专利摘要

本发明公开了一种适合于不同电压等级的离子电流测量装置的优化设计方法，包括以下步骤：1)计算直流输电线路中导线周围的离子流场，提取地面附近的离子电流密度作为离子电流密度测量误差分析模型的边界条件；2)基于场路耦合法建立离子电流密度测量误差分析模型；3)选取测量平台中威尔逊板的采样电阻；4)模拟不同尺寸的威尔逊板对直流输电线路中导线周围的离子电流密度，分析威尔逊板的长度、宽度及厚度对离子电流密度测量误差的影响，利用误差最小时对应的威尔逊板的长度、宽度及厚度构建当前电压等级的离子电流测量装置，该方法设计得到的离子电流测量装置能够有效的提高高压直流输电线路离子电流测量的准确性。

权利要求

1.一种适合于不同电压等级的离子电流测量装置的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）计算直流输电线路中导线周围的离子流场，提取地面附近的离子电流密度作为离子电流密度测量误差分析模型的边界条件；

2）基于场路耦合法建立离子电流密度测量误差分析模型；

3）选取测量平台中威尔逊板的采样电阻；

4）模拟不同尺寸的威尔逊板对直流输电线路中导线周围的离子电流密度测量，再基于离子电流密度测量误差分析模型分析威尔逊板的长度、宽度及厚度对离子电流密度测量误差的影响，然后确定测量误差最小时对应的威尔逊板的长度、宽度及厚度，最后利用误差最小时对应的威尔逊板的长度、宽度及厚度构建当前电压等级的离子电流测量装置；

步骤2）中构建的离子电流密度测量误差分析模型为：

（6）

其中，Error为离子电流密度的测量误差，J为离子电流密度，U为采样电阻上的电压，RZ为采样电阻。

2.根据权利要求1所述的适合于不同电压等级的离子电流测量装置的优化设计方法，其特征在于，利用不同尺寸的威尔逊板对直流输电线路中导线周围的离子电流密度测量时，威尔逊板的宽度方向与导线的垂直方向一致，威尔逊板的长度方向与导线的方向一致。

3.根据权利要求1所述的适合于不同电压等级的离子电流测量装置的优化设计方法，其特征在于，当用于800kV直流输电线路时，则误差最小时对应的威尔逊板的长度、宽度及厚度分别为0.8m、1m及0.05m。

说明书

技术领域

本发明涉及一种离子电流测量装置的优化设计方法，具体涉及一种适合于不同电压等级的离子电流测量装置的优化设计方法。

背景技术

高压直流输电在远距离输电中有很大的优势。然而当导线周围电场达到一定强度时，导线周围将产生电晕放电，且当输电线路在正常运行时，导线周围也允许存在一定的电晕放电。电晕所产生的空间电荷发生迁移形成了离子流场。目前，我国规定±800kV直流输电线路地面附近的离子电流密度不能超过100nA/m2，因此准确测量离子电流密度十分重要。

威尔逊板目前广泛应用在高压直流输电线路的离子电流的测量上，但目前对于该测量装置的研究很少，专家学者主要关心高压直流输电线路离子流场的数值计算方法，试验也通常为验证数值计算结果的准确性或研究离子流场的分布情况，往往忽略了测量数据的准确性是仿真正确性验证的前提。

威尔逊板测量原理：如图1所示为威尔逊板的测量原理，当导线电晕产生的电荷落到离子收集区域，威尔逊板将离子收集并通过采样电阻RZ流入地下，采样电阻上的电压可以被电压表测量，并且平均离子电流密度的计算公式为：

Jav＝I/S

其中，I为采样电阻上的电流。

威尔逊板放置于地面上方，由于采样电阻的数量级与离子电流的数量级十分小，威尔逊板离子收集区域的电势可以视为0V。因此，我们认为威尔逊板在测量过程中不会影响离子流场的分布。

工程上目前采用的威尔逊板一般为1m×1m，该尺寸参考了中华人民共和国电力行业标准(直流换流站与线路合成场强、离子流密度测量方法)，对于厚度没有具体的规定。由于电压等级的不同，输电线路敷设时线路选型、线路敷设方式以及离子电流密度的分布等都会不同，而同样尺寸的威尔逊板应用在不同电压等级的离子流场显然不再适应，为提高高压直流输电线路离子电流测量准确性，减小设备的测量误差，需设计一种适合于不同电压等级的离子电流测量装置的优化设计方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种适合于不同电压等级的离子电流测量装置的优化设计方法，该方法设计得到的离子电流测量装置能够有效的提高高压直流输电线路离子电流测量的准确性。

