1、基于场强法的高压输电线路基于场强法的高压输电线路电力参数电力参数一、课题研究现状和意义一、课题研究现状和意义二、场强法获得高压电力线路电压信号的基本理论二、场强法获得高压电力线路电压信号的基本理论三、电压波形信号无线传输理论及实现方法的分析三、电压波形信号无线传输理论及实现方法的分析四、高压电力线路电压波形信号无线发送装置的设计四、高压电力线路电压波形信号无线发送装置的设计五、场强法应用五、场强法应用1 1：高压线路相位检测：高压线路相位检测六、场强法应用六、场强法应用2 2：氧化物避雷器性能检测：氧化物避雷器性能检测七、下一步研究工作：七、下一步研究工作：结合无线传感器网络，开展基于网络化高
2、压输电设结合无线传感器网络，开展基于网络化高压输电设备智能监控保护系统应用研究备智能监控保护系统应用研究 由于电力需求日益增加，使得电力设备所使用的绝缘材由于电力需求日益增加，使得电力设备所使用的绝缘材料所承受的电气压力与日俱增，设备使用的寿命往往取决料所承受的电气压力与日俱增，设备使用的寿命往往取决于绝缘材料的绝缘强度。电力设备由于运转于绝缘材料的绝缘强度。电力设备由于运转 操作、使用年操作、使用年数、使用频度及使用环境等影响，会逐年发生裂化，进而数、使用频度及使用环境等影响，会逐年发生裂化，进而发生故障或事故，世界各国都投入大量的人力从事设备维发生故障或事故，世界各国都投入大量的人力从事设
3、备维护及研究故障预测的诊断技术。护及研究故障预测的诊断技术。早期变电所设备维护采用早期变电所设备维护采用事后维护事后维护；后来发展为；后来发展为预知维预知维护护。变电设备维护方式也可分为两种：变电设备维护方式也可分为两种：定期维护定期维护 ，状态维，状态维护护 随着世界各国现代化步伐的加快，对检测技术的大量随着世界各国现代化步伐的加快，对检测技术的大量需求与日俱增；而科学技术，尤其是大规模集成电路技术需求与日俱增；而科学技术，尤其是大规模集成电路技术、微型计算机技术、机电一体化技术、微机械和新材料技、微型计算机技术、机电一体化技术、微机械和新材料技术的不断进步，大大促进了现代检测技术的发展，目
4、前，术的不断进步，大大促进了现代检测技术的发展，目前，现代检测技术发展总的趋势大体有以下几个方面。现代检测技术发展总的趋势大体有以下几个方面。（1 1）不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性）不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性 （2 2）传感器逐渐向集成化、组合化和数字化方向发展）传感器逐渐向集成化、组合化和数字化方向发展 （3 3）检测系统智能化）检测系统智能化 （4 4）重视非接触式检测技术的研究）重视非接触式检测技术的研究一、一、课题研究现状和意义课题研究现状和意义非接触测量方法：场强法和红外法非接触测量方法：场强法和红外法场强法：电场和磁场场强法：电场和磁场 红外法：成像式
5、和非成像式（红外法：成像式和非成像式（主要用于测温主要用于测温）高电压产生电场高电压产生电场：测量和取电：测量和取电线路核相和相位检测、避雷器性能检测线路核相和相位检测、避雷器性能检测、谐波谐波检测检测、高压带电指示、高压带电指示大电流产生磁场：大电流产生磁场：取电和测量取电和测量高压开关触头测温取电、母线排接头表面测温高压开关触头测温取电、母线排接头表面测温取电、相间短路故障装置取电和取电、相间短路故障装置取电和电流测量电流测量、间间接采集电流信号接采集电流信号非成像式红外测温非成像式红外测温：人体表面温度检测、非接：人体表面温度检测、非接触测量高压开关表面温升触测量高压开关表面温升成像式红
