特高壓輸電線路電子式電流互感器及其電暈損失測量裝置的製作方法

2023-05-29 07:04:26 1

專利名稱：特高壓輸電線路電子式電流互感器及其電暈損失測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於輸電線路高壓測量領域，涉及一種電暈損失測量裝置，具體地說涉及特高壓輸電線路電暈損失測量裝置，其適用於1000kV電壓等級輸電線路的電暈損失的長期監測，也適用於1000kV電壓等級輸電線路電能損失的測量和評價，同時對特高壓輸電線路導線結構選型也具有重要意義。

背景技術：
當輸電線路導線周圍電場強度超過空氣擊穿場強時，鄰近導線附近的空氣產生電離形成電暈放電。因電暈放電產生的帶電離子在交變電壓作用下在導線周圍往返運動，伴隨著空氣電離還會產生光和無線電幹擾，這些效應消耗的能量，統稱為電暈損失。
在確定1000kV特高壓輸電線路導線結構時，不僅要考慮導線通過電流時的電阻損耗，而且要考慮不同導線結構條件下的電暈損失。在某些特殊條件下，線路通過地區氣候非常惡劣，雨、雪、霜、霧天氣佔全年的比例很大，電暈損失造成的電能總損失可能成為主要的控制因素。
上世紀六七十年代，美國、前蘇聯、加拿大、義大利、法國、日本等國為了各國輸電線路的建設，相繼建立了試驗線段，開展了電暈損失的測量研究。由於受各國輸電電壓等級的限制，大多數國家開展的電暈損失研究局限於超高壓輸電線路，僅美國、前蘇聯和義大利等極少數國家做過特高壓試驗線路的相關試驗。到目前為止，國外這類特高壓電暈損失試驗持續的時間較短、試驗經歷的氣象條件還不周全、導致試驗數據很不完備，需要進一步開展長時間的試驗和實測研究。
早期我國西北地區330kV線路建成前，為了得到電暈損失的設計依據，先後在北京清河和雲南海子頭建立相應的試驗線段，進行了電暈損失的測量研究。接著又將清河330kV線段改建成500kV線段進行過500kV線路電暈損失測量。武漢高壓研究所於80年代在武漢建設了1km500kV試驗線段，並進行過線路的電暈損失測量。但是到目前為止，我國特高壓輸電線路的電暈損失測量基本沒有開展，特高壓電暈損失的相關計算基本參考國外的相關數據，而這類可參考實測數據很少，很不完備。
我國目前正在積極地進行特高壓技術方面的研究，輸電線路電暈損失研究是我國1000kV特高壓輸變電工程的關鍵技術之一，迫切需要研製能夠長期準確測量特高壓輸電線路電暈損失的裝置。早期的電暈損失測量經常使用經改裝為自動平衡的西林電橋來進行，且在進行試驗線段的測量時需要反接，電橋處於高電位區。這種測量方法操作不方便，對人身和設備存在一定的安全隱患，很難實現長時間不同氣候條件下的實時在線檢測。
傳統的高壓電流測量採用基於電磁感應原理的電磁式電流互感器(CurrentTransformer，CT)。其採用鐵芯線圈用於測量通道，採用羅可夫斯基線圈用於保護通道。傳統的電磁式CT測量穩態電流的精度可以達到萬分之幾甚至更高，然而，隨著電力系統容量的不斷增大，電壓等級的不斷提高，電磁式CT由於自身原理上的缺陷，而越來越難以滿足電力系統的發展需要。短路故障情況下，鐵芯線圈會出現嚴重的磁飽和現象，導致二次輸出電流波形嚴重失真，不能準確反映短路時的過渡過程。而在電流波形發生畸變的情況下，羅可夫斯基線圈的準確度不夠高。所以採用傳統的電磁式CT在電流波形畸變時，不能非常準確地反映電流信息。

發明內容
