CN201226292Y - 特高压输电线路电子式电流互感器及其电晕损失测量装置 - Google Patents

Abstract

一种特高压输电线路电子式电流互感器及其电晕损失测量装置，它包括电子式电流互感器、特高压电容式电压互感器、二次分压用铁芯线圈和工控机；电子式电流互感器包括电阻采样单元、远方模块、光纤复合绝缘子和本地模块；本地模块的输出与工控机的DAQ－2006数据采集卡连接；电阻采样单元和远方模块悬挂在相导线始端；特高压电容式电压互感器安装在特高压变压器套管出线端，其中间变压器的二次绕组接线端子和二次分压用铁芯线圈电连接，二次分压用铁芯线圈输出信号进行电/光变换，用光缆传给电压测量用的本地模块，然后被工控机的DAQ－2006数据采集卡采集。它测量准确度高，没有绝缘问题，操作方便，不存在安全隐患。

Description

特高压输电线路电子式电流互感器及其电晕损失测量装置

技术领域

本实用新型属于输电线路高压测量领域，涉及一种电晕损失测量装置，具体地说涉及特高压输电线路电晕损失测量装置，其适用于1000kV电压等级输电线路的电晕损失的长期监测，也适用于1000kV电压等级输电线路电能损失的测量和评价，同时对特高压输电线路导线结构选型也具有重要意义。

背景技术

当输电线路导线周围电场强度超过空气击穿场强时，邻近导线附近的空气产生电离形成电晕放电。因电晕放电产生的带电离子在交变电压作用下在导线周围往返运动，伴随着空气电离还会产生光和无线电干扰，这些效应消耗的能量，统称为电晕损失。

在确定1000kV特高压输电线路导线结构时，不仅要考虑导线通过电流时的电阻损耗，而且要考虑不同导线结构条件下的电晕损失。在某些特殊条件下，线路通过地区气候非常恶劣，雨、雪、霜、雾天气占全年的比例很大，电晕损失造成的电能总损失可能成为主要的控制因素。

上世纪六七十年代，美国、前苏联、加拿大、意大利、法国、日本等国为了各国输电线路的建设，相继建立了试验线段，开展了电晕损失的测量研究。由于受各国输电电压等级的限制，大多数国家开展的电晕损失研究局限于超高压输电线路，仅美国、前苏联和意大利等极少数国家做过特高压试验线路的相关试验。到目前为止，国外这类特高压电晕损失试验持续的时间较短、试验经历的气象条件还不周全、导致试验数据很不完备，需要进一步开展长时间的试验和实测研究。

早期我国西北地区330kV线路建成前，为了得到电晕损失的设计依据，先后在北京清河和云南海子头建立相应的试验线段，进行了电晕损失的测量研究。接着又将清河330kV线段改建成500kV线段进行过500kV线路电晕损失测量。武汉高压研究所于80年代在武汉建设了1km500kV试验线段，并进行过线路的电晕损失测量。但是到目前为止，我国特高压输电线路的电晕损失测量基本没有开展，特高压电晕损失的相关计算基本参考国外的相关数据，而这类可参考实测数据很少，很不完备。

我国目前正在积极地进行特高压技术方面的研究，输电线路电晕损失研究是我国1000kV特高压输变电工程的关键技术之一，迫切需要研制能够长期准确测量特高压输电线路电晕损失的装置。早期的电晕损失测量经常使用经改装为自动平衡的西林电桥来进行，且在进行试验线段的测量时需要反接，电桥处于高电位区。这种测量方法操作不方便，对人身和设备存在一定的安全隐患，很难实现长时间不同气候条件下的实时在线检测。

传统的高压电流测量采用基于电磁感应原理的电磁式电流互感器(CurrentTransformer，CT)。其采用铁芯线圈用于测量通道，采用罗可夫斯基线圈用于保护通道。传统的电磁式CT测量稳态电流的精度可以达到万分之几甚至更高，然而，随着电力系统容量的不断增大，电压等级的不断提高，电磁式CT由于自身原理上的缺陷，而越来越难以满足电力系统的发展需要。短路故障情况下，铁芯线圈会出现严重的磁饱和现象，导致二次输出电流波形严重失真，不能准确反映短路时的过渡过程。而在电流波形发生畸变的情况下，罗可夫斯基线圈的准确度不够高。所以采用传统的电磁式CT在电流波形畸变时，不能非常准确地反映电流信息。

发明内容

本实用新型的目的是针对传统测量电晕损失测量方法所存在的缺陷，提供一种特高压输电线路电子式电流互感器及其电晕损失测量装置，它测量准确度高，没有绝缘问题，操作方便，不存在安全隐患，并且能实现对特高压输电线路电晕损失的长时间在线测量。