6、外测温：热成像仪成像式红外测温：热成像仪 2 基于场强法非接触测量国内外研究现状基于场强法非接触测量国内外研究现状 （1 1）高压线路核相）高压线路核相 （2 2）避雷器的性能检测）避雷器的性能检测 （3 3）高压带电显示检测设备）高压带电显示检测设备 （4 4）高压线路谐波检测）高压线路谐波检测 (5)(5)高压电缆头连接处测温设备高压电缆头连接处测温设备 （6 6）变电站户外高压开关）变电站户外高压开关（1 1）高压线路核相方面的国内外研究状况）高压线路核相方面的国内外研究状况 现状：国内：国内：有线核相有线核相 国外：国外：无线核相（只能核相不能测相位，无线核相（只能核相不能测相位，无相
7、关技术介绍）无相关技术介绍）有线方式存在问题：有线方式存在问题：危险、操作复杂，无法隔墙检测，危险、操作复杂，无法隔墙检测，对于带有绝缘层的电缆也无法检测。对于带有绝缘层的电缆也无法检测。方法：方法：场强法测量高压线路相位场强法测量高压线路相位高压无线核相仪高压无线核相仪高压无线相位检测仪高压无线相位检测仪已获国家实用新型专利已获国家实用新型专利2项项.（2）高压带电显示设备上国内外研究现状）高压带电显示设备上国内外研究现状 用途：用途：采用电容传感器非接触获得高压带电体的电压信号采用电容传感器非接触获得高压带电体的电压信号,作为高作为高压开关柜带电指示器提供电能压开关柜带电指示器提供电能(有
8、电时驱动指示灯闪烁有电时驱动指示灯闪烁),以及作为高以及作为高压开关柜压开关柜-提升柜柜门验电解锁控制条件提升柜柜门验电解锁控制条件,作为高压开关柜开柜操作作为高压开关柜开柜操作孔验电解锁控制条件。孔验电解锁控制条件。现状：现状：国内外应用于高压开关柜国内外应用于高压开关柜带电指示带电指示，技术相对成熟，但是，技术相对成熟，但是应用应用在高压开关柜在高压开关柜“五防五防”闭锁装置上闭锁装置上,研制成功。研制成功。国内常州帕斯菲克自动化有限公司推出新型五仿闭锁装置国内常州帕斯菲克自动化有限公司推出新型五仿闭锁装置,解决了该解决了该领域的世界难题领域的世界难题.（3 3）避雷器性能检测方面国内外研
9、究现状）避雷器性能检测方面国内外研究现状 现有方法：现有方法：国内：国内：主要采用监测总泄漏电流法、补偿法测阻性电流法、主要采用监测总泄漏电流法、补偿法测阻性电流法、基次谐波法检测阻性电流和三次谐波法等有线方式。基次谐波法检测阻性电流和三次谐波法等有线方式。国外：国外：主要采用基于有线方式的双主要采用基于有线方式的双ATAT法和基于无线方式的法和基于无线方式的温度测量法。温度测量法。理想方法：理想方法：有文献（电力科学院）介绍可以用相位角法来有文献（电力科学院）介绍可以用相位角法来判断判断MOAMOA劣化程度的正确性。劣化程度的正确性。难点：难点：无法直接获得电压和电流的相位差角。无法直接获得
10、电压和电流的相位差角。方法（新）：方法（新）：基于场强法获得电压相位信号实现避雷器性基于场强法获得电压相位信号实现避雷器性能检测能检测 已获国家发明专利授权已获国家发明专利授权.（4）高压电网谐波检测方面国内外研究现状）高压电网谐波检测方面国内外研究现状现有检测手段：现有检测手段：采用电压互感器将高电压信号转采用电压互感器将高电压信号转换成可供采集的小电压信号换成可供采集的小电压信号.现状：现状：主要通过测量变电站主要通过测量变电站PTPT线端的电压信号来线端的电压信号来间接反映线路上的谐波情况，这样只能反映靠近间接反映线路上的谐波情况，这样只能反映靠近变电站附近高压电网线路的谐波情况。变电站