本實用新型的目的是針對傳統測量電暈損失測量方法所存在的缺陷，提供一種特高壓輸電線路電子式電流互感器及其電暈損失測量裝置，它測量準確度高，沒有絕緣問題，操作方便，不存在安全隱患，並且能實現對特高壓輸電線路電暈損失的長時間在線測量。
本實用新型的技術解決方案是一種特高壓輸電線路電子式電流互感器，其特徵在於它包括電阻採樣單元、遠方模塊、光纖複合絕緣子和本地模塊，電阻採樣單元與遠方模塊電連接，遠方模塊通過光纖複合絕緣子與本地模塊光連接； 所述的電阻採樣單元包括依次電連接的前導電銅棒、銅箔、電路板、精密無感電阻和後導電銅棒； 所述的遠方模塊包括電連接的高壓側A/D轉換模塊和電/光變換模塊，光電能轉換模塊分別與高壓側A/D轉換模塊和電/光變換模塊電連接； 所述的本地模塊包括信號處理電路與D/A轉換模塊、光/電變換模塊、雷射器、電源、驅動電路；光/電變換模塊與信號處理電路與D/A轉換模塊電連接，驅動電路與雷射器電連接，電源給信號處理電路與D/A轉換模塊、光/電變換模塊、驅動電路和雷射器提供電能； 電阻採樣單元中精密無感電阻的兩端輸出電壓信號到遠方模塊中的高壓側A/D轉換模塊。
一種採用上述特高壓輸電線路電子式電流互感器的特高壓輸電線路電暈損失測量裝置，其特徵在於它包括電子式電流互感器、特高壓電容式電壓互感器、二次分壓用鐵芯線圈和工控機； 所述電子式電流互感器包括電阻採樣單元、遠方模塊、光纖複合絕緣子和本地模塊，電阻採樣單元遠方模塊電連接，遠方模塊通過光纖複合絕緣子與本地模塊光連接；本地模塊的輸出與工控機的DAQ-2006數據採集卡連接； 電子式電流互感器的電阻採樣單元和遠方模塊懸掛在相導線始端； 特高壓電容式電壓互感器安裝在特高壓變壓器套管出線端，特高壓電容式電壓互感器中間變壓器的二次繞組接線端子和二次分壓用鐵芯線圈電連接，二次分壓用鐵芯線圈輸出信號進行電/光變換，用光纜傳給電壓測量用的本地模塊，然後被工控機的DAQ-2006數據採集卡採集。
如上所述的特高壓輸電線路電暈損失測量裝置，其特徵在於工控機分別與風速傳感器、溫溼度傳感器和瞬時雨量計電連接。
本實用新型的原理是電流信號提取部分，採用電子式電流互感器，用大功率的精密無感電阻作為電流傳感器，這樣可以保證電阻本身不會被瞬態電壓和電流破壞。將電阻串聯接入特高壓輸電線路導線中，並且由於電阻精密無感，導線中的電流流過電阻，在電阻兩端產生與導線電流同相位的電壓信號，保證波形沒有畸變，能夠準確的反映電流信息，通過電光轉換，應用光纖傳輸電流信號，在控制室內通過光電轉換還原電流信號，實現特高壓輸電線路電流的準確可靠測量；電壓信號提取部分，採用1000kV電容式電壓互感器(CVT)，經過二次分壓，通過電光轉換，應用光纖傳輸電壓信號，在控制室內通過光電轉換還原電壓信號，實現電壓的準確可靠測量。採用DAQ-2006數據採集卡採集電壓和電流信號，基於虛擬儀器技術開發軟體，實時計算電暈損失。
本實用新型具有下列有益效果 1、在電流發生畸變時非常準確地反映電流信息 大功率的精密無感電阻作為電流傳感器，這樣可以保證電阻本身不會被瞬態電壓和電流破壞，將精密無感電阻串聯接入特高壓輸電線路導線中，導線中的電流流過電阻，在電阻兩端產生電壓信號，由於電阻精密無感，產生的電壓信號與導線電流信號同相位的，保證波形不會發生二次畸變。由於高壓端不接地和等電位，數據信息由光纖傳輸，絕緣簡單、抗電磁幹擾能力強、結構緊湊、體積小、重量輕、綜合成本低。電子式電流互感器滿足IEC標準中規定的0.2級要求，能夠準確測量特高壓輸電線路電流。
