孫 康,張周勝,潘文珂

(1.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,上海 200090;2.國網(wǎng)上海市電力公司,上海 200090)

0 引言

氣體絕緣輸電線路(gas insulated transmission line,GIL)中心導(dǎo)體長時間通有直流高壓,導(dǎo)致內(nèi)部盆式絕緣子表面產(chǎn)生電荷積聚現(xiàn)象且難以消散,積聚的表面電荷改變了GIL內(nèi)部電場分布,影響了輸電管道正常運行[1-3]。研究表明,電荷積聚到一定程度時,可使110 kV三相共箱式絕緣子閃絡(luò)電壓下降為原來的76.6%[4]。當(dāng)前,很多專家學(xué)者都將研究重點放在了表面電荷測量上,而一個良好的測量平臺是完成這項研究的前提。楊為等設(shè)計了一套表面電荷測量系統(tǒng),可實現(xiàn)對GIL縮小模型絕緣子的電荷測量[5],測量期間固定靜電探頭不動,通過可旋轉(zhuǎn)操作臺轉(zhuǎn)動絕緣子進行表面電荷測量,但對于實際GIL罐體尺寸較大,很難通過旋轉(zhuǎn)罐體來完成測量工作。張博雅等研制的測量系統(tǒng)可實現(xiàn)對絕緣子進行離線測量[6],即加壓一段時間待電荷積聚后撤去電壓再進行測量,雖然表面電荷積聚后消散過程緩慢,但這也會給測量結(jié)果帶來一定的誤差,且無法表征表面電荷的動態(tài)積聚過程。同時該團隊使用的是尺寸為70 mm×70 mm的方形絕緣子試樣,測量140個點位就需用時5 min,若要針對實際大尺寸的GIL盆式絕緣子,則需要更長的測量時間,由于探頭由金屬材料制成,測量過程中需要始終位于絕緣子表面上方,此時相當(dāng)于絕緣子表面長期存在一個金屬器件,很有可能會引起空間離子流場發(fā)生變化,影響到測量結(jié)果。

針對以上不足,本文以DSP為核心控制芯片,搭建了一套可通過步進電機控制三維操縱機構(gòu)的運動控制系統(tǒng),并對系統(tǒng)軟硬件進行設(shè)計,最終可實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確自動測量GIL不同加壓時間下的盆式絕緣子表面電荷積聚情況。文中還參照實際GIL盆式絕緣子結(jié)構(gòu)搭建了二維仿真模型進行仿真,并與實際測量結(jié)果對比,給出了兩者的誤差大小。

1 表面電荷在線測量系統(tǒng)

1.1 有源靜電探頭原理

對于表面電荷測量研究,靜電探頭法已成為主流測量方法,靜電探頭分為有源和無源2種,相較于無源靜電探頭,有源靜電探頭測量精度更高,其工作原理簡述如下:有源靜電探頭中感應(yīng)電極受振蕩器控制而產(chǎn)生垂直于被測表面的高頻正弦振蕩,使得探頭與被測表面組成的等效電容C發(fā)生改變,當(dāng)探頭電壓U1與被測點電壓U2不相等時,即ΔU=U1-U2≠0,根據(jù)Q=CΔU,則探測電路檢測到感應(yīng)電流i,感應(yīng)電流i經(jīng)放大器放大后通過靜電電壓表中的相敏解調(diào)器轉(zhuǎn)換成直流信號,之后根據(jù)該直流信號的大小來控制探頭電壓U1的數(shù)值,直至U1=U2,此時感應(yīng)電流i為0,電壓源的輸出電壓即為被測表面電位。文中后續(xù)試驗采用的探頭是Trek MODEL347配套的6300-7型有源靜電探頭,當(dāng)探頭距離絕緣子表面較遠時,測量結(jié)果依然準(zhǔn)確[7]。

1.2 控制測量系統(tǒng)構(gòu)成

表面電荷在線測量系統(tǒng)主要由表面電荷測量系統(tǒng)和電機運動控制系統(tǒng)組成。其中,電荷測量系統(tǒng)由靜電探頭、靜電電壓表、盆式絕緣子、直流電源、示波器組成。直流電源用于對GIL中心導(dǎo)體施加直流高壓,靜電探頭用于測量絕緣子表面電位,靜電電壓表與靜電探頭連接用于顯示電位信息,示波器用于測量數(shù)據(jù)的讀取和保存。