本实用新型的技术解决方案是：一种特高压输电线路电子式电流互感器，其特征在于：它包括电阻采样单元、远方模块、光纤复合绝缘子和本地模块，电阻采样单元与远方模块电连接，远方模块通过光纤复合绝缘子与本地模块光连接；

所述的电阻采样单元包括依次电连接的前导电铜棒、铜箔、电路板、精密无感电阻和后导电铜棒；

所述的远方模块包括电连接的高压侧A/D转换模块和电/光变换模块，光电能转换模块分别与高压侧A/D转换模块和电/光变换模块电连接；

所述的本地模块包括信号处理电路与D/A转换模块、光/电变换模块、激光器、电源、驱动电路；光/电变换模块与信号处理电路与D/A转换模块电连接，驱动电路与激光器电连接，电源给信号处理电路与D/A转换模块、光/电变换模块、驱动电路和激光器提供电能；

电阻采样单元中精密无感电阻的两端输出电压信号到远方模块中的高压侧A/D转换模块。

一种采用上述特高压输电线路电子式电流互感器的特高压输电线路电晕损失测量装置，其特征在于：它包括电子式电流互感器、特高压电容式电压互感器、二次分压用铁芯线圈和工控机；

所述电子式电流互感器包括电阻采样单元、远方模块、光纤复合绝缘子和本地模块，电阻采样单元远方模块电连接，远方模块通过光纤复合绝缘子与本地模块光连接；本地模块的输出与工控机的DAQ-2006数据采集卡连接；

电子式电流互感器的电阻采样单元和远方模块悬挂在相导线始端；

特高压电容式电压互感器安装在特高压变压器套管出线端，特高压电容式电压互感器中间变压器的二次绕组接线端子和二次分压用铁芯线圈电连接，二次分压用铁芯线圈输出信号进行电/光变换，用光缆传给电压测量用的本地模块，然后被工控机的DAQ-2006数据采集卡采集。

如上所述的特高压输电线路电晕损失测量装置，其特征在于：工控机分别与风速传感器、温湿度传感器和瞬时雨量计电连接。

本实用新型的原理是：电流信号提取部分，采用电子式电流互感器，用大功率的精密无感电阻作为电流传感器，这样可以保证电阻本身不会被瞬态电压和电流破坏。将电阻串联接入特高压输电线路导线中，并且由于电阻精密无感，导线中的电流流过电阻，在电阻两端产生与导线电流同相位的电压信号，保证波形没有畸变，能够准确的反映电流信息，通过电光转换，应用光纤传输电流信号，在控制室内通过光电转换还原电流信号，实现特高压输电线路电流的准确可靠测量；电压信号提取部分，采用1000kV电容式电压互感器(CVT)，经过二次分压，通过电光转换，应用光纤传输电压信号，在控制室内通过光电转换还原电压信号，实现电压的准确可靠测量。采用DAQ-2006数据采集卡采集电压和电流信号，基于虚拟仪器技术开发软件，实时计算电晕损失。

本实用新型具有下列有益效果：

1、在电流发生畸变时非常准确地反映电流信息

大功率的精密无感电阻作为电流传感器，这样可以保证电阻本身不会被瞬态电压和电流破坏，将精密无感电阻串联接入特高压输电线路导线中，导线中的电流流过电阻，在电阻两端产生电压信号，由于电阻精密无感，产生的电压信号与导线电流信号同相位的，保证波形不会发生二次畸变。由于高压端不接地和等电位，数据信息由光纤传输，绝缘简单、抗电磁干扰能力强、结构紧凑、体积小、重量轻、综合成本低。电子式电流互感器满足IEC标准中规定的0.2级要求，能够准确测量特高压输电线路电流。

2、操作方便，不存在安全隐患

电压电流信号通过光纤传输，从而使高压端和低压端没有电气联系，没有电绝缘的问题，在主控室内工控机上进行软件操作，操作方便，没有安全隐患。

3、能实现长时间在线测量

整套装置可以全天候运行，通过1000kV电容式电压互感器和电子式电流互感器实时测量电压和电流信号，对采集到的数据进行实时计算分析，得出电晕损失结果，从而实现长时间在线测量。并且可以自动保存电晕损失监测结果，今后可结合当时的气象参数，为特高压输电线路电晕损失规律的进一步深入研究奠定基础。