为达到上述目的，本发明所述的适合于不同电压等级的离子电流测量装置的优化设计方法包括以下步骤：

1)计算直流输电线路中导线周围的离子流场，提取地面附近的离子电流密度作为离子电流密度测量误差分析模型的边界条件；

2)基于场路耦合法建立离子电流密度测量误差分析模型；

3)选取测量平台中威尔逊板的采样电阻；

4)模拟不同尺寸的威尔逊板对直流输电线路中导线周围的离子电流密度测量，再基于离子电流密度测量误差分析模型分析威尔逊板的长度、宽度及厚度对离子电流密度测量误差的影响，然后确定测量误差最小时对应的威尔逊板的长度、宽度及厚度，最后利用误差最小时对应的威尔逊板的长度、宽度及厚度构建当前电压等级的离子电流测量装置。

当用于800kV直流输电线路时，则误差最小时对应的威尔逊板的长度、宽度及厚度分别为0.8m、1m及0.05m。

利用不同尺寸的威尔逊板对直流输电线路中导线周围的离子电流密度时，威尔逊板的宽度方向与导线的垂直方向一致，威尔逊板的长度方向与导向的方向一致。

步骤2)中构建的离子电流密度测量误差分析模型为：

Error＝|U/Rz-∫Jds|/∫Jds(6)

其中，Error为离子电流密度的测量误差。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的适合于不同电压等级的离子电流测量装置的优化设计方法在具体操作时，先构建离子电流密度测量误差分析模型，再利用离子电流密度测量误差分析模型分析威尔逊板的长度、宽度及厚度对离子电流密度测量误差的影响，然后利用误差最小时对应的威尔逊板的长度、宽度及厚度构建当前电压等级的离子电流测量装置，以提高高压直流输电线路离子电流测量的准确性，经试验，本发明设计的离子电流测量装置能够将离子电流密度的测量误差控制在5％以内。

附图说明

图1为威尔逊板的测量原理图；

图2为800kV直流输电线路模型图；

图3为导线周围的电荷密度分布图；

图4为地面附近离子电流密度分布图；

图5为地面附近离子电流测量点分布图；

图6为离子电流密度测量的场路耦合模型图；

图7为不同威尔逊板厚度对离子电流测量密度的影响图；

图8为不同威尔逊板宽度对离子电流测量密度的影响图；

图9为不同威尔逊板宽度对离子电流测量密度的影响图；

图10为形状对离子电流测量密度测量误差的影响图；

图11为实验室条件下威尔逊板的放置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

目前高压直流输电线路主要以正负800kV直流输电线路居多，本发明以该电压等级的输电线路为例，具体操作过程为：

1)计算正负800kV直流输电线路中导线周围的离子流场，提取地面附近的离子电流密度作为离子电流误差分析模型的边界条件；

采用数值计算方法建立高压直流输电线路模型，例如，有限元迭代法及上流有限元法，计算输电线路周围的离子流场分布，并提取地面附近的离子电流密度。

离子流场的控制方程为：

其中，ρ为空间电荷的密度；ε为气体介电常数，电流密度J为：

其中，k为电荷运动的迁移率，E为电场强度，仿真是一个静态过程，电流密度的散度恒为0，则电流连续性方程为：

其中，D为扩散系数，D的表达式为：

D＝kBTk/e0(4)

其中，kB为波尔茨曼常数，T为绝对温度，e0为电子电荷。

图2为800kV直流输电线路模型，威尔逊板放置于导线下方进行测量。

图3为导线周围的电荷密度分布，越靠近导线周围电荷密度越大，电荷密度的最大值为280nC/m3；

图4为地面附近离子电流密度分布，与导线的位置越远，离子电流密度越小，由于曲线关于导线对称，选择导线右边6个位置进行研究，以曲线上6点作为起始点，以威尔逊板的宽度作为曲线提取的长度。然后将这些提取的曲线作为离子电流密度测量误差分析模型的狄利克雷边界条件。

将图4中曲线进行公式拟合，拟合结果如式(5)所示。

其中，a0＝5.935，a1＝-5.345，b1＝-8.574，a2＝-3.001，b2＝6.117，a3＝4.094,b3＝-0.4139，a4＝-1.439，b4＝-1.859，a5＝-0.4251，b5＝1.155，a6＝0.6145，b6＝-0.1257，a7＝-0.2261，b7＝-0.2411，a8＝-0.03581，b8＝0.1388，w＝0.04155。

图5为地面附近离子电流测量点，与图4中的6个测量点保持一致，每块板子相距10m。

2)基于场路耦合法建立离子电流密度测量误差分析模型

图6为威尔逊板测量的场路耦合模型，虚线框表示威尔逊板的路结构，图6中的电流源即为所述离子电流密度提取曲线，RZ和电压表组成路模型。

离子电流密度测量的误差为：

Error＝|U/Rz-∫Jds|/∫Jds(6)

