一种特高压直流输电线路空间直流电场测量装置

摘要

一种特高压直流输电线路空间直流电场测量装置，它包括两块相互平行的探测极板、高绝缘干簧继电器和信号采集与处理电路，两块探测极板置于被测电场中并与探测点的电场垂直，二者之间的感应电压经高绝缘干簧继电器的两对常闭触点送至信号采集与处理电路的输入端并经高绝缘干簧继电器的两对常开触点换向后接到信号采集与处理电路的输入端；所述高绝缘干簧继电器的控制线圈接方波发生器。本发明利用高绝缘干簧继电器将两块探测极板之间的感应电压调制成交流信号，不仅消除了后续电路温漂和失调电压的影响，而且探测电极没有机械旋转，具有结构简单，成本低廉，携带方便，工作可靠，测量准确等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种特高压直流输电线路空间直流电场的斩波测量装置，属于测量技术领域。

背景技术

与传统交流输电技术相比，特高压直流输电具有线路输电能力强、损耗小、两侧交流系统不需同步运行、发生故障时对电网造成的损失小等优点，特别适合用于长距离点对点大功率输电。但直流输电线路下方空间的直流电场会对地面附近的电磁环境造成较大影响，为了满足环境保护的要求，减少因电磁环境问题引发的矛盾及法律纠纷，准确测量输电线路走廊空间的直流电场强度具有重要意义。

    目前，国内外对直流电场的测量方法主要有两种，一种是利用电光效应原理，一种是利用静电感应原理。电光效应法主要是利用某些晶体在电场中的泡克耳斯效应，通过测量受电场强度调制的光信号获得电场强度信息，其不足之处是光学晶体的机械加工精度要求很高，易受温度、应力及双折射的影响，另外，由于光探测晶体元件内部离子迁移和空间电荷的积累，极易使待测电场发生畸变，上述局限性导致该方法未能得到广泛应用。静电感应法通常采用旋转探测电极的方法，将空间直流电场在探测电极上感应得到的电荷信号调制成交流信号，以便消除后续电路温漂和失调电压的影响。由于此类测量方法需要机械振动或旋转，从电极上引出信号较为困难，利用电刷引出信号时，由于电刷磨损易造成接触电阻变化，存在引出的信号不稳定的问题，同时，在野外测量时，由于风沙等原因易造成电极转速不稳定，也会造成测量误差和测量困难。静电感应法也有通过移动探测电极并利用积分电路进行测量的报道，但电极的移动在实际中存在很大的局限性，手动移动电极显然是不现实的，那么只有通过驱动装置和轨道来移动，这势必会增大测量探头的体积，使待测电场发生严重畸变，测量结果失去参考价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种结构简单、制作方便、工作可靠且测量精度高的特高压直流输电线路空间直流电场测量装置。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种特高压直流输电线路空间直流电场测量装置，构成中包括两块相互平行的探测极板、高绝缘干簧继电器和信号采集与处理电路，两块探测极板置于被测电场中并与探测点的电场垂直，二者之间的感应电压经高绝缘干簧继电器的两对常闭触点送至信号采集与处理电路的输入端并经高绝缘干簧继电器的两对常开触点换向后接到信号采集与处理电路的输入端；所述高绝缘干簧继电器的控制线圈接方波发生器。

上述特高压直流输电线路空间直流电场测量装置，所述信号采集与处理电路包括数据采集卡、终端监视器和三个运算放大器，第一运算放大器与第二运算放大器分别接成两个电压跟随器，两个电压跟随器的输入端分别经高绝缘干簧继电器的触点与两块探测极板连接，它们的输出端分别接第三运算放大器的同相输入端和反相输入端，所述数据采集卡的输入端接第三运算放大器的输出端，输出端接终端监视器。