附图说明

图1、本实用新型实施例的特高压输电线路电晕损失测量装置结构示意图。

图2、本实用新型实施例的电子式电流互感器1.3的结构示意图。

图3、图2中电阻采样单元2.1的结构示意图。

图4、图3中电路板3.3的结构图。

图5、电阻采样单元2.1电气连接图。

图6、1000kV电容式电压互感器。

图7、软件流程框图。

图8、电晕损失监测结果。

具体实施方式

图1中标记的说明：1.1—特高压变压器；1.2—特高压线路；1.3—电子式电流互感器；1.4—电容式电流互感器；1.5—风速传感器；1.6—温湿度传感器；1.7—瞬时雨量计；1.8—工控机。

图2中标记的说明：2.1—电阻采样单元；2.2—远方模块；2.3—高压侧A/D转换模块；2.4—高压侧数字信号；2.5—电/光变换模块；2.6—光电能转换模块；2.7—光纤符合绝缘子；2.8—本地模块；2.9—信号处理电路与D/A模块；2.10—光/电变换；2.11—激光器；2.12—电源；2.13—驱动电路；2.14—输出端口。

图3中标记的说明：3.1—导电铜棒；3.2—铜箔；3.3—电路板；3.4—精密无感电阻；3.5—螺丝；3.6—环氧树脂板。

图4中标记的说明：3.4—精密无感电阻；4.1—敷铜；4.3—瞬态电压抑制器；4.4—压敏电阻；4.5—精密电阻的串入端；4.6—精密电阻的测量端；4.7—测量端子。

图5中标记的说明：5.1—子导线；5.2—绝缘联板；5.3—阻波器；3.4—精密无感电阻。

图6中标记的说明：6.1—高压电容；6.2—中压电容；6.3—补偿电抗器；6.4—阻尼装置；6.5—保护装置；6.6—载波通讯端子；6.7—中间电压变压器；6.8—电容分压器的中间电压端子；6.9—电磁装置的—次电压端子；6.10—二次绕组接线端子；6.11—剩余电压绕组接线端子和阻尼器绕组端子；6.12—补偿电抗器的低压端子。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型其适用于1000kV电压等级输电线路的电晕损失的长期监测，也适用于1000kV电压等级输电线路电能损失的测量和评价。

如图1所示，本实用新型实施例的基本结构主要由电流信号提取部分，电压信号提取部分，电晕损失计算三部分组成，同时可以扩展辅以风速传感器1.5、温湿度传感器1.6、瞬时雨量计1.7等装置获得相应的气象参数。

如图2、图3、图4所示，应用电子式电流互感器1.3的电阻采样单元2.1设计电路板3.3，将定制的精密无感电阻3.4串联接入电阻采样单元2.1中，由电阻采样单元2.1的金具进行屏蔽，同时加装瞬态电压抑制器(Transient Voltage Suppressor，TVS)4.3和压敏电阻4.4，保护特高压输电线路电晕损失测量装置。结合光纤传输系统的高绝缘性、抗电磁干扰等优点，在高压端提取电流信号，经高压侧A/D转换模块2.3调制成数字电信号，再由电/光变换模块2.5转化为数字光信号，经光纤复合绝缘子2.7中的光纤传送到低压端由光/电变换模块2.10转变为数字电信号，然后由信号处理电路与D/A模块2.9解调恢复成和待测电流成比例的弱电信号，并获得电流幅值和相位信息。信号传输到主控室内，由安装在工业控制计算机内的数据采集卡采集。采用DAQ-2006高精度多通道高速同步数据采集卡，其性能参数如下：4通道模拟输入(AI)同步采集，采样分辨率16位，增益可调，采样范围为±1.25V，±2.5V，±5V，±10V，最高采样率250KS/s，

边相的电子式电流互感器1.3的电阻采样单元2.1和远端模块2.2通过加工的机械紧固件，悬挂在鼠笼跳线内，中相的电子式电流互感器1.3的电阻采样单元2.1和远端模块2.2通过加工的机械紧固件，悬挂在均压环内。电阻采样单元2.1的导电铜棒3.1，通过阻波器5.3串入相导线5.1中(见附图5)。

如图1所示，应用1000kV电容式电压互感器(CVT)测量特高压输电线路相电压。

软件流程如图7所示。所测量到的电压信号和电流信号，均由光缆传输到主控室内，由集成在工业控制计算机柜内的电子式电流互感器本地模块2.8解调。在工业控制计算机上基于“软件即设备”思想，采用虚拟仪器技术，应用DAQ-2006高精度同步数据采集卡，实现电压信号、电流信号的准确、同步测量。应用LabVIEW软件开发的特高压输电线路电晕损失监测系统，通过软件的方法补偿系统的固有误差，提高特高压输电线路电晕损失的测量精度。提取电压信号、电流信号的工频分量，采用正弦波算法，通过对电压信号、电流信号初始相位的象限判断和相位校正，能够准确求得电压信号、电流信号的初始相位，从而求出电压信号和电流信号工频分量的功率因数角，进而计算得出电晕损失值。