11、附近高压电网线路的谐波情况。难点：难点：无法直接获得高压电网的电压信号。无法直接获得高压电网的电压信号。方法：方法：利用场强法采用非接触的无线方式直接获利用场强法采用非接触的无线方式直接获得高压电网的电压信号，这样给高压电网谐波检得高压电网的电压信号，这样给高压电网谐波检测提供了一种全新的方法。测提供了一种全新的方法。已获国家发明专利授权已获国家发明专利授权.(5)高压电缆头连接处测温设备高压电缆头连接处测温设备现有检测手段：现有检测手段：采用红外热成像仪定期检测采用红外热成像仪定期检测.难点：难点：无法实现在线检测无法实现在线检测,主要问题是无法解决供电主要问题是无法解决供电问题和无法解决利
12、用电缆头内部温度测量问题。问题和无法解决利用电缆头内部温度测量问题。方法：方法：利用场强法采用电磁耦合方式获得持续工作电能利用场强法采用电磁耦合方式获得持续工作电能,利用外部温度和内部温度剃度曲线关系来间接利用外部温度和内部温度剃度曲线关系来间接反映电反映电缆头内部温度缆头内部温度，这样给电缆头连接处温升的在线检测，这样给电缆头连接处温升的在线检测提供了一种全新的方法。提供了一种全新的方法。（6 6）变电站户外高压开关（非场强法）变电站户外高压开关（非场强法）现有检测手段：现有检测手段：采用红外热成像仪定期检测采用红外热成像仪定期检测.难点：难点：无法实现在线检测无法实现在线检测,主要问题是无
13、法解决主要问题是无法解决远距离（远距离（6-10米）温度测量问题。米）温度测量问题。方法：方法：利用红外测量户外高压开关表面温度，这利用红外测量户外高压开关表面温度，这样给户外高压开关温升的在线检测提供了一种全样给户外高压开关温升的在线检测提供了一种全新的方法。新的方法。二、场强法获得高压输电线路电压信号的基本理论二、场强法获得高压输电线路电压信号的基本理论 本课题所依据的基本理论为本课题所依据的基本理论为电磁场电磁场、电磁兼容电磁兼容、无线通信无线通信和和电子技术电子技术等相关等相关理论。理论。依据依据电磁场理论电磁场理论解决相位的采集问解决相位的采集问题，依据题，依据电磁兼容理论电磁兼容理
14、论解决强磁场抗干解决强磁场抗干扰问题，依据扰问题，依据无线通信理论无线通信理论解决信号的解决信号的传输问题，依据传输问题，依据电子技术理论电子技术理论解决方法解决方法的实现问题。的实现问题。（1）工频电场计算原理）工频电场计算原理 工频交变电场，频率为工频交变电场，频率为5050（或（或6060）HzHz，其，其波长远大于所研究场域的几何尺寸，故可以用波长远大于所研究场域的几何尺寸，故可以用静电场的一般概念来分析。关于输电线路及附静电场的一般概念来分析。关于输电线路及附近工频电场的算法近工频电场的算法,根据根据“国际大电网会议第国际大电网会议第36.0136.01工作组工作组”推荐的方法，一般
15、采用以镜像法推荐的方法，一般采用以镜像法为理论基础的等效电荷法。为理论基础的等效电荷法。1、高压输电线路工频电场的数学模型、高压输电线路工频电场的数学模型 等效电荷法以静电场的镜像法为基等效电荷法以静电场的镜像法为基础础,其理论依据是场的惟一性定理：其理论依据是场的惟一性定理：离散化：离散化：把导体表面不均匀且连续分把导体表面不均匀且连续分布的电荷用其内部一组离散化的等效电布的电荷用其内部一组离散化的等效电荷来代替。荷来代替。应用叠加原理：应用叠加原理：将离散的模拟电荷在将离散的模拟电荷在空间所产生的场量空间所产生的场量叠加叠加。（2）高压输电线路的简化模型）高压输电线路的简化模型 模型简化：
16、模型简化：认为输电线是有着相同半径，认为输电线是有着相同半径，彼此间平行且对大地平行的无限光滑圆柱彼此间平行且对大地平行的无限光滑圆柱形导体，导线电压是已知的，电荷分布沿形导体，导线电压是已知的，电荷分布沿线路无畸变。线路无畸变。计算步骤：计算步骤：（1 1）计算单位长度导线上的电荷；）计算单位长度导线上的电荷；（2 2）计算由这些电荷产生的电场。）计算由这些电荷产生的电场。（3 3）单位长度导线上等效电荷的计算）单位长度导线上等效电荷的计算 采用麦克斯韦电位系数利用镜像法计算输采用麦克斯韦电位系数利用镜像法计算输电线上的等效电荷，可写出下列矩阵方程：即电线上的等效电荷，可写出下列矩阵方程：即
