本實用新型涉及輸電技術領域，特別是涉及一種高壓導線表面電場強度的測量電路及測量裝置。

背景技術：

隨著輸電技術的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的電壓等級不斷升高，在不斷增大輸電容量的同時，給實時監(jiān)測電力系統(tǒng)中輸電線路的運行狀態(tài)增加了難度。同時，隨著輸電技術的不斷發(fā)展，電網的規(guī)模也不斷擴大，由于我國幅員遼闊，地形多變，電網縱橫交錯，覆蓋范圍廣大，輸電線路在不同地區(qū)間運行時會受到不同的地理環(huán)境和氣候的影響，所以輸電線路在運行時存在著諸多隱患。因此，如何實現(xiàn)在電力系統(tǒng)中實時監(jiān)測輸電線路的運行狀態(tài)至關重要。

目前，在電力系統(tǒng)中，實時監(jiān)測輸電線路運行狀態(tài)的方式主要是對輸電線路進行電壓測量。電壓質量也一直作為衡量電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標之一。通過對輸電線路的電壓信號進行實時測量可以得到最為真實、準確的輸電線路實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。然而，目前測量輸電線路的電壓信號的設備存在體型大、造價昂貴、維護與檢修費用高、測量不靈活、絕緣要求高等問題，并且，在監(jiān)測輸電線路實時狀態(tài)時仍不成熟，存在諸多需要克服的技術壁壘，例如，不能夠測量雷擊時的過電壓。

技術實現(xiàn)要素：

基于此，有必要提供一種如何得到高壓導線表面電場強度的測量電路及測量裝置，獲得的高壓導線表面電場強度用于檢測電線路運行狀態(tài)。

本實用新型一實施例提供一種高壓導線表面電場強度的測量電路，其包括：電阻R、交流電源AC、對地電容C和示波器，其中：

所述電阻R的一端連接所述對地電容C，所述電阻R的另一端連接所述交流電源AC；

所述示波器與所述電阻R并聯(lián)；

所述交流電源AC接地；

所述對地電容C為高壓導線對地形成的對地電容。

在其中一個實施例中，所述測量方法還包括顯示器，所述顯示器與所述示波器連接。

在其中一個實施例中，所述電阻R為可調電阻。

在其中一個實施例中所述電阻R為兩個串聯(lián)的電阻或三個串聯(lián)的電阻。

本實用新型另一實施例提供一種高壓導線表面電場強度測量裝置，其包括如上述任一實施例中所述高壓導線表面電場強度的測量電路。

在其中一個實施例中，所述測量裝置還包括殼體，所述殼體上設置有一開關，一顯示屏、一散熱孔。

在其中一個實施例中，所述殼體內還包括充電電池。

在其中一個實施例中，所述殼體上設置有多個散熱孔。

在其中一個實施例中，所述散熱孔上設置有防塵網。

在其中一個實施例中，所述測量裝置還包括光纖接口，用于連接光纖。

上述高壓導線表面電場強度的測量電路包括：電阻R、交流電源AC、對地電容C、示波器，其中：所述電阻R的一端連接所述對地電容C，所述電阻R的另一端連接所述交流電源AC；所述示波器與所述電阻R并聯(lián)；所述交流電源AC接地；所述對地電容C為高壓導線對地形成的對地電容。上述高壓導線表面電場強度測量裝置包括上述測量電路。利用上述測量電路及測量裝置，實現(xiàn)了通過交流電高壓導線表面的電場強度來檢測交流電高壓導線線路運行狀態(tài)的目的，為檢測交流電高壓導線線路運行狀態(tài)提供了一種更加簡單易行的方法。

附圖說明

圖1為本實用新型一實施例的高壓導線表面電場強度的測量電路圖；

圖2本實用新型另一實施例的高壓導線表面電場強度的測量電路圖；

圖3為本實用新型一實施例的高壓導線表面電場強度測量方法的流程圖；

圖4為本實用新型一實施例的高壓導線表面電場強度的測量模型示意圖；

圖5為本實用新型一實施例的高壓導線表面電場強度的測量裝置的模塊結構示意圖；

圖6為本實用新型另一實施例的高壓導線表面電場強度的測量裝置的模塊結構示意圖；

圖7為圖6中獲取模塊的模塊結構示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本實用新型。但是本實用新型能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本實用新型內涵的情況下做類似改進，因此本實用新型不受下面公開的具體實施例的限制。