2、操作方便，不存在安全隱患 電壓電流信號通過光纖傳輸，從而使高壓端和低壓端沒有電氣聯繫，沒有電絕緣的問題，在主控室內工控機上進行軟體操作，操作方便，沒有安全隱患。
3、能實現長時間在線測量 整套裝置可以全天候運行，通過1000kV電容式電壓互感器和電子式電流互感器實時測量電壓和電流信號，對採集到的數據進行實時計算分析，得出電暈損失結果，從而實現長時間在線測量。並且可以自動保存電暈損失監測結果，今後可結合當時的氣象參數，為特高壓輸電線路電暈損失規律的進一步深入研究奠定基礎。

圖1、本實用新型實施例的特高壓輸電線路電暈損失測量裝置結構示意圖。
圖2、本實用新型實施例的電子式電流互感器1.3的結構示意圖。
圖3、圖2中電阻採樣單元2.1的結構示意圖。
圖4、圖3中電路板3.3的結構圖。
圖5、電阻採樣單元2.1電氣連接圖。
圖6、1000kV電容式電壓互感器。
圖7、軟體流程框圖。
圖8、電暈損失監測結果。
具體實施方式
圖1中標記的說明1.1—特高壓變壓器；1.2—特高壓線路；1.3—電子式電流互感器；1.4—電容式電流互感器；1.5—風速傳感器；1.6—溫溼度傳感器；1.7—瞬時雨量計；1.8—工控機。
圖2中標記的說明2.1—電阻採樣單元；2.2—遠方模塊；2.3—高壓側A/D轉換模塊；2.4—高壓側數位訊號；2.5—電/光變換模塊；2.6—光電能轉換模塊；2.7—光纖符合絕緣子；2.8—本地模塊；2.9—信號處理電路與D/A模塊；2.10—光/電變換；2.11—雷射器；2.12—電源；2.13—驅動電路；2.14—輸出埠。
圖3中標記的說明3.1—導電銅棒；3.2—銅箔；3.3—電路板；3.4—精密無感電阻；3.5—螺絲；3.6—環氧樹脂板。
圖4中標記的說明3.4—精密無感電阻；4.1—敷銅；4.3—瞬態電壓抑制器；4.4—壓敏電阻；4.5—精密電阻的串入端；4.6—精密電阻的測量端；4.7—測量端子。
圖5中標記的說明5.1—子導線；5.2—絕緣聯板；5.3—阻波器；3.4—精密無感電阻。
圖6中標記的說明6.1—高壓電容；6.2—中壓電容；6.3—補償電抗器；6.4—阻尼裝置；6.5—保護裝置；6.6—載波通訊端子；6.7—中間電壓變壓器；6.8—電容分壓器的中間電壓端子；6.9—電磁裝置的—次電壓端子；6.10—二次繞組接線端子；6.11—剩餘電壓繞組接線端子和阻尼器繞組端子；6.12—補償電抗器的低壓端子。

以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明。
本實用新型其適用於1000kV電壓等級輸電線路的電暈損失的長期監測，也適用於1000kV電壓等級輸電線路電能損失的測量和評價。
如圖1所示，本實用新型實施例的基本結構主要由電流信號提取部分，電壓信號提取部分，電暈損失計算三部分組成，同時可以擴展輔以風速傳感器1.5、溫溼度傳感器1.6、瞬時雨量計1.7等裝置獲得相應的氣象參數。