17、 即 2 单相高压输电线路电场和电势的计算单相高压输电线路电场和电势的计算（1）导线表面或近距离空间电场强度的计算 当导线单位长度的等效电荷量求出后，对于三相线路（m=3），通常有D/r100（D是相间距离）,当忽略相距甚远的其它两相导线上电荷的影响时,导线的表面电场强度仅由本身电荷所决定,即有 根据实际需要，为了获得高压输电线路电压信号，主要考虑单相导线表面或近距离空间场强变化的简化模型，选择对称多相输电系统的某相导线作为考察对象，电压瞬时值为则电荷方程式表示成瞬时值形式为：（2）单导线近距离空间电势的计算 处于电场当中的不同位置的两点 和 间将产生电势差即电压差，对应两点与导线的垂直距离为
18、 和 电场强度E与距离h的关系（3 3）三相高压电力线路（单回路，水平排列）三相高压电力线路（单回路，水平排列）3 3 强磁场的电磁干扰及抗干扰方法强磁场的电磁干扰及抗干扰方法(1)1)电磁干扰根源电磁干扰根源由于电晕放射出不同强度和不同频率的电磁波，便形由于电晕放射出不同强度和不同频率的电磁波，便形成对无线数据传输的干扰根源。成对无线数据传输的干扰根源。在进行实际相位检测时，发送装置在同高压导线接触在进行实际相位检测时，发送装置在同高压导线接触或接近时会产生明显的电晕现象。或接近时会产生明显的电晕现象。输电线路电晕对无线电的干扰主要是指对无线电接收输电线路电晕对无线电的干扰主要是指对无线电接
19、收机的中波段机的中波段(535(5351605kHz)1605kHz)内的干扰。内的干扰。(2)抗干扰措施抗干扰措施 选择高频发射：发送模块的频率（选择高频发射：发送模块的频率（433MHz和和315MHz），频），频率的选择避开了高电晕噪声电平，可以解决磁场抗干扰问题率的选择避开了高电晕噪声电平，可以解决磁场抗干扰问题以及无线数据传输问题，同时以及无线数据传输问题，同时 优化电路设计优化电路设计、采用屏蔽屏蔽、PCB的电子兼容设计。的电子兼容设计。四、四、高压电力线路电压波形信号无线发送装置的设计高压电力线路电压波形信号无线发送装置的设计 1 1发送装置基本结构设计发送装置基本结构设计 2
20、2电压相位信号采集处理电路电压相位信号采集处理电路 3 3 调制电路调制电路 4 4 发送模块和发送模块和发送装发送装置置 五、五、场强法应用场强法应用1:高压线路相位差检测高压线路相位差检测1.1.相位检测方法的选择相位检测方法的选择高压线路无线核相器和高压线路无线相位检测仪2场强法在高压电力线路相位差检测中的应用场强法在高压电力线路相位差检测中的应用（1）高压电力线路无线核相仪的设计 接收装置接收装置接收装置的设计接收装置的设计接收天线及信号采集 线处理电 路信号限幅及滤波电路接收模块积分和窗口比较电路声光显示模块频率可调方波发生器 高压无线相位检测装置接收装置的原理框图电网电压相位差的采
21、集原理 接收模块接收模块 实测的发送模块发送的电压波形与接收模块接收到的电压波形图 接收装置的实物图接收装置的实物图 高压无线核相仪的试验高压无线核相仪的试验 2高压电力线路无线相位检测仪的设计 高压电力线路无线相位检测仪的总体结构高压电力线路无线相位检测仪的总体结构 接收装置的原理结构接收装置的原理结构 正负相位检测FPGA液晶模块驱动电路接收模块1接收模块2接收装置测量相位差的原理分析接收装置测量相位差的原理分析 信号2信号1相差信号高频计数图6.5 过零检测法原理图接收装置的电路设计接收装置的电路设计 实测频率为实测频率为315MHz315MHz的发送模块与接收模块接收到的电压波形比较的