在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。在本實用新型的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。

下面結合附圖描述根據(jù)本實用新型實施例的高壓導線表面電場強度的測量電路及測量裝置。其中，所述高壓導線表面電場強度的測量電路及測量裝置應用于高壓輸電線路。

如圖1所示，一種高壓導線表面電場強度的測量電路，包括：電阻R、交流電源AC、對地電容C、示波器100，其中：所述電阻R的一端連接所述對地電容C，所述電阻R的另一端連接所述交流電源AC；所述示波器與所述電阻R并聯(lián)；所述交流電源AC接地；所述對地電容C為貼附于高壓導線上的探測片內的金屬薄膜層對地形成的對地電容，所述金屬薄膜層與所述高壓導線表面貼合的側面設置有絕緣層，等效于高壓導線對地形成的對地電容，所述電阻R為采樣電阻。

在本實施例中，例如，所述測量電路還包括顯示器，所述顯示器與所述示波器連接。又如，所述電阻R為可調電阻。又如，所述電阻R為兩個串聯(lián)的電阻或三個串聯(lián)的電阻。

在另一實施例中，如圖2所示，該測量電路包括電阻R、交流電源AC、對地電容C、示波器200及顯示器210，電阻R的一端連接對地電容C，電阻R的另一端連接交流電源AC，示波器200與電阻R并聯(lián)，顯示器210與示波器160連接，其中，交流電源AC接地，對地電容C為貼附于高壓導線上的所述探測片內金屬薄膜層對地形成的對地電容，等效于高壓導線對地形成的對地電容，所述電阻R為采樣電阻。

在另一實施例中，測量電路包括電阻、電壓表、交流電源、對地電容，串聯(lián)所述電阻的外接導線的一端與所述對地電容電連接，所述外接導線的另一端與高壓導線電連接，所述高壓導線與所述交流電源電連接，所述電壓表與所述電阻并聯(lián)，其中，所述交流電源接地，所述對地電容為金屬薄膜層與所述高壓導線絕緣后貼附于所述高壓導線表面對地形成的對地電容，等效于所述高壓導線對地形成的對地電容，所述電阻為采樣電阻。為了更加方便的讀取所述電壓表顯示的數(shù)值，例如，所述電壓表通過導線與一顯示器相連。

考慮到在實地測量時，需要獲取多組高壓導線表面的電場強度值，例如，所述電阻R為可調電阻，這樣在實地測量時，能夠獲取多組高壓導線表面的電場強度值。又如，所述電阻R至少包括一個電阻，也能夠為兩個串聯(lián)的電阻或者三個串聯(lián)的電阻，在滿足工作人員在不同的外部環(huán)境中，方便的獲取所述探測片上產生的感應電流的前提下，能夠靈活調整串聯(lián)的電阻的數(shù)量。這樣，能夠滿足工作人員不同的外部環(huán)境中對電阻的要求。

考慮到高壓導線中電流的不穩(wěn)定性及高壓導線所處的高電壓、高電壓沖擊、高壓高頻等外部環(huán)境，例如，所述電阻R為管形陶瓷無感高壓電阻，短時間可耐受更大的電流、更高峰值能量，不會出現(xiàn)線繞電阻和模壓電阻的失效現(xiàn)象；又如，所述電阻R為高壓金屬陶瓷阻尼電阻，所述金屬陶瓷高壓阻尼電阻器具有優(yōu)越的耐高壓高電流突波特性，及比繞線型及薄膜型的電阻器更具安定性.適合用高壓電路設計，又如，所受電阻R為棒狀高壓玻璃釉膜電阻或電阻片狀高壓玻璃釉膜電阻，用于交直流或脈沖電路中。這樣，所述電阻R能夠適應高壓導線中電流的不穩(wěn)定性及高壓導線所處的高電壓、高電壓沖擊、高壓高頻等外部環(huán)境。