本实用新型实施例的工作过程是：精密无感电阻3.4串联接入特高压输电线路导线中，导线中的电流流过精密无感电阻3.4，在精密无感电阻3.4两端产生电压信号，此处电压信号为模拟信号，通过信号导线传输到高压侧A/D转换模块2.3，转换为数字电信号，然后经过电/光变换模块2.5，转变为数字光信号。电阻采样单元2.1与位于高压侧的远方模块中的高压侧A/D转换模块2.3、电/光变换模块2.5和光电能转换模块2.6，都安装在屏蔽金具中。数字电流信号的数字光信号，通过信号光纤传输到位于低压侧的主控室内的本地模块2.8，通过光/电变换模块2.10转变为数字电信号，然后通过信号处理电路与D/A转换模块2.9还原为特高压输电线路电流的模拟信号，该信号由工控机的DAQ-2006数据采集卡采集。

大功率的精密无感电阻3.4作为电流传感器，这样可以保证电阻本身不会被瞬态电压和电流破坏，将精密无感电阻串联接入特高压输电线路导线中，由于精密无感电阻3.4精密无感，所以产生的电压信号与导线电流信号同相位，这样就保证了波形不会发生二次畸变，从而能够准确的反映电流信息。能量光纤将电能传输到光电能转换模块2.6，然后光电能转换模块2.6将光能转换为电能，为高压侧A/D转换模块2.3和电/光变换模块2.5供能。

特高压电容式电压互感器1.4安装在特高压变压器1.1套管出线端，特高压电容式电压互感器1.4中间变压器的二次绕组接线端子和二次分压用铁芯线圈1.9连接，电压信号经过二次分压后，信号的调制、传输和解调与电流信号提取部分的原理相同。在高压侧电压信号经过二次分压后，通过信号导线传输到高压侧A/D转换模块2.3，转换为数字电信号，然后经过电/光变换模块2.5，转变为数字光信号。在进行A/D转换和电/光变换的过程中，高压侧A/D转换模块2.3和电/光变换模块2.5均需要电能，能量光纤将电能传输到光电能转换模块2.6，然后光电能转换模块2.6将光能转换为电能，为高压侧A/D转换模块2.3和电/光变换模块2.5供能。二次分压用铁芯线圈1.9，高压侧A/D转换模块2.3，电/光变换模块2.5，以及光电能转换模块2.6，均位于高压侧，安装在铝合金转接箱中。数字电压信号的数字光信号，通过信号光纤传输到位于低压侧的主控室内的本地模块2.8，通过光/电变换模块2.10转变为数字电信号，然后通过信号处理电路与D/A转换模块2.9还原为相电压的模拟信号，电压信号由DAQ-2006数据采集卡采集到工控机。

特高压输电线路的电流信号和相电压信号均由位于低压侧主控室内的DAQ-2006数据采集卡采集到工控机。DAQ-2006数据采集卡安装在工控机的PCI插槽内，工控机，UPS不间断电源，以及用于解调电流信号和电压信号的两块本地模块2.8，均安装在标准的工控机柜内。工控机安装有基于虚拟仪器技术开发的电晕损失监测软件，应用正弦波算法，针对采集到的电压信号和电流信号可以实时计算出电晕损失结果，并实现对监测到的结果自动保存。

本实用新型测量实例如下：

目前已应用此系统，对国网武汉高压研究院特高压交流试验基地单回试验线段的边相和中相试验线段的电晕损失进行了一段时间的监测。在主控室内，打开工控机柜，开启电源开关，电子式电流互感器和光纤传输通道开始运行，启动工控机，运行软件，输入账户名和密码，登陆并运行电晕损失监测系统。电压信号和电流信号在高压侧通过远方模块2.2光电转换，转变为光信号，通过光缆传输到位于低压侧的主控室，通过本地模块2.8，解调还原为电压信号和电流信号的模拟信号，经DAQ-2006同步数据采集卡采集，系统开始监测电压波形和电流波形。后台程序通过数字滤波，提取出电压信号和电流信号的基波成分，移动电流信号的基波的采样点，对电流信号的基波成分进行数字移相，从而尽量减小系统的固有误差，提高了系统的测量精度。针对电压信号和电流信号的基波成分采用正弦波参数法实时计算出电晕损失值。正弦波参数法的计算方法如下：

