基于声脉冲法的直流输电线路电晕空间电荷测量方法研究

摘要

将电晕损耗和电晕效应控制在合理的水平是特高压输电技术发展的一项关键内容，而电晕放电的空间电荷分布对于研究电晕放电的微观机理及其数学模型至关重要，如何准确获得近导线的空间电荷分布，一直是国际上尚未解决的难题。声脉冲法理论上可以实现对空气中的空间电荷实时、三维、非接触式的测量，具有其他方法所不具备的优点。然而目前国内外都尚未有基于此方法，功能完备的测量系统，本文率先对该测量平台进行了研制，具有重要的学术意义和应用价值，主要内容和成果如下：
　　①本文首先介绍了声脉冲法测量空间电荷的基本原理，对声作用下空气密度变化规律、空间电荷区域电荷密度变化规律进行了研究和讨论，针对实际条件做了合理简化和近似处理，并推导得出：相对于气压梯度力，带电粒子间电场力可以忽略不计，因此在声场作用下空间电荷密度变化和空气密度变化规律相似。基于此规律，采用了球坐标对声波调制下空间电荷的场强进行了推导，验证了有效信号的一般表达式，肯定了该方法的原理可行，通过该式也可将测得的信号反演出空间电荷的密度分布。
　　②详细阐述了测试平台各主要环节的具体设计过程和原理依据。以FPGA为控制核心设计了信号发生器，实现了所需脉冲声波的发射；构建了吸音系数达0.9，隔音系数达80dB的声屏蔽室；根据模拟所得数据，设计了两套多针—板电极，可以在一定范围内产生密度较大、分布较为均匀的空间电荷；参照闪电电场测量仪，结合本文实际，设计了变化电场测量天线，该天线在音频范围内效应良好，能在不同的测量姿态下保持性能稳定；针对干扰信号与有效信号的特点，设计了2级50Hz陷波器对工频干扰的衰减可达70倍；制作了1kHz窄带通滤波放大器，以1kHz为中心频率，通带宽度及放大倍数可调。
　　③最后通过测量已知电荷密度分布的电晕区域对该平台进行了测试，分析了各主要参数对有效信号的影响趋势，初步验证了理论推导式。虽然目前该平台尚不能实现准确、定量的测试，但是对基本原理的验证已经表明了通过深入改进和完善该系统能够实现对空气中空间电荷密度分布的三维、准确、实时测量。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 气体介质空间电荷测量方法的研究现状

1.3 输电线路附近电晕放电空间电荷研究现状

1.4 本文的主要内容

2 声学与电磁学理论基础

2.1 引言

2.2 声波的基本特性

2.3 电磁场基础

2.4 本章小结

3声脉冲法空间电荷测量方法的理论推导

3.1 引言

3.2 声场中的空气密度变化规律

3.3 声作用下空间电荷区域的电荷密度

3.4 声作用下平板电极空间电荷区域激发场强的研究

3.5 小结

4 声脉冲法测量空间电荷平台的研制

4.1 引言

4.2 声脉冲发射系统的设计

4.3 声屏蔽室设计

4.4 空间电荷产生单元设计

4.5 电场天线设计

4.6 微弱信号处理硬件设计

4.7 小结

5 测量平台的调试

5.1 有效信号提取

5.2 针板电极的空间电荷测量

5.3导线电晕放电空间电荷测量

5.4 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录