電機運動控制系統(tǒng)主要由一套三維操縱機構(gòu)和4臺步進電機組成,分別為仰角電機、軸向電機、徑向電機和旋轉(zhuǎn)電機。其中仰角電機型號為GM15BY永磁步進電機,用于固定靜電探頭,保持探頭與絕緣子表面垂直;軸向電機可控制探頭x軸方向運動,精度為0.05 mm;徑向電機可控制探頭y軸方向運動,精度為0.05 mm;旋轉(zhuǎn)電機控制探頭進行旋轉(zhuǎn)操作,輸出扭矩為12 N·m。該運動控制系統(tǒng)可通過上位機進行操控,帶動探頭運動到待測絕緣子表面,完成測量工作,運動控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電機運動控制系統(tǒng)

2 電機控制系統(tǒng)設(shè)計

電機控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2所示,主要由DSP微控制器、電機驅(qū)動器和上位機等組成。其中,DSP微控制器與上位機之間通過SP232串口通訊芯片進行實時數(shù)據(jù)通信,從而接收和發(fā)送對電機的控制指令。通過總線控制器和步進電機專用控制芯片或電機驅(qū)動器對各個電機進行精準(zhǔn)控制[8]。

圖2 控制系統(tǒng)總體框圖

DSP微控制器通過串口接收上位機發(fā)送的電機控制指令,并對指令進行解析,將解析后的控制信號經(jīng)8路總線控制器分別發(fā)送給4個步進電機,控制相應(yīng)電機動作。其中,通過L297D步進專用控制器和L298N驅(qū)動芯片對總線信號進行處理和功率放大,從而驅(qū)動徑向電機和仰角電機;通過專門的步進電機驅(qū)動器(型號分別為2DM860H和MA860C)對總線信號進行處理,從而控制軸向電機和旋轉(zhuǎn)電機運動。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 DSP芯片模塊

本文步進電機控制系統(tǒng)核心處理器型號為TMS320F2812的DSP芯片,芯片內(nèi)部集成了大量外設(shè),具有UART、RS485、CAN、PWM等總線接口。其串口通訊穩(wěn)定快速,丟包率低,有效提高了本系統(tǒng)設(shè)備間的通訊穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)單片機相比,它可同時訪問程序、數(shù)據(jù),具有更高集成度和更快的執(zhí)行速度。

2.1.2 串口通訊模塊

由于步進電機控制電路板和計算機之間使用不同類型的信號電平進行通信,其中電路板使用TTL電平信號,而計算機的串口使用標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平信號,因此需要通過SP232EEN芯片將TTL信號轉(zhuǎn)換為RS232電平以實現(xiàn)兩者之間的正常通信。此外,SP232EEN芯片還具有保護功能,可以防止?jié)撛诘碾姎飧蓴_和過電壓損壞電路板和計算機。具體通訊電路如圖3所示。

2.1.3 電機八路總線控制器

SN74HCT245PWR 8路總線收發(fā)器專為數(shù)據(jù)總線之間的異步雙向通信而設(shè)計,可控制多個設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸,文中通過2個8路總線控制器就可實現(xiàn)對4個步進電機的控制,簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計。

控制系統(tǒng)中軸向電機和旋轉(zhuǎn)電機配備專用步進電機驅(qū)動器,通過使能端口ENA、脈沖端口PUL和轉(zhuǎn)向端口DIR對步進電機進行控制;徑向電機和仰角電機通過L297D和L298N電機驅(qū)動芯片進行控制,需要使能端ENABLE、半/全波控制HALF/FULL、時鐘CLOCK、正反轉(zhuǎn)CW/CCW和控制CONTROL 5個IO端口控制。