22、发送模块与接收模块接收到的电压波形比较图图 实测频率为实测频率为433MHz433MHz的发送模块与接收模块与接收到的电压波形比较图的发送模块与接收模块与接收到的电压波形比较图 接收装置的实物图接收装置的实物图高压无线相位检测仪的试验高压无线相位检测仪的试验 输入相位差为输入相位差为0 0时相位差测量值时相位差测量值 输入相位差为输入相位差为180180时相位差测量值时相位差测量值 六、场强法应用六、场强法应用2：氧化物避雷器性能检：氧化物避雷器性能检测测1.MOA1.MOA工作原理分析工作原理分析 2.2.用阻性电流和相位差大小判断用阻性电流和相位差大小判断MOAMOA性能优劣性能优劣 MO
23、AMOA阀片的劣化或老化反映为阻性电流增大，阀片的劣化或老化反映为阻性电流增大，因此直接测量阻性电流能反映氧化锌避雷器的健因此直接测量阻性电流能反映氧化锌避雷器的健康状况。康状况。有文献（电力科学院）介绍可以用相位角法有文献（电力科学院）介绍可以用相位角法来判断来判断MOA劣化程度的正确性。劣化程度的正确性。大多数大多数MOAMOA阻性电流和相位角的测定均是采阻性电流和相位角的测定均是采用双输入型的，同时输入电压和电流信号，然后用双输入型的，同时输入电压和电流信号，然后通过所取电压、电流信号的相互关系来求得相位通过所取电压、电流信号的相互关系来求得相位角和阻性电流。角和阻性电流。用阻性电流用阻
24、性电流法存在缺陷：法存在缺陷：（1 1）在实际当中，由于相间干扰、谐波干扰或者带电体）在实际当中，由于相间干扰、谐波干扰或者带电体电场等的影响，测得的和电场等的影响，测得的和I IR R往往其结果并不是实际值，往往其结果并不是实际值，给给MOAMOA的判断优劣造成了一定的困难，容易产生误判；的判断优劣造成了一定的困难，容易产生误判；（2 2）同时由于阻性电流值非常小，变化值相对也很小，）同时由于阻性电流值非常小，变化值相对也很小，给准确测量造成很大的困难；给准确测量造成很大的困难；（3 3）阻性电流值的大小受电网电压波动有很大影响；）阻性电流值的大小受电网电压波动有很大影响；（4 4）电压信号
25、获取比较困难，原因是高压线路）电压信号获取比较困难，原因是高压线路不允许直不允许直接挂线取电压信号接挂线取电压信号，必须采用，必须采用较远处较远处PTPT端取电压信号端取电压信号，拖线很长，有时拖线很长，有时无法无法实现。实现。3.用相角法判断用相角法判断MOA性能优劣性能优劣 由于用阻性电流大小判断由于用阻性电流大小判断MOA性能检测方法中存性能检测方法中存在的弊端，并且结合实际操作中的经验提出用相在的弊端，并且结合实际操作中的经验提出用相角差法来判断角差法来判断MOA性能优劣。根据性能优劣。根据IX和和IR的关系，的关系，把把IR的变化转换成角度的变化，可以使的变化转换成角度的变化，可以使
26、MOA老化老化的判断变得十分清晰、直观。的判断变得十分清晰、直观。MOA全电流全电流IX中，中，IC比比IR大的多，当大的多，当IR增大时（不增大时（不超过初始值的超过初始值的2倍），倍），IX的变化很小，因此从工程的变化很小，因此从工程上可以把上可以把IX看作常数，这样看作常数，这样IR的变化就可用相位角的变化就可用相位角的变化来描述。的变化来描述。IX COS COS IR（mA）IR2.5 80 0.1736 0.4342.5 81 0.1564 0.0172 0.391 0.0432.5 82 0.1392 0.0172 0.348 0.0432.5 83 0.1218 0.0174