如圖2、圖3、圖4所示，應用電子式電流互感器1.3的電阻採樣單元2.1設計電路板3.3，將定製的精密無感電阻3.4串聯接入電阻採樣單元2.1中，由電阻採樣單元2.1的金具進行屏蔽，同時加裝瞬態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor，TVS)4.3和壓敏電阻4.4，保護特高壓輸電線路電暈損失測量裝置。結合光纖傳輸系統的高絕緣性、抗電磁幹擾等優點，在高壓端提取電流信號，經高壓側A/D轉換模塊2.3調製成數字電信號，再由電/光變換模塊2.5轉化為數字光信號，經光纖複合絕緣子2.7中的光纖傳送到低壓端由光/電變換模塊2.10轉變為數字電信號，然後由信號處理電路與D/A模塊2.9解調恢復成和待測電流成比例的弱電信號，並獲得電流幅值和相位信息。信號傳輸到主控室內，由安裝在工業控制計算機內的數據採集卡採集。採用DAQ-2006高精度多通道高速同步數據採集卡，其性能參數如下4通道模擬輸入(AI)同步採集，採樣解析度16位，增益可調，採樣範圍為±1.25V，±2.5V，±5V，±10V，最高採樣率250KS/s， 邊相的電子式電流互感器1.3的電阻採樣單元2.1和遠端模塊2.2通過加工的機械緊固件，懸掛在鼠籠跳線內，中相的電子式電流互感器1.3的電阻採樣單元2.1和遠端模塊2.2通過加工的機械緊固件，懸掛在均壓環內。電阻採樣單元2.1的導電銅棒3.1，通過阻波器5.3串入相導線5.1中(見附圖5)。
如圖1所示，應用1000kV電容式電壓互感器(CVT)測量特高壓輸電線路相電壓。
軟體流程如圖7所示。所測量到的電壓信號和電流信號，均由光纜傳輸到主控室內，由集成在工業控制計算機櫃內的電子式電流互感器本地模塊2.8解調。在工業控制計算機上基於「軟體即設備」思想，採用虛擬儀器技術，應用DAQ-2006高精度同步數據採集卡，實現電壓信號、電流信號的準確、同步測量。應用LabVIEW軟體開發的特高壓輸電線路電暈損失監測系統，通過軟體的方法補償系統的固有誤差，提高特高壓輸電線路電暈損失的測量精度。提取電壓信號、電流信號的工頻分量，採用正弦波算法，通過對電壓信號、電流信號初始相位的象限判斷和相位校正，能夠準確求得電壓信號、電流信號的初始相位，從而求出電壓信號和電流信號工頻分量的功率因數角，進而計算得出電暈損失值。
本實用新型實施例的工作過程是精密無感電阻3.4串聯接入特高壓輸電線路導線中，導線中的電流流過精密無感電阻3.4，在精密無感電阻3.4兩端產生電壓信號，此處電壓信號為模擬信號，通過信號導線傳輸到高壓側A/D轉換模塊2.3，轉換為數字電信號，然後經過電/光變換模塊2.5，轉變為數字光信號。電阻採樣單元2.1與位於高壓側的遠方模塊中的高壓側A/D轉換模塊2.3、電/光變換模塊2.5和光電能轉換模塊2.6，都安裝在屏蔽金具中。數字電流信號的數字光信號，通過信號光纖傳輸到位於低壓側的主控室內的本地模塊2.8，通過光/電變換模塊2.10轉變為數字電信號，然後通過信號處理電路與D/A轉換模塊2.9還原為特高壓輸電線路電流的模擬信號，該信號由工控機的DAQ-2006數據採集卡採集。
大功率的精密無感電阻3.4作為電流傳感器，這樣可以保證電阻本身不會被瞬態電壓和電流破壞，將精密無感電阻串聯接入特高壓輸電線路導線中，由於精密無感電阻3.4精密無感，所以產生的電壓信號與導線電流信號同相位，這樣就保證了波形不會發生二次畸變，從而能夠準確的反映電流信息。能量光纖將電能傳輸到光電能轉換模塊2.6，然後光電能轉換模塊2.6將光能轉換為電能，為高壓側A/D轉換模塊2.3和電/光變換模塊2.5供能。