八路總線控制模塊如圖4所示。以軸向電機和徑向電機為例,DSP接收到上位機發(fā)送的脈沖指令,通過數(shù)據(jù)處理,提取出軸向電機和徑向電機的運行脈沖個數(shù)和方向?？刂戚S向電機的ENA1、PUL1和DIR1信號經(jīng)過總線控制器輸出,經(jīng)過信號電平變換,最終輸出至步進電機驅(qū)動器(2DM860H);控制徑向電機的5路信號經(jīng)過總線控制器輸出后,輸出至L297D專用步進電機控制器輸出4路脈沖信號,再通過L298N對輸出的脈沖信號進行功率放大,最終完成徑向電機的控制。

圖4 八路總線控制模塊原理圖

2.1.4 電機驅(qū)動模塊

由于八路總線輸出的脈沖信號功率很低,僅為70 mA,無法驅(qū)動步進電機,所以需要對步進電機控制的脈沖信號進行功率放大,其中軸向電機和旋轉(zhuǎn)電機配備專用電機驅(qū)動器,驅(qū)動電流可達7.2 A。徑向電機和仰角電機通過L297D驅(qū)動集成電路控制產(chǎn)生對應(yīng)的控制脈沖信號,L298N對脈沖信號功率進行放大,電機驅(qū)動電路原理如圖5所示。八路總線控制器輸出的5路信號輸入到L297D專用步進電機驅(qū)動芯片,輸出4路脈沖信號A、B、C、D,通過L298N放大后的脈沖信號O_A、O_B、O_C、O_D再連接徑向電機或仰角電機,進而控制電機的步進角度和步進方向。

圖5 電機驅(qū)動模塊原理圖

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括下位機和上位機程序設(shè)計,下位機程序采用Code Composer Studio 編程環(huán)境設(shè)計,DSP作為TI公司產(chǎn)品線,公司為用戶提供了開發(fā)調(diào)試DSP的集成開發(fā)軟件,包括函數(shù)庫等,可大大提高編程效率。

上位機和下位機之間的通訊方式選為串口通訊,波特率為19 200,數(shù)據(jù)位為8位,采用的通訊協(xié)議具體形式為“#MOVE,a,b,c,d”。其中,“#MOVE”作為數(shù)據(jù)協(xié)議的幀頭,用來判斷數(shù)據(jù)是否到達及防止數(shù)據(jù)亂碼導(dǎo)致電機誤動,“a,b,c,d”作為4個電機接收的數(shù)據(jù)大小。

通訊數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示。由上位機發(fā)送指令,下位機接收到串口數(shù)據(jù)后,對數(shù)據(jù)進行幀頭提取和判斷,如果幀頭形式為“#MOVE”,則數(shù)據(jù)正確;否則數(shù)據(jù)異常,不進行處理,并對正常的數(shù)據(jù)進一步提取。圖中,j=1代表軸向電機,j=2代表徑向電機,j=3代表旋轉(zhuǎn)電機,j=4代表仰角電機。每次提取出對應(yīng)步進電機的運行脈沖數(shù)后最后通過DSP微控制器進行PWM脈沖輸出控制。

圖6 電機控制流程圖

2.3 盆式絕緣子測量路徑設(shè)計

為了進一步方便絕緣子表面電荷測量以及提高系統(tǒng)的人機交互能力,文中設(shè)計了靜電探頭測量路徑算法,路徑算法將規(guī)劃好的路徑(線位移或角位移)以點的形式換算成一組脈沖值。測量時從絕緣子最外一圈開始,按照設(shè)計好的各圈間距和圈數(shù),直至掃描到最后一圈,每一圈的測量方向均與上一圈方向相反,以免線路纏繞。測量點的坐標(biāo)用測量點位置與中心導(dǎo)體的連線和中心導(dǎo)體鉛垂線之間的夾角α表示,測量路徑示意圖如圖7所示。每個測量點位可設(shè)置停頓時間,最小為1 s,大大提高了測量速度。若遇突發(fā)情況,可緊急制動。數(shù)據(jù)讀取保存方式為選取示波器采樣時刻波形上的100個數(shù)據(jù),最后取平均值并保存,可有效提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。測量結(jié)束后通過“復(fù)位”功能可將探頭返回至初始測量點,便于后續(xù)試驗。