27、0.305 0.0432.5 84 0.1045 0.0173 0.261 0.0442.5 85 0.0872 0.0173 0.218 0.043IR的变化量很小，而角度的变化量相对较大和直观。的变化量很小，而角度的变化量相对较大和直观。4.获得角度差的方法获得角度差的方法 传统方法：传统方法：采取基波法基波法可以根据得到采取基波法基波法可以根据得到的基波电压和全电流的基波测得角度的基波电压和全电流的基波测得角度 新型方法：新型方法：采用场强法非接触获得电压相位采用场强法非接触获得电压相位信号，利用无线检测方法获得相位差。信号，利用无线检测方法获得相位差。七、下一步拟开展的研究工作：七、下
28、一步拟开展的研究工作：基于网络化的输配电装备智能监控保护系统基于网络化的输配电装备智能监控保护系统 的应用研究的应用研究 研究目的：研究目的：利用无线传感器技术构建检测平台，将采集利用无线传感器技术构建检测平台，将采集的数据及时传递到监控中心，由于采用无线传感器网络技的数据及时传递到监控中心，由于采用无线传感器网络技术，为高压输电线路故障点准确判断和切除提供可能，为术，为高压输电线路故障点准确判断和切除提供可能，为输配电系统智能化管理提供技术保障。输配电系统智能化管理提供技术保障。研究内容：研究内容：应用于智能电网的无线传感器网络平台构建应用于智能电网的无线传感器网络平台构建技术研究技术研究
29、重点研究设计适应于智能电网监控的传感器网络协重点研究设计适应于智能电网监控的传感器网络协议，为建成高效、实时、双向、经济、可靠的智能电网无议，为建成高效、实时、双向、经济、可靠的智能电网无线传感器监测网络打下坚实的基础；研究智能电网无线传线传感器监测网络打下坚实的基础；研究智能电网无线传感器网络监控的关键技术，解决无线传感器网络监测装置感器网络监控的关键技术，解决无线传感器网络监测装置的电磁屏蔽、工频干扰、电晕干扰、长期供电等技术难题；的电磁屏蔽、工频干扰、电晕干扰、长期供电等技术难题；研究无线传感器网络平台信息安全体系，构建一个高效、研究无线传感器网络平台信息安全体系，构建一个高效、可靠、可
30、信的网络信息安全保障体系，切实保障整体网络可靠、可信的网络信息安全保障体系，切实保障整体网络和系统平台的信息安全。和系统平台的信息安全。高压开关设备智能视窗高压开关设备智能视窗-专为智能电网开发专为智能电网开发 江苏省输配电装备重点实验室2009年9月江苏省科技厅批准立项下设三个研究方向下设三个研究方向:气体绝缘金属封闭开关设备技术方向气体绝缘金属封闭开关设备技术方向主要研究气体绝缘金属封闭组合开关设备智能化控制技主要研究气体绝缘金属封闭组合开关设备智能化控制技术、大电流下的散热技术研究与高压元件的小型化、集术、大电流下的散热技术研究与高压元件的小型化、集成化技术成化技术、气体绝缘金属封闭组合
31、开关设备故障诊断在、气体绝缘金属封闭组合开关设备故障诊断在线监测技术等关键问题。线监测技术等关键问题。变压器与特种变压器方向变压器与特种变压器方向主要研究主要研究SF6气体绝缘变压器绝缘性能、散热技术与集气体绝缘变压器绝缘性能、散热技术与集成制造技术、气体绝缘变压器替代气体（氮气、混合气成制造技术、气体绝缘变压器替代气体（氮气、混合气体）绝缘特性、大功率电抗器及可控电抗器、滤波电抗体）绝缘特性、大功率电抗器及可控电抗器、滤波电抗器和消谐电抗器等关键问题。器和消谐电抗器等关键问题。输配电装备状态监测与电工理论方向输配电装备状态监测与电工理论方向主要研究输配电装备状态监测网平台共性关键技术主要研究输配电装备状态监测网平台共性关键技术、智、智能化输配电装备在线监测技术、电网数字化、信息化系能化输配电装备在线监测技术、电网数字化、信息化系统等关键问题。统等关键问题。