上述特高压直流输电线路空间直流电场测量装置，所述终端监视器采用笔记本电脑，它与数据采集卡通过USB引线连接。

上述特高压直流输电线路空间直流电场测量装置，所述探测极板为圆形金属板。

本发明利用高绝缘干簧继电器将两块探测极板之间的感应电压调制成交流信号，探测传感器不需要机械运动，依靠继电器将直流信号电调制为交流方波信号达到消除失调电压和温漂的目的，实现直流电场的测量。这不仅消除了后续电路温漂和失调电压的影响，而且探测电极没有机械旋转，具有结构简单，成本低廉，携带方便，工作可靠，测量准确等优点，很好地克服了现有测量装置的不足。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的电原理图；

图2是测量软件程序原理框图；

图3是一个实施例的测量结果。

图中各标号为：U1、第一运算放大器，U2、第二运算放大器，U3、第三运算放大器，U4、数据采集卡，PC、终端监视器，K、高绝缘干簧继电器，A、上探测极板，B、下探测极板，E、电场。

具体实施方式

对于特高压直流输电线路直流电场的测量，通常需要测量直流高压输电线路下方距地面2米高度以下空间的直流电场，该电场方向一般为竖直方向，探测极板应平行放置，并与电场方向垂直。为了克服现有直流电场测量方法的不足，本发明采用斩波（电调制）的方法将两探测电极间的直流感应电压信号转换为一定频率的交变信号，进行直流电场的测量。

参看图1，本发明由第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、数据采集卡U4、终端监视器PC、高绝缘干簧继电器K、上探测极板A、下探测极板B组成。

上探测极板A和下探测极B为直径300mm、厚度3mm的圆形铝材金属板；高绝缘干簧继电器K的型号为MAR5V-2C，起双刀换向开关的作用，其绝缘阻抗高达10¹⁵Ω；干簧继电器是一种利用线圈电磁力来直接控制干簧管内部触点开关通、断的继电器，当干簧继电器的线圈中有电流流过时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的铁质舌簧片磁化，其中两个常开舌簧片在磁力作用下变为接通状态，两个常闭舌簧片在磁力作用下变为分离状态，即常开触点闭合、常闭触点断开。当线圈中无电流流过时，线圈不再产生磁场，干簧管内部的舌簧片依靠自身弹力自动恢复到原来的位置，即常开触点断开、常闭触点闭合。给继电器的线圈施加一个方波信号，周期性地控制其触点的吸合与释放，从而实现双刀双掷换向开关的电子切换功能。本发明利用了干簧继电器的双刀换向功能，要求其触点和触点之间、触点和外壳之间具有相当高的绝缘阻抗（大于100TΩ），漏电流在f A的数量级。第一运算放大器U1和第二运算放大器U2采用静电计级运放OPA128，第三运算放大器U3采用精密单位运放INA105，三个运算放大器构成高输入阻抗的仪表运放电路，输入阻抗达10¹⁵Ω。

高绝缘干簧继电器K 、三个运算放大器以及数据采集卡USB6210置于一个仪器箱内，探测极板置于待测电场中并通过两条屏蔽电缆线与仪器箱连接，仪器箱内的数据采集卡U4通过USB数据线缆与笔记本终端连接。

设上探测极板A和下探测极B间距为d，置于待测电场E中，两探测极板平行放置并于E方向垂直，两探测极板间感应得到的电压信号为u，该电压信号经调制和滤波放大处理后最终输出方波信号电压幅度为V，总增益系数为G，则：E=u/d，V=G·u，E=V/G·d，通过监测方波信号的幅度V，就可以得到待测电场强度E。

图2 为测量软件程序原理框图。该软件是基于LabView软件平台开发的，首先利用USB数据采集板卡将待测电压信号采集转变为数字信号，然后利用滤波器子函数模块和放大器子函数模块，对信号进行滤波和放大处理，再利用其图形显示输出窗口和数据组输出窗口输出波形、电压和场强。

图3给出了在某±800kV直流输电线路下方距地面1m高度的测量结果。图中测点坐标是从正极性输电导线在地表面的垂直投影为起点，垂直远离起点每隔1m测量得到的直流电场分布结果。该结果与理论计算结果相符，表明了测量方法是正确的。