3)采样电阻的选择

威尔逊板的测量平台中采样电阻是一个非常重要的参数，采样电阻RZ的选择原则总结如下；

a)采样电阻不能大于或接近威尔逊板的电阻，否则，威尔逊板将使得RZ上的电流分流，影响测量准确性；

b)由于空气中的离子电流密度很小，一般在nA/m2数量级别，因此采样电阻不能太小，否则，RZ上测得的电压将小于测量设备的量程。

4)威尔逊板尺寸参数的选取

威尔逊板的初始尺寸为1m×1m×0.03m，图7表示不同威尔逊板厚度对离子电流测量密度的影响，威尔逊板的测量误差将随着厚度的增大而增加。当厚度为5cm的时候，其测量误差最小的位置在第一块威尔逊板处，其值为4.7％。当厚度为3cm时，在同一位置的测量误差为7.7％，相较于5cm厚度的威尔逊板，误差增长了3％。不同厚度的威尔逊板测量误差曲线，都在第五块威尔逊板处出现极小值。这是因为威尔逊板的测量原理为取离子电流的平均值作为威尔逊板中心的值。当作用威尔逊板上的离子电流曲线为一条45°的直线时，测量误差为0。作用在威尔逊板上的曲线不对称性越大，测量误差越大，考虑到经济性的原因，威尔逊板的厚度选择5cm，而不再增加其厚度。

垂直导线方向的威尔逊板长度定义为宽度，此时威尔逊板的初始尺寸为1m×1m×0.05m，如图8展示了不同威尔逊板宽度对离子电流测量密度的影响。随着威尔逊板宽度的增加，测量误差随之增大。当威尔逊板的宽度为0.8m，在所有宽度引起的测量误差中最低，曲线中第1块和第6块威尔逊板的测量误差分别为最小和最大，其值分别为4％和4.7％。当威尔逊板的宽度为1.2m，在所有宽度引起的测量误差中最高，曲线中第1块和第6块威尔逊板的测量误差分别为最小和最大，其值分别为6.25％和7.2％。两种宽度的威尔逊板测量误差相差2.5％。造成这一现象的原因为：威尔逊板越窄，威尔逊板上的离子电流密度越接近45°的直线。

沿着导线方向威尔逊板的长度定义为长度，此时威尔逊板的初始尺寸为1m×1m×0.05m，图9为不同威尔逊板宽度对离子电流测量密度的影响。测量误差与长度成正比。当威尔逊板的长度为0.8m时，此时威尔逊板的测量误差在所有长度中最小。曲线中第1块和第6块威尔逊板的测量误差分别为最小和最大，其值分别为3.7％和4.5％。当威尔逊板的长度为1.2m，在所有宽度引起的测量误差中最高，曲线中第1块和第6块威尔逊板的测量误差分别为最小和最大，其值分别为6.25％和7.1％。两种长度的威尔逊板误差相差了2.6％。这些误差主要由两方面因素引起，首先是作用在板子上的离子电流密度曲线的不对称性，其次是不同长度引起的不同边缘效应。改变长度所引起的误差主要是受到边缘效应的影响。

图10为形状对离子电流测量密度测量误差的影响，方形的尺寸为1m×1m×0.05m，圆形的面积为1m2，其厚度为0.05m.长方形1的尺寸为0.8m×1m×0.05m，长方形2的尺寸为1m×0.8m×0.05m。由图可知，正方形的误差最大，圆形其次，方形2第三，方形1第四。当使用方形1进行测量时，六块威尔逊板的测量误差都将小于5％，因此威尔逊板的设计应参考方形1的形状。

通过上述研究我们可以总结得到：为了提高威尔逊的测量精度，建议800kV直流输电线路离子流场采用0.8m×1m×0.05m。

验证：离子流场通过不同形状的威尔逊板进行测量以验证模型的正确性，大厅高度为2.8m，导线的截面积为0.5mm2，导线上施加的电压等级为40kV和50kV。由于实验室中的导线尺寸、电压等级、以及实验室空间均小于实际工程，因此威尔逊板需采用缩尺模型。图11为威尔逊板的放置位置图，导线下方有两块威尔逊板，板1的面积为0.5m×0.5m，板2的面积为0.3m×0.3m，两块板均放置在导线正下方。

表1展示了威尔逊板的测量误差，Error1表示实际测量误差，Error2表示模型计算的测量误差。由表1可知，在不同电压等级下板2的实际测量误差与模型计算的测量误差均小于板1。同时也可知电压等级为50kV时，测量误差与模型计算的测量误差均小于电压等级为40kV。因此可以认为不同电压等级的离子电流测量装置需要本发明对威尔逊板进行优化设计，同时适量减小威尔逊板的长度和宽度，有益于控制威尔逊板的测量准确性，因而验证了上述误差分析模型的结果。

表1

适合于不同电压等级的离子电流测量装置的优化设计方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。