究提供一种手段。

附图说明

[0023] 图1为本发明的交直流并行输电线路地面离子流密度测量系统组成示意图。 [0024] 图2为本发明的离子流板原理图。

[0025] 图3为本发明的离子流板输出电流信号波形图。

[0026] 图4为本发明的离子流板输出电流信号频谱图。

[0027] 图5为采用本发明系统的交直流并行输电线路地面离子流密度测量流程图。 [0028] 图6为本发明的交直流并行输电线路地面离子流密度测量方法流程图。 [0029] 具体实施方式

[0030] 本发明提出的交直流并行输电线路地面离子流密度测量系统及其测量方法结合附图及实施例详细说明如下：

[0031] 本发明的总体结构如图1所示，包括离子流板、示波器、存有离子流密度分析程序的计算机三部分，其中：

[0032] 该离子流板，用于接收向地面运动的空间电荷的时域信号；

[0033] 该示波器，用于对离子流板获得的时域信号进行采样，显示采样信号，并将采样结果送至计算机；

[0034] 该储存有离子流密度分析程序的计算机，用于对所述采样的交变电流的时域信号进行傅立叶变换，排除感应电流部分，分析得到测量位置离子流密度的交流、直流成分。 [0035] 本发明各组成部件的实施例结构及功能分别说明如下：

[0036] 本发明的离子流板结构如图2所示，由接收板1、屏蔽环2、采样电阻3组成，接收板为一方形金属板，被绝缘材料与地面分隔，并通过采样电阻接地，空间电荷移动至接收板后经过金属板、采样电阻、地面的路径形成电流，通过测量采样电阻上的电压可以得到此电流。在接收板周围设置一定宽度的金属屏蔽环可以减小离子流板对周围电场引起的畸变，提高测量精度。

[0037] 当只存在直流电场时，离子流密度不随时间变化，流过采样电阻的电流为直流，用电流表即可读取测量数据。但当外电场为非直流时，离子流板测量到的信号如图3中曲线a所示，信号中主要包含空间交流电场感应电流、离子电流直流成分、离子电流交流成分三部分，还可能包含交流谐波成分，各成分混杂在一起难以分析。将测量电流信号进行傅立叶变换得到其频谱，如图4所示，离子电流直流成分对应频谱中的直流分量，感应电流的交流成分与离子电流的交流成分及其谐波分量形成多个频率峰值(如图中的A-F)，对各峰值频率和幅度的分析可以得到离子电流的不同频率分量(通过选择合适的离子流板尺寸、采样电阻阻值和由测量电流频谱反推离子流密度不同频率分量计算得到)。

[0038] 本发明的一个实施例中，离子流板形状如图2所示，接收板面积Sp＝0.0816m2，屏蔽环宽度5cm，采样电阻1MΩ。

[0039] 本实施例的示波器选用Tektronix公司的TDS2024数字存储示波器，通过GPIB接口与计算机连接。测量对象为实验室架设的缩尺交直流并行线路模型，如图5所示(改为图5且图中标号不能与图3中所用的重复，请重新编号不要圆圈)，用直径1.5mm铁丝作为导线(1)，导线长度2.2m，两根导线平行布置，高度80cm，间距40cm，在两根导线分别施加16kV，50Hz交流电压(2)和50kV直流电压(3)，测量位置(4)在模型中心的地面上。 [0040] 使用储存有离子流密度分析程序的计算机控制示波器、读取采样数据、分析数据得到地面离子流密度信息。

[0041] 本发明的计算机可采用通用的PC机，要求CPU主频1.8GHz以上，内存1G以上，安装有WindowsXP操作系统。

[0042] 本发明提出的采用上述系统的交直流并行输电线路地面离子流密度测量方法流程如图6所示，包括以下步骤：

[0043] (1)读取离子流板校准数据：离子流板使用前需要根据离子流板面积计算离子电2
流密度ρ(以μA/m 为单位)与离子流板测得电流Iout(以μA为单位)的比值COEF作为校准数据，并将该校准数据存入计算机，在每次测量开始时读取；本实施例中COEF＝1/Sp
2
＝12.255(1/m)。