特高壓電容式電壓互感器1.4安裝在特高壓變壓器1.1套管出線端，特高壓電容式電壓互感器1.4中間變壓器的二次繞組接線端子和二次分壓用鐵芯線圈1.9連接，電壓信號經過二次分壓後，信號的調製、傳輸和解調與電流信號提取部分的原理相同。在高壓側電壓信號經過二次分壓後，通過信號導線傳輸到高壓側A/D轉換模塊2.3，轉換為數字電信號，然後經過電/光變換模塊2.5，轉變為數字光信號。在進行A/D轉換和電/光變換的過程中，高壓側A/D轉換模塊2.3和電/光變換模塊2.5均需要電能，能量光纖將電能傳輸到光電能轉換模塊2.6，然後光電能轉換模塊2.6將光能轉換為電能，為高壓側A/D轉換模塊2.3和電/光變換模塊2.5供能。二次分壓用鐵芯線圈1.9，高壓側A/D轉換模塊2.3，電/光變換模塊2.5，以及光電能轉換模塊2.6，均位於高壓側，安裝在鋁合金轉接箱中。數字電壓信號的數字光信號，通過信號光纖傳輸到位於低壓側的主控室內的本地模塊2.8，通過光/電變換模塊2.10轉變為數字電信號，然後通過信號處理電路與D/A轉換模塊2.9還原為相電壓的模擬信號，電壓信號由DAQ-2006數據採集卡採集到工控機。
特高壓輸電線路的電流信號和相電壓信號均由位於低壓側主控室內的DAQ-2006數據採集卡採集到工控機。DAQ-2006數據採集卡安裝在工控機的PCI插槽內，工控機，UPS不間斷電源，以及用於解調電流信號和電壓信號的兩塊本地模塊2.8，均安裝在標準的工控機櫃內。工控機安裝有基於虛擬儀器技術開發的電暈損失監測軟體，應用正弦波算法，針對採集到的電壓信號和電流信號可以實時計算出電暈損失結果，並實現對監測到的結果自動保存。
本實用新型測量實例如下 目前已應用此系統，對國網武漢高壓研究院特高壓交流試驗基地單回試驗線段的邊相和中相試驗線段的電暈損失進行了一段時間的監測。在主控室內，打開工控機櫃，開啟電源開關，電子式電流互感器和光纖傳輸通道開始運行，啟動工控機，運行軟體，輸入帳戶名和密碼，登陸並運行電暈損失監測系統。電壓信號和電流信號在高壓側通過遠方模塊2.2光電轉換，轉變為光信號，通過光纜傳輸到位於低壓側的主控室，通過本地模塊2.8，解調還原為電壓信號和電流信號的模擬信號，經DAQ-2006同步數據採集卡採集，系統開始監測電壓波形和電流波形。後臺程序通過數字濾波，提取出電壓信號和電流信號的基波成分，移動電流信號的基波的採樣點，對電流信號的基波成分進行數字移相，從而儘量減小系統的固有誤差，提高了系統的測量精度。針對電壓信號和電流信號的基波成分採用正弦波參數法實時計算出電暈損失值。正弦波參數法的計算方法如下 設電暈電流i(t)＝Imsin(ωt+φi)，相電壓u(t)＝Umsin(ωt+φi)，則電流i(t)和電壓u(t)可展開為 i(t)＝D0 sin ωt+D1 cos ωt (1) u(t)＝C0 sin ωt+C1 cos ωt (2) 式中，D0＝Im cosφi，D1＝Im sin φi，C0＝Um cosφu，C1＝Um cosφu。
根據三角函數的正交性，可以計算導出計算D0，D1，C0，C1的公式 由此可得 φi＝tan-1(D1/D0)，φu＝tan-1(C1/C0) (7) 計算可得

(8) 輸電線路相電壓和相導線電流的有效值已經由程序實時測出，然後根據電暈損失公式

就可以實時計算出特高壓輸電線路電暈損失的結果。自動保存電暈損失監測結果，以便今後對特高壓輸電線路的電暈損失的規律作進一步的深入研究和分析。
在2008年1月13日至1月15日，試驗基地經歷了兩次降雪，當時的電暈損失監測結果如圖8所示。
權利要求1、一種特高壓輸電線路電子式電流互感器，其特徵在於它包括電阻採樣單元(2.1)、遠方模塊(2.2)、光纖複合絕緣子(2.7)和本地模塊(2.8)，電阻採樣單元(2.1)遠方模塊(2.2)電連接，遠方模塊(2.2)通過光纖複合絕緣子(2.7)與本地模塊(2.8)光連接；
