無線電干擾試驗校準系數研究范文

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《中國電機工程學報》2015年第S1期

摘要：

電暈籠無線電干擾試驗得到的導線激發函數應進行校準等效之后再應用于輸電線路的無線電干擾計算中。校準系數通常通過校準試驗獲得，但校準實驗的準確性受試驗條件和環境的影響。若能通過理論分析代替校準試驗得到較為精確的校準系數，會更加經濟和便捷。該文基于電路分析方法，建立電暈籠試驗回路的分布參數模型，依據電暈放電脈沖在空間和時間上的獨立性，通過求取放電點不同位置時校準系數的響應曲線計算得到校準系數，并與分段電容獲得的理論校準系數進行對比分析。結果表明，校準系數的理論分析模型可以較好地應用于電暈籠試驗和實際線路無線電干擾計算之間的等效，且兼具經濟性和實用性。

關鍵詞：

電暈籠；無線電干擾；電暈電流；激發函數；校準系數

高壓輸電線路產生的無線電干擾主要由導線的電暈放電產生[1]。目前，研究導線電暈特性主要有電暈籠和試驗線段兩種試驗手段[2-6]。試驗線段由于導線較長、且架設方式與線路相同，使其電暈特性更接近實際線路，但其試驗的氣候條件不能人工控制[7-8]。與試驗線段相比，電暈籠試驗更為經濟和方便，試驗氣候條件可控性強，試驗周期更短。但電暈籠電磁環境參數與實際線路環境仍存在一定差異[9-10]，且由于電暈電流會從試驗回路中的空氣間隙和各段籠體中流過，測量得到的電暈電流并不是實際導線產生的電暈電流，所以電暈籠試驗無法直接獲得無線電干擾的傳播特性。

ClaudeHGary等人提出了激發函數法求解輸電線路無線電干擾的詳細步驟，并從理論上證明了激發函數法的可行性，激發函數由試驗測量得到[3]。N.GiaoTrinh等人在電暈籠中完成了6分裂導線和8分裂導線激發函數的測量。他們采取了在電暈籠導線首端接入耦合電容并在耦合電容側測量電暈電流的方式，認為導線產生的電暈電流全部由耦合電容流過，忽略了從導線和籠壁間流過的電暈電流[6]。ComberMG等人在文獻中指出，電暈籠截面尺寸和電暈籠長度直接影響無線電干擾的測量。當電暈籠長度小于導線與籠壁距離的10倍時，測量得到的無線電干擾數據必須經過校準再用于輸電線路的無線電干擾計算中，校準系數由單點電暈試驗獲得[11]。文中假設放電點位于籠中導線正中時3段籠連成一體測量得到的響應電流為實際產生的 總電暈電流，但由于放電點實際產生的電暈電流未知，所推導得到的校準系數準確性無法得到驗證。華北電力大學的尤少華等人在J.J.Clade等人研究的電暈損失修正系數基礎之上，將電暈籠中測得的電暈損失值修正等效到線段上的等效電暈損失，并與線段上的實測值進行對比，結果具有一致性[12]。

中國電科院的王曉燕等人通過電路分析和單點電暈試驗得到了電暈籠無線電干擾測量的理論校準系數和試驗校準系數[13]。但其在分析理論校準系數時認為導線上電暈電流的傳播遵從于電路理論，其分布和線路終端阻抗以及線路對籠壁之間的電容有關；在分析試驗校準系數時認為電暈電流的傳播與線路終端阻抗無關，由放電點向導線兩邊傳播的電暈電流大小相等，即假設放電點位于導線端部時3段籠測量得到的響應電流之和的兩倍為實際產生的總電暈電流。文章在關于電暈電流在導線上傳播特性的分析存在矛盾，試驗校準系數中實際產生的總電暈電流的等效方法也與ComberMG等人的研究有一定差別，但由于單點電暈實際產生的電暈電流未知，無法判斷兩種方法的正確性。武漢大學的路遙將由電暈籠試驗得到的激發函數和試驗線段得到的激發函數分別應用于實際輸電線路中，并與線路的實測結果進行對比[14]。其中電暈籠試驗的校準系數直接采用了王曉燕等人的試驗校準系數，沒有對理論校準系數進行深入分析。