上述測量高壓導線表面電場強度的測量電路，能夠獲得交流電高壓導線表面電場強度，實現(xiàn)了通過交流電高壓導線表面電場強度來檢測交流電高壓導線線路運行狀態(tài)的目的，為檢測交流電高壓導線線路運行狀態(tài)提供了一種更加簡單易行的方法。

利用上述測量電路獲取高壓導線表面電場強度的測量方法包括以下步驟：將探測片貼設于高壓導線的表面上，根據(jù)采樣電阻的電阻值以及所述采樣電阻兩端的電壓，得到所述探測片的感應電流，其中所述采樣電阻、所述探測片、所述高壓導線與外接交流電源形成回路；根據(jù)所述探測片的感應電流，計算得到高壓導線表面的電場強度。

如圖3所示，該高壓導線表面電場強度的測量方法包括以下步驟：

S110，將探測片貼設于高壓導線的表面上，根據(jù)采樣電阻的電阻值以及所述采樣電阻兩端的電壓，得到所述探測片的感應電流，其中所述采樣電阻、所述探測片、所述高壓導線與外接交流電源形成回路。

高壓輸電導線上傳輸工頻電流，也存在諧波電流，在超/特高壓輸電導線上存在電暈電流，有載波通信和高頻保護的輸電導線上傳輸載波電流。運行的高壓輸電導線會在導線上產生電荷，載有電荷的導線即會在周圍空間激發(fā)電場。從而，通過實時獲取所述高壓輸電導線表面的電場強度，能夠實時反映高壓輸電導線上電流的變化，進而，實現(xiàn)在電力系統(tǒng)中實時監(jiān)測輸電線路的運行狀態(tài)的目的。

為了能夠獲取所述高壓輸電導線周圍空間產生的電場的電場強度，在本實施例中，將探測片貼設于高壓導線的表面上，根據(jù)采樣電阻的電阻值以及所述采樣電阻兩端的電壓，得到所述探測片的感應電流，其中所述采樣電阻、所述探測片、所述高壓導線與外接交流電源形成回路。所述探測片內設置有金屬薄膜層，所述金屬薄膜層與所述高壓導線表面貼合的側面設置有絕緣層。

具體地，在本實施例中，將探測片貼設于所述高壓導線上，串聯(lián)一采樣電阻的外接導線的一端與探測片的金屬薄膜層電連接，所述外接導線的另一端與高壓導線電連接，所述高壓導線與發(fā)電站的交流電源電連接，交流電源的另一端接地，由于所述金屬薄膜層與大地形成一個對地電容，等效于高壓導線與大地形成一個對地電容，大地是連通的，所述探測片、所述采樣電阻、所述交流電源及接地端子形成一個閉合回路，其中，所述采樣電阻的兩端并聯(lián)一示波器。

例如，請參閱圖4，采樣電阻300的一端連接探測片310，采樣電阻300的另一端連接高壓導線320，高壓導線320與交流電源330的一端連接，交流電源330的另一端接地，示波器340與采樣電阻300并聯(lián)，其中，矩形板體350表示地面。探測片310包括金屬薄膜層及絕緣層(圖未示)，所述絕緣層設置于所述金屬薄膜層與所述高壓導線表面貼合的側面，采樣電阻300與探測片310內的金屬薄膜層連接。所述金屬薄膜層與大地形成一個對地電容，等效于高壓導線與大地形成一個對地電容，大地是連通的，所述探測片、所述采樣電阻、所述交流電源及接地端子形成一個閉合回路。

在本實施例中，將所述探測片內的所述金屬薄膜層與所述高壓輸電導線絕緣后，將所述金屬薄膜層放進所述高壓輸電導線周圍空間產生的所述感生電場內，也就是將所述探測片貼設于所述高壓導線上，能夠為后續(xù)步驟獲知所述高壓輸電導線表面的電場強度提供前期的準備。