所述的電阻採樣單元(2.1)包括依次電連接的前導電銅棒(3.1)、銅箔(3.2)、電路板(3.3)、精密無感電阻(3.4)和後導電銅棒(3.1)；
所述的遠方模塊(2.2)包括電連接的高壓側A/D轉換模塊(2.3)和電/光變換模塊(2.5)，光電能轉換模塊(2.6)分別與高壓側A/D轉換模塊(2.3)和電/光變換模塊(2.5)電連接；
所述的本地模塊(2.8)包括信號處理電路與D/A轉換模塊(2.9)、光/電變換模塊(2.10)、雷射器(2.11)、電源(2.12)、驅動電路(2.13)；光/電變換模塊(2.10)與信號處理電路與D/A轉換模塊(2.9)電連接，驅動電路(2.13)與雷射器(2.11)電連接，電源(2.12)給信號處理電路與D/A轉換模塊(2.9)、光/電變換模塊(2.10)、驅動電路(2.13)和雷射器(2.11)提供電能；
電阻採樣單元(2.1)中精密無感電阻(3.4)的兩端輸出電壓信號到遠方模塊(2.2)中的高壓側A/D轉換模塊(2.3)。
2、一種採用權利要求1所述特高壓輸電線路電子式電流互感器的特高壓輸電線路電暈損失測量裝置，其特徵在於它包括電子式電流互感器(1.3)、特高壓電容式電壓互感器(1.4)、二次分壓用鐵芯線圈(1.9)和工控機；
所述電子式電流互感器(1.3)包括電阻採樣單元(2.1)、遠方模塊(2.2)、光纖複合絕緣子(2.7)和本地模塊(2.8)，電阻採樣單元(2.1)遠方模塊(2.2)電連接，遠方模塊(2.2)通過光纖複合絕緣子(2.7)與本地模塊(2.8)光連接；本地模塊(2.8)的輸出與工控機的DAQ-2006數據採集卡連接；
電子式電流互感器(1.3)的電阻採樣單元(2.1)和遠方模塊(2.2)懸掛在相導線始端；
特高壓電容式電壓互感器(1.4)安裝在特高壓變壓器(1.1)套管出線端，特高壓電容式電壓互感器(1.4)中間變壓器的二次繞組接線端子和二次分壓用鐵芯線圈(1.9)電連接，二次分壓用鐵芯線圈(1.9)輸出信號進行電/光變換，用光纜傳給電壓測量用的本地模塊(2.8)，然後被工控機的DAQ-2006數據採集卡採集。
3、如權利要求2所述的特高壓輸電線路電暈損失測量裝置，其特徵在於工控機分別與風速傳感器(1.5)、溫溼度傳感器(1.6)和瞬時雨量計(1.7)電連接。
專利摘要一種特高壓輸電線路電子式電流互感器及其電暈損失測量裝置，它包括電子式電流互感器、特高壓電容式電壓互感器、二次分壓用鐵芯線圈和工控機；電子式電流互感器包括電阻採樣單元、遠方模塊、光纖複合絕緣子和本地模塊；本地模塊的輸出與工控機的DAQ-2006數據採集卡連接；電阻採樣單元和遠方模塊懸掛在相導線始端；特高壓電容式電壓互感器安裝在特高壓變壓器套管出線端，其中間變壓器的二次繞組接線端子和二次分壓用鐵芯線圈電連接，二次分壓用鐵芯線圈輸出信號進行電/光變換，用光纜傳給電壓測量用的本地模塊，然後被工控機的DAQ-2006數據採集卡採集。它測量準確度高，沒有絕緣問題，操作方便，不存在安全隱患。
文檔編號G01R15/00GK201226292SQ20082006613
公開日2009年4月22日 申請日期2008年3月24日 優先權日2008年3月24日
發明者劉雲鵬, 萬啟發, 陳維江, 尤少華, 勇 陳, 律方成, 任雷劍 申請人:國網武漢高壓研究院