圖7 絕緣子表面電荷測量示意圖

3 仿真分析與試驗測量

3.1 表面電荷積聚仿真

針對絕緣子表面電荷積聚模型,仿真采用固體-氣體-表面電導(dǎo)綜合模型[9]。

固體側(cè)電導(dǎo)jb代表了固體電介質(zhì)中的電荷載流子對表面電荷積聚的貢獻程度,即固體側(cè)體電流密度,表達式為

jb=?tD+Kv·Eb

(1)

式中:D為電通密度,C/m2;Kv為固體材料電導(dǎo)率,S/m;Eb為固體電介質(zhì)內(nèi)部場強,N/C。

氣體側(cè)自由電荷來源有3類:自然電離、微放電及場致發(fā)射,其中微放電主要由電極表面缺陷引起,場致發(fā)射主要在高場強下才會發(fā)生,本試驗所用絕緣子表面平滑幾乎無缺陷,且電壓施加幅值并不高,場強相對較低,故本仿真忽略上述2種因素,僅考慮氣體電離輻射過程。其中氣體分子熱電離溫度需1 000 K以上,因此忽略氣體分子碰撞影響,在低電場下,GIL盆式絕緣子表面電荷積聚來源主要是由中心導(dǎo)體電離氣體產(chǎn)生的?？杉僭O(shè)氣體側(cè)只發(fā)生電離輻射過程并認(rèn)為影響表面電荷積聚的主要因素是載流子的遷移、擴散和復(fù)合過程。最終,正負(fù)載流子密度可由傳遞函數(shù)方程表示為[10]:

(2)

(3)

式中:n+為正載流子密度,m-3;n-為負(fù)載流子密度,m-3;R為復(fù)合系數(shù),m3/s;μ+為正離子遷移率,m2/(V·s);μ-為負(fù)離子遷移率,m2/(V·s);D+為正離子擴散系數(shù),m2/s;D-為負(fù)離子擴散系數(shù),m2/s;nIp為離子對生成速率,mol/(m3·s)。

正負(fù)電荷密度與電位φ的關(guān)系,由泊松方程表示為:

(4)

(5)

式中:e為帶電電荷量;ε為氣體的相對介電常數(shù)。

由愛因斯坦方程式可得正負(fù)離子擴散系數(shù)與正負(fù)離子遷移系數(shù)之間的關(guān)系:

(6)

式中:k為玻爾茲曼常數(shù);T為溫度,K。

聯(lián)立式(2)～式(6)最終可得氣體側(cè)電流密度表達式為

(7)

沿面電流密度取決于絕緣子表面電導(dǎo)率和電場強度切向分量,表達式為

js=div(κs·Eτ)

(8)

式中:κs為表面電導(dǎo)率,S/m;Eτ為氣固界面沿面電場切向分量。

當(dāng)在實驗室環(huán)境下(較低的相對濕度)且絕緣子表面未經(jīng)特殊處理,表面電導(dǎo)率可以忽略[11]。

最終建立如下數(shù)學(xué)模型:

?tρs=n·jb-n·jg

(9)

其中:ρs為表面電荷密度;jb為固體側(cè)電流密度;jg為氣體側(cè)電流密度;n為氣固界面的電場法向分量。

利用上述數(shù)學(xué)模型,在有限元仿真軟件COMSOL中,搭建了與后續(xù)試驗所用GIL完全相同的仿真模型?；谒褂肎IL罐體為三維對稱結(jié)構(gòu),仿真時將其簡化為一個二維模型計算,可有效降低內(nèi)存和數(shù)學(xué)運算,同時避免不收斂情況發(fā)生,同時假設(shè)以靠近中心導(dǎo)體位置為弧長0 mm位置。高壓導(dǎo)體和接地外殼選用304不銹鋼材料。絕緣子采用Al2O3摻雜環(huán)氧樹脂材料,相對介電常數(shù)為4.9,罐體內(nèi)部介質(zhì)為空氣,仿真模型示意圖如圖8所示。