這樣，當探測片與所述外接導線電連接時，所述探測片內所述金屬薄膜層表面所積聚的電荷就能夠通過所述外接導線導出，所述金屬薄膜層表面積聚的所述電荷經所述外接導線導出的過程即為所述電荷定向移動產生電流的過程，產生的電流為傳導電流。此時，所述采樣電阻的電阻值已知，通過所述示波器獲取電壓信號，根據(jù)歐姆定律，便可獲得所述傳導電流的電流值，也就是所述探測片上產生的感應電流的電流值。

為了提高所述探測片的探測性能，又能夠很好地保護所述探測片，例如，所述金屬薄膜層為鋁薄膜、金薄膜、銀薄膜、金銀合金薄膜、金鋁合金薄膜或者銀鋁合金薄膜中的任意一種。所述金屬薄膜層靠近所述高壓導線的一面設置有絕緣層，例如，所述絕緣層為聚酰亞胺薄膜、聚氨酯薄膜、聚苯乙烯薄膜、聚四氟乙烯薄膜中的任意一種。這樣，能夠提高所述探測片的探測性能，又能夠很好地保護所述探測片。

為了使得工作人員遇到不同的測量環(huán)境及測量對象，能夠方便的獲取所述探測片上產生的感應電流，例如，所述高壓導線能夠為特高壓導線、超高壓導線、帶毛刺高壓導線、GIS內部高壓導線中的任意一種。又如，所述采樣電阻為可調電阻，又如，所述采樣電阻至少包括一個電阻，也能夠為兩個串聯(lián)的電阻或者三個串聯(lián)的電阻，在滿足工作人員遇到不同的測量環(huán)境及測量對象，方便的獲取所述探測片上產生的感應電流的前提下，能夠靈活調整串聯(lián)的電阻的數(shù)量。這樣，能夠滿足工作人員遇到不同的測量環(huán)境及測量對象，方便的獲取所述探測片上產生的感應電流。

S120，根據(jù)所述感應電流，計算高壓導線表面的電場強度。

在本實施例中，當探測片與所述外接導線電連接時，所述探測片內所述金屬薄膜層所積聚的電荷就能夠通過所述外接導線導出，產生的電流為傳導電流。此時，所述采樣電阻的電阻值已知，通過所述示波器獲取電壓信號，根據(jù)歐姆定律，便可獲得傳導電流的電流值，也就是所述探測片上產生的感應電流的電流值。由于要探討所述高壓導線表面電場強度，所述探測片內的所述金屬薄膜層通過絕緣層貼設于所述高壓導線上。由于所述絕緣層的阻隔，所述金屬薄膜層不與所述高壓導線直接接觸，所述高壓導線上的傳導電流只能通過導線傳導到所述探測片內的所述金屬薄膜層上，所述金屬薄膜層又由于位移電流的作用在電場中積聚電荷。

需要說明的是，M.法拉第提出的電磁感應定律表明，磁場的變化要產生電場，它可以推動電流在閉合導體回路中流動，即其環(huán)路積分可以不為零，成為感應電動勢。繼M.法拉第電磁感應定律之后，J.C.麥克斯韋提出了位移電流概念。電位移來源于電介質中的帶電粒子在電場中受到電場力的作用。這些帶電粒子雖然不能自由流動，但要發(fā)生原子尺度上的微小位移。并且認為，電位移隨時間變化也要產生磁場，因而稱一面積上電通量的時間變化率為位移電流，而電位移矢量D的時間導數(shù)(即дD/дt)為位移電流密度。它在安培環(huán)路定律中，除傳導電流之外補充了位移電流的作用，從而總結出完整的電磁方程組，即著名的麥克斯韋方程組，描述了電磁場的分布變化規(guī)律。

在本實施例中，所述高壓導線為GIS內部高壓導線。根據(jù)麥克斯韋(Maxwell)方程中微分形式安培全電流定律，利用步驟S110中獲取的感應電流，計算高壓導線表面的電場強度。