由于電暈籠在試驗研究中廣泛應用，電暈籠試驗結果等效于輸電線路具有重要的研究意義，而電暈籠無線電干擾測量校準系數的確定直接影響電暈籠試驗結果應用于實際線路無線電干擾傳播預測的準確性[15]。本文分析計算雙層3段式電暈籠，考慮不帶耦合電容籠壁側測量和帶耦合電容耦合電容側測量的布置方式，采用給定的單點單脈沖電流源為電暈放電激勵源，以電路分析理論為基礎，計算放電點不同位置下測量回路的響應曲線，從而得到電暈籠無線電干擾試驗回路的校準系數，并與電容校準系數[13]進行對比分析。

1校準系數和激發函數

電暈籠無線電干擾試驗中，測量得到的電暈電流并不是測量段導線上產生的全部電暈電流。不帶耦合電容籠壁側測量回路圖如圖1所示，不考慮空氣間隙的影響，導線產生的電暈電流通過導線與測量籠、導線與兩段防護籠流入大地。電磁干擾(electromagneticinterference簡稱EMI)接收機測量得到的電暈電流既不是導線產生的全部電暈電流，也不是測量段導線產生的全部電暈電流。電暈電流具有高頻脈沖特性，因此回路中的電容為電暈電流的流散提供了不可忽略的通路。可見，要想獲得正確的激發函數，首先要準確的計算電暈籠無線電干擾試驗回路的校準系數。

2校準系數理論分析

2.1電暈籠無線電干擾的測量回路電暈籠試驗中，為了削弱電暈籠端部電場畸變帶來的端部效應的影響，導線端部一般會加裝均壓環。在測量籠的兩端也會加裝防護籠，防護籠直接與外籠連接接地，不計入測量。在測量籠的內外籠之間接入電暈電流的測量裝置。在計算中，電暈籠采用1000kV特高壓3段式雙層電暈籠結構，內外籠為正方形截面，邊長分別為8m和9.6m，由25m的測量籠和兩段5m的防護籠組成。導線采用分裂間距為400mm的1000kV特高壓8×LGJ720鋼芯鋁絞線[16-17]。計算得到導線對測量籠電容為24.45pF/m，導線電感為5.05×10−4mH/m，內外籠之間電容為304.80pF/m。其中，由于電暈效應的影響，導線對籠壁的電容會增加，仿真中導線對籠壁的電容取計算得到值的120%。采用不帶耦合電容籠壁側測量時，取樣電阻等于EMI接收機的內阻，為50Ω，如圖1所示，與EMI接收機并聯后串入測量回路。采用帶耦合電容耦合電容側測量時，取樣電阻與275Ω的電阻串聯，其值等于導線的阻抗，再串入測量回路，如圖2所示，耦合電容為10000pF，電感為1mH。采用帶耦合電容籠壁側測量時，如圖3所示，耦合電容側去掉圖2中的EMI接收機，籠壁側與圖1中籠壁側布置相同。

2.2校準系數的理論分析模型電暈電流脈沖的波形具有隨機性[18-19]，本文在計算中采用典型的波形，暫不考慮由于電流脈沖波形隨機性對試驗回路校準系數的統計分析。假設電暈籠中導線起暈均勻，且各起暈點相互獨立。有文獻記載電暈放電的脈沖寬度為10−7s數量級，兩脈沖之間的時間間隔為10−3s數量級[15,20-22]。因此，兩電暈放電脈沖之間可以認為相互獨立[23]，校準系數的分析可以只考慮在一個電暈脈沖激勵下接收機測量得到的響應。發生電暈放電時，由于電子雪崩會在電暈源附近產生大量電子和離子。電暈電流起初受電子運動支配，而后由大量正負離子的積聚決定[24-25]。離子遷移率要遠小于電子遷移率，所以電暈放電脈沖波形通常具有陡峭的上升沿和相對緩慢的下降沿。在計算中，采用脈沖寬度為900ns的三角波為激勵電暈電流脈沖源，上升沿為400ns，下降沿為500ns，記為it，幅值取14mA。根據電暈籠試驗的測量回路建立電暈籠試驗的分布參數模型，并在導線不同位置處單點注入電暈脈沖源。如圖1所示，分別在導線1,2,…,n處注入電暈脈沖源，并計算在EMI接收機所在的測量點得到的電暈電流波形，不帶耦合電容籠壁側測量等效模型圖如圖4所示。導線全線起暈均勻，且各起暈點之間相互獨立，因此，對放電點位于x處的單點校準系數沿導線求和，在各點注入電流幅值相等條件下，得到導線全線起暈時測量回路的校準系數。