圖8 二維仿真模型示意圖

由于后續(xù)試驗所用靜電電壓表量程范圍為±3.5 kV,為避免試驗對儀器造成損害,首先在靜電場中仿真,不考慮粒子的微觀運動過程,加壓+30 kV,仿真結(jié)果如圖9所示,弧長187.5 mm位置靜電場電勢已超過3 kV,故將后續(xù)試驗待測量區(qū)域設(shè)置為弧長188 mm位置至弧長227 mm位置。

圖9 +30 kV靜電場仿真結(jié)果

考慮粒子微觀運動過程后,各仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

對中心導(dǎo)體施加+30 kV電壓,得到各時間絕緣子表面電位分布情況,仿真結(jié)果如圖10所示。圖中顯示隨著加壓時間的增加,絕緣子表面各個點位的電勢都有所上升,表明絕緣子表面積聚的正電荷在不斷增加,同一測量時刻,弧長位置沿中心導(dǎo)體處至接地外殼處電勢不斷下降,表明越靠近中心導(dǎo)體處積聚的正電荷越多。

圖10 +30 kV仿真結(jié)果

3.2 表面電荷在線測量試驗與結(jié)果討論

為驗證在線測量系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性,同時與上述仿真形成對比,在利用該系統(tǒng)進行實際測量時,同樣選擇一條弧長作為測量區(qū)域,試驗前先用沾有無水乙醇的靜電除塵紙按同一方向輕輕擦拭盆式絕緣子表面,待自然風(fēng)干后,通過探頭對表面進行預(yù)測量,若靜電電壓表數(shù)值顯示在±5 V之間,則表明加壓前絕緣子表面基本無初始電荷,可認(rèn)為滿足后續(xù)測量要求,實驗平臺搭建如圖11所示。

圖11 試驗平臺搭建

經(jīng)直流電源對GIL中心導(dǎo)體施加+30 kV電壓,加壓時間為8 h,每隔2 h利用上述測量系統(tǒng)對絕緣子進行一次表面電位在線測量,測量方式為從弧長227 mm位置至188 mm位置,每隔3 mm作為一個采樣點,共測量14個點位,每個點位測量時間為1 s,一次完整測量結(jié)束后經(jīng)“復(fù)位”功能將探頭退出至罐體外。

對中心導(dǎo)體加壓2 h、4 h、6 h以及8 h的絕緣子表面電荷在線測量結(jié)果如圖12所示。隨著加壓時間的增加,各測量點位電勢總體趨勢是不斷增加的,除了在弧長215 mm至弧長227 mm位置8 h的電位值較6 h的電位值略微有所下降。

圖12 +30 kV在線測量結(jié)果

通過與上述仿真結(jié)果對比,兩者在大體形狀及趨勢上都是相同的,加壓時間越長,絕緣子表面測量到的電位值也越高,沿中心導(dǎo)體至接地外殼,同一時間測量值不斷下降。

為進一步分析該控制系統(tǒng)在進行在線測量時的準(zhǔn)確度及誤差大小,分別對比了2、4、6、8 h的測量結(jié)果與仿真結(jié)果,如圖13所示。

(a)2 h

由圖13可以看出,不同加壓時間仿真結(jié)果和測量結(jié)果貼合的都較為緊密,2、4、6、8 h仿真結(jié)果與測量結(jié)果最大相對誤差分別為15%、10.04%、7.96%和5.84%?？紤]到試驗條件與仿真條件不可能完全一致,存在很多不可控因素,造成兩者結(jié)果存在誤差,但總體誤差并不大,可認(rèn)為測量結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)束語

本文基于有源靜電探頭法設(shè)計了一套可通過控制電機運動對GIL盆式絕緣子進行表面電荷測量的測量系統(tǒng),相較于傳統(tǒng)測量方法,該系統(tǒng)可以在加壓情況下自動測量實際GIL盆式絕緣子表面電荷積聚情況,測量速度快,真實性和準(zhǔn)確度較高。同時根據(jù)表面電荷積聚機理對GIL絕緣子進行建模仿真,并將測量結(jié)果和仿真結(jié)果對比,兩者結(jié)果高度吻合,最大誤差為15%,認(rèn)為該測量系統(tǒng)可為后續(xù)絕緣子表面電荷在線測量研究提供參考。