麥克斯韋(Maxwell)方程中微分形式安培全電流定律如下所述：

GIS內部(同軸結構)的電流包括兩部分。一是在高壓導線內部的傳導電流，另一個是在高壓導線和外殼之間的位移電流。這兩項分別是公式(1)右端第一項(傳導電流密度)和第二項(位移電流密度)。方程(1)中為磁場強度，單位為A/m；(c：conduction)為導體的傳導電流體密度，單位為A/m²；為絕緣介質內部的位移電流體密度，單位為A/m²；為電位移矢量，單位為C/m²。微分全電流定律還反應了電流連續(xù)性的性質，即

其中

為位移電流體密度(d：displacement)。在方程(2)中傳導電流密度又可以分為兩部分，一部分傳導電流與位移電流之間滿足連續(xù)性關系，另一部傳導電流本身滿足連續(xù)性，該電流為負載電流。總傳導電流可表示為，

其中(cd：conduction/displacement)是與位移電流密度之間滿足連續(xù)性關系的傳導電流，(cc：conduction/conduction)是為負載提供的傳導電流分量。和滿足下列關系

在沒有負載，即GIS母線空載狀態(tài)下，電流連續(xù)性方程為方程(5)，在有負載的情況下電流連續(xù)方程包括方程(5)和方程(6)。

方程(5)表明傳導電流密度分量和位移電流密度在高壓導線表面是連續(xù)的。方程(5)也可以表示為

其中i為導體中流過的傳導電流，單位為A，對應于傳導電流的面積分；為電場強度，單位V/m，ε₀為真空介電常數(shù)，單位為F/m；而方程(7)右端電流對應于位移電流的面積分，即電容電流。

通過測量所述采樣電阻的電壓即可獲得流過采樣電阻的傳導電流，所述采樣電阻的電阻值已知，通過所述示波器獲取電壓信號，根據(jù)歐姆定律，便可獲得傳導電流的電流值，即方程(5)中括號里第一項對應的電流，也是方程(7)左邊的電流，同時，方程7中的所述探測片中所述金屬薄膜層與大地形成一個對地電容的電容C通過測量能夠獲知，等效于高壓導線與大地形成一個對地電容的電容C能夠獲知，這樣根據(jù)方程7，通過積分即可獲得高壓導線的對地電壓，根據(jù)預設的計算公式，獲得所述高壓導線表面的電場強度值。

需要注意的是：棒-板電極的棒形電極和平板電極在形狀上并不對稱，在進行基于金屬表面電場強度的電壓測量時需要考慮棒形電極的端部效應。

本實用新型還公開了一種測量高壓導線表面電場強度的測量裝置，如圖5所示，該測量裝置400包括測量高壓導線表面電場強度的測量電路410，其中，測量電路410的具體實施方式如上述任一實施例描述的高壓導線表面電場強度的測量電路所示，例如采用上述任一實施例的高壓導線表面電場強度的測量電路實現(xiàn)。

在本實施例中，例如，所述測量裝置還包括殼體，所述殼體上設置有一開關，一顯示屏、一散熱孔，所述顯示屏方便工作人員讀取預設信息，方便工作人員監(jiān)控所述測量裝置的運行情況，所述散熱孔能夠將測量裝置工作時產生的熱量及時散出。又如，所述殼體內還包括充電電池。又如，所述測量裝置還包括光纖接口，用來連接光纖。又如，所述殼體上設置有多個散熱孔。又如，所述散熱孔上設置有防塵網，放置灰塵及沙礫通過所述散熱孔進入所述殼體內。

上述測量高壓導線表面電場強度的測量裝置，通過所述測量電路，獲得交流電高壓導線表面電場強度，并能夠將所述交流電高壓導線表面電場強度傳輸?shù)阶冸娝瑥亩鴮崿F(xiàn)了通過交流電高壓導線表面電場強度來檢測交流電高壓導線線路運行狀態(tài)的目的，為檢測交流電高壓導線線路運行狀態(tài)提供了一種更加簡單易行的方法。