3校準系數計算結果及分析

根據校準系數理論分析方法，以分裂間距為400mm的8×LGJ720鋼芯鋁絞線為例，計算得到不帶耦合電容籠壁側測量方式下注入電流與測量電流波形如圖5所示。一般進行無線電干擾測量的檢波方式有峰值檢波、準峰值檢波，平均值檢波、均方根值檢波和均方根值–平均值檢波。系統中采用最多的檢波方式是準峰值檢波，其充放電時間都比峰值檢波更長。均方根值檢波采用得最少，但其主要用于測量脈沖干擾信號。仿真計算中，將35m長的電暈籠導線均勻地分為35段，每段長1m。本文分別計算了在電暈籠導線不同位置產生單點電暈時的峰值檢波和均方根值檢波方式下的校準系數。通過計算得到起暈點位置不同時峰值檢波的單點校準系數曲線，不帶耦合電容籠壁側測量、帶耦合電容耦合電容側測量和帶耦合電容籠壁側測量方式下的結果分別如圖6—8所示，橫坐標為放電點距離電暈籠最左端的距離。根據峰值單點校準系數曲線，按照公式(7)，分別計算出幾種測量回路的峰值校準系數如表1所示。其中，不帶耦合電容籠壁側測量時電暈電流峰值的校準系數K=0.208；帶耦合電容耦合電容側測量時電暈電流峰值的校準系數K=0.196；帶耦合電容籠壁側測量時電暈電流峰值校準系數K=0.142。通過計算得到起暈點位置不同時均方根值檢波的單點校準系數曲線，3種測量方式下的結果分別如圖9—11所示。

根據均方根值單點校準系數曲線計算得到3種測量回路的校準系數。其中，不帶耦合電容籠壁側測量時，電暈電流均方根值的校準系數K=0.256；帶耦合電容耦合電容側測量時，電暈電流均方根值的校準系數K=0.220；帶耦合電容籠壁側測量時，電暈電流均方根值的校準系數K=0.164。由于電暈籠電暈電流的測試回路中，電容起主要作用，測量得到的電暈電流和注入電暈電流比較，波形被拉長，具有更平緩的峰值。通過圖5中的波形可以看出，測量得到的脈沖寬度比注入電暈電流的脈沖寬度更大，因此本文中峰值校準系數小于均方根值校準系數。將1000kV特高壓3段式雙層電暈籠尺寸代入上式中，得到不帶耦合電容籠壁側測量回路的理論校準系數為0.357。實際上，部分電暈電流會通過測試回路的電容流過，加上導線端部的電容效應會增大防護籠中導線對籠壁的電容，因此實際籠壁側測量得到的校準系數K會小于通過3段導線長度計算得到的校準系數K′。比較兩種方法的計算結果，通過電路分析理論得到的峰值校準系數和均方根值校準系數都小于K′。

4結論

校準系數的確定直接影響到激發函數應用的準確性。通過電路分析理論計算校準系數比通過校準試驗更經濟便捷。1）由于測試回路的空氣間隙和端部效應，通過電路理論分析計算得到的校準系數小于通過電容分析計算得到的值。2）由于測試回路中，導線對籠壁的電容和耦合電容起主要作用，注入電暈電流在回路中傳播后波形被拉長，峰值更平緩，所以峰值校準系數小于均方根值校準系數。實際上經常采用的是準峰值測量，因此準峰值測量的校準系數應介于峰值校準系數和均方根值校準系數之間。3）無線電干擾的測試回路直接影響到測量電暈電流的大小，采用不同的測試回路和不同的測量點得到的校準系數會有較大差別。目前，常用的電暈籠無線電干擾測試回路主要有導線首端帶耦合電容和不帶耦合電容兩種，常用的測量點有在耦合電容側測量和在籠壁側測量。針對不同的測試回路和測量點要分別進行計算分析，得到相應的校準系數。

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作者：裴春明 陳豫朝 陳小月 藍磊 肖國洲 文習山 單位：中國電力科學研究院 武漢大學電氣工程學院