[0044] (2)设置示波器采样频率：(选择示波器采样频率时既要保证覆盖主要频谱，又要保证足够的频率分辨率)示波器采样频率fs的取值范围为：

[0045] 10×fh≤fs≤5×Ns (1)

[0046] 式中：fh为50Hz工频；Ns为示波器采样点数(本实施例中为2500)故本例中示波器采样频率fs的选择范围是500Hz≤fs≤12.5kHz，本实施例设置fs＝5kHz，并通过GPIB接口对示波器进行设置；

[0047] (3)对采样数据进行频谱分析，搜索峰值频率：控制示波器对离子流板输出信号进行读取，得到时域波形(如图3中曲线a所示)，对此信号的时域波形进行快速傅立叶变换得到频谱(如图4中曲线b所示，频谱主要由数个峰值构成(A—F))；查找离子流板输出信号的频谱(曲线b)中局部极值点，记录各峰值频率fp和峰值幅值Ip作为后续分析的依据。

[0048] 本实施例中峰值A—F的频率和幅值如下：

[0049]编号峰值频率fp(Hz) 幅值Ip(μA)
A 50 0.190
B 100 0.0147
C 150 0.0702
D 250 0.0173
E 350 0.0234
F 450 0.0710

[0050] (4)提取直流分量，计算离子流密度直流成分：(测量信号中的直流成分和交流成分分别处理。直流信号幅值高，且无谐波问题)可通过对时域波形滤波后先求平均，再乘以校准数据得到离子流密度直流幅值；

[0051] 本实施例中时域波形平均值Ip(0)＝1.461μA，地面离子流密度直流分量ρ(0)＝Ip(0)×COEF＝17.9(μA/m2)。

[0052] (5)进行谐波分析，计算离子流密度交流成分：(测量信号中的交流成分由交流场感应电流和交流离子电流两部分组成，交流离子电流部分为待测量，交流场感应电流需要滤除。测量信号频谱中除50Hz工频外还存在谐波分量，由于一般变压器奇次谐波较为严重而基本不存在偶次谐波，所以交流感应电流只对奇次谐波有贡献。而交流离子电流为只在交流与直流同极性的半周期内有值，另半周为0的半周期正弦波(这是因为离子流板只会接收电荷不能发射电荷)，因为半周波信号的频谱中会出现基频的偶次谐波，所以测量信号频谱中偶次谐波由交流离子电流产生)。根据频率50Hz的半周正弦波中100Hz谐波分量幅值与50Hz基波幅值比例为0.4248，用测量信号频谱中工频2次谐波(即100Hz分量)幅值除以0.4248，得到50Hz交流离子电流幅值，再乘以校准数据，得到50Hz交流离子电流密度；

[0053] 本实施例测量信号频谱中fp(A)＝50(Hz)为工频基频，fp(B)＝2×fp(A)为偶次谐波，fp(C)＝3×fp(A)、fp(D)＝5×fp(A)、fp(E)＝7×fp(A)、fp(F)＝9×fp(A)为奇次谐波。交流感应电流只对图4频谱曲线b中A、C、D、E、F等奇次谐波峰值有贡献，偶次谐波峰值B只与交流离子电流有关。故测量信号中交流离子电流幅值Ipq(50)＝Ip(100)×2.354＝0.0346(μA)，地面离子流密度交流分量ρ(50)＝Ipq(50)×COEF＝0.424(μA/m2)。 [0054] (6)存储离子流密度频谱：将分析得到的离子流密度频谱信息存储在计算机中备用。

[0055] 本实施例分析得到地面离子流密度直流分量为17.9μA/m2；50Hz交流分量为2
0.424μA/m。