在另一實施方式中，如圖6及圖7所示，測量裝置500包括獲取模塊510及計算模塊520，所述計算模塊與所述獲取模塊通過導線連接。

獲取模塊510包括測量高壓導線表面電場強度的測量電路511，其中，測量電路511的具體實施方式如上述任一實施例描述的高壓導線表面電場強度的測量電路所示，例如采用上述任一實施例的高壓導線表面電場強度的測量電路實現(xiàn)。其中，所述獲取模塊還包括一電壓電流轉換器512，用于將所述測量電路測得電壓信號轉換為電流信號，所述電流值為感應電流值。所述獲取模塊用于根據(jù)采樣電阻的電阻值以及所述采樣電阻兩端的電壓，得到探測片的感應電流，其中所述探測片貼設于高壓導線的表面上，所述采樣電阻、所述探測片、所述高壓導線與外接交流電源形成回路。

計算模塊520，用于根據(jù)所述感應電流，計算所述高壓導線表面電場強度

在本實施例中，測量裝置500還包括傳輸模塊530，用于將計算得到的所述高壓導線表面電場強度傳輸?shù)阶冸娝?/p>

在本實施例中，所述探測片內設置有金屬薄膜層，所述金屬薄膜層與所述高壓導線表面貼合的側面設置有絕緣層。例如，所述金屬薄膜層為金屬薄膜層，所述金屬薄膜層貼設于所述高壓導線上。所述金屬薄膜層靠近所述高壓導線的一面設置有絕緣層。又如，所述金屬薄膜層為鋁薄膜、金薄膜、銀薄膜、金銀合金薄膜、金鋁合金薄膜或者銀鋁合金薄膜中的任意一種。又如所述金屬薄膜層的形狀為圓形體狀結構或者矩形體狀結構中的任意一種，又如，所述絕緣層為聚酰亞胺薄膜、聚氨酯薄膜、聚苯乙烯薄膜、聚四氟乙烯薄膜中的任意一種。又如，所述探測片的形狀為圓形，方便貼設于所述高壓導線上，又如所述探測片的形狀為帶狀，環(huán)繞貼設于所述高壓導線上。

在本實施例中，所述獲取模塊還包括殼體，所述殼體上還設置有一開關，一顯示屏、一散熱孔，所述殼體內還設置有充電電池。

在本實施例中，所述高壓導線表面電場強度測量裝置能夠測量的所述高壓導線包括特高壓導線、超高壓導線、帶毛刺高壓導線、GIS內部高壓導線中的任意一種。

在本實施例中，所述計算模塊至少包括數(shù)據(jù)接收組件、數(shù)據(jù)處理組件及數(shù)據(jù)傳出組件，具體用于根據(jù)所述探測片的感應電流，利用麥克斯韋方程計算所述高壓導線表面電場強度。

在本實施例中，所述傳輸模塊至少包括數(shù)據(jù)接收端口，數(shù)據(jù)傳輸線及數(shù)據(jù)送達端口，所述數(shù)據(jù)傳輸線為光纖。

上述測量高壓導線表面電場強度的測量裝置，通過獲取模塊、計算模塊及傳輸模塊，能夠獲得交流電高壓導線表面電場強度，并將所述交流電高壓導線表面電場強度傳輸?shù)阶冸娝瑥亩鴮崿F(xiàn)了通過交流電高壓導線表面電場強度來檢測交流電高壓導線線路運行狀態(tài)的目的，為檢測交流電高壓導線線路運行狀態(tài)提供了一種更加簡單易行新方法。

應該說明的是，上述裝置實施例中，所包括的各個模塊只是按照功能邏輯進行劃分的，但并不局限于上述的劃分，只要能夠實現(xiàn)相應的功能即可；另外，各功能模塊的具體名稱也只是為了便于相互區(qū)分，并不用于限制本實用新型的保護范圍。

需要說明的是，以上所述實施例中，當一個元件被認為是“連接”另一個元件，可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在中間元件。相反，當元件為稱作“直接”與另一元件連接時，不存在中間元件。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對實用新型專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。因此，本實用新型專利的保護范圍應以所附權利要求為準。