设电晕电流i(t)＝I_msin(ωt+φ_i)，相电压u(t)＝U_msin(ωt+φ_i)，则电流i(t)和电压u(t)可展开为

i(t)＝D₀ sin ωt+D₁ cos ωt     (1)

u(t)＝C₀ sin ωt+C₁ cos ωt     (2)

式中，D₀＝I_m cosφ_i，D₁＝I_m sin φ_i，C₀＝U_m cosφu，C₁＝U_m cosφ_u。

根据三角函数的正交性，可以计算导出计算D₀，D₁，C₀，C₁的公式：

$D_0=\frac{2}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}i\left(t\right)\sin \mathrm{\ω}{\mathrm{td}}_t---\left(3\right)$

$D_1=\frac{2}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}i\left(t\right)\cos \mathrm{\ω}{\mathrm{td}}_t---\left(4\right)$

$C_0=\frac{2}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}u\left(t\right)\sin \mathrm{\ω}{\mathrm{td}}_t---\left(5\right)$

$C_1=\frac{2}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}u\left(t\right)\cos \mathrm{\ω}{\mathrm{td}}_t---\left(6\right)$

由此可得：

φ_i＝tan^-1(D₁/D₀)，φ_u＝tan^-1(C₁/C₀)   (7)

计算可得

                                 (8)

输电线路相电压和相导线电流的有效值已经由程序实时测出，然后根据电晕损失公式

就可以实时计算出特高压输电线路电晕损失的结果。自动保存电晕损失监测结果，以便今后对特高压输电线路的电晕损失的规律作进一步的深入研究和分析。

在2008年1月13日至1月15日，试验基地经历了两次降雪，当时的电晕损失监测结果如图8所示。

Claims (3)

1、一种特高压输电线路电子式电流互感器，其特征在于：它包括电阻采样单元(2.1)、远方模块(2.2)、光纤复合绝缘子(2.7)和本地模块(2.8)，电阻采样单元(2.1)远方模块(2.2)电连接，远方模块(2.2)通过光纤复合绝缘子(2.7)与本地模块(2.8)光连接；

所述的电阻采样单元(2.1)包括依次电连接的前导电铜棒(3.1)、铜箔(3.2)、电路板(3.3)、精密无感电阻(3.4)和后导电铜棒(3.1)；

所述的远方模块(2.2)包括电连接的高压侧A/D转换模块(2.3)和电/光变换模块(2.5)，光电能转换模块(2.6)分别与高压侧A/D转换模块(2.3)和电/光变换模块(2.5)电连接；

所述的本地模块(2.8)包括信号处理电路与D/A转换模块(2.9)、光/电变换模块(2.10)、激光器(2.11)、电源(2.12)、驱动电路(2.13)；光/电变换模块(2.10)与信号处理电路与D/A转换模块(2.9)电连接，驱动电路(2.13)与激光器(2.11)电连接，电源(2.12)给信号处理电路与D/A转换模块(2.9)、光/电变换模块(2.10)、驱动电路(2.13)和激光器(2.11)提供电能；

电阻采样单元(2.1)中精密无感电阻(3.4)的两端输出电压信号到远方模块(2.2)中的高压侧A/D转换模块(2.3)。

2、一种采用权利要求1所述特高压输电线路电子式电流互感器的特高压输电线路电晕损失测量装置，其特征在于：它包括电子式电流互感器(1.3)、特高压电容式电压互感器(1.4)、二次分压用铁芯线圈(1.9)和工控机；

所述电子式电流互感器(1.3)包括电阻采样单元(2.1)、远方模块(2.2)、光纤复合绝缘子(2.7)和本地模块(2.8)，电阻采样单元(2.1)远方模块(2.2)电连接，远方模块(2.2)通过光纤复合绝缘子(2.7)与本地模块(2.8)光连接；本地模块(2.8)的输出与工控机的DAQ-2006数据采集卡连接；

电子式电流互感器(1.3)的电阻采样单元(2.1)和远方模块(2.2)悬挂在相导线始端；

特高压电容式电压互感器(1.4)安装在特高压变压器(1.1)套管出线端，特高压电容式电压互感器(1.4)中间变压器的二次绕组接线端子和二次分压用铁芯线圈(1.9)电连接，二次分压用铁芯线圈(1.9)输出信号进行电/光变换，用光缆传给电压测量用的本地模块(2.8)，然后被工控机的DAQ-2006数据采集卡采集。

3、如权利要求2所述的特高压输电线路电晕损失测量装置，其特征在于：工控机分别与风速传感器(1.5)、温湿度传感器(1.6)和瞬时雨量计(1.7)电连接。

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