CN107515364A - 一种基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导线电晕放电的无线电干扰测量装置及方法。该装置包括：时域测量天线、测量电阻、电压测量元件、电压采集元件和计算机，时域测量天线与测量电阻相连，时域测量天线与测量电阻均接地，电压测量元件与测量电阻并联，电压采集元件的输入端与电压测量元件相连，输出端与计算机相连，时域测量天线用于接收由导线电晕放电产生的无线电干扰电场的时域信号；测量电阻用于对所述时域测量天线进行分压；电压测量元件用于测量所述测量电阻两端的时域电压；计算机用于对时域电压进行处理，得到所述无线电干扰的时域特性。本发明提供的装置及方法，实现了对空间场强信号的实时采集和记录，能够较全面地获得电晕放电无线电干扰的特性。

Description

一种基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置及方法

技术领域

本发明涉及无线电领域，特别是涉及一种基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置及方法。

背景技术

随着经济的发展，建立长距离、大容量、低损耗的输电***已成为我国电网发展的必然。特高压交、直流输电网除了能满足电能大规模和远距离输送的需求外，还可以大幅度提高电网自身的安全性、可靠性、灵活性和经济性，具有显著的社会效益和经济效益。然而，电网的运行电压等级越高，相应的技术要求也就越高。

当导线表面场强较大而超过起晕场强时，导线会发生电晕放电现象，放电引起的电晕电流会产生无线电干扰，在输电线路设计时需要对线路周围的无线电干扰水平进行限制。目前，国内外一般依据国际无线电干扰特别委员会(CISPR-International SpecialCommittee on Radio Interference)或美国国家标准协会(ANSI-American NationalStandards Institute)的标准来测量输电线路的无线电干扰，只在0.5MHz或1.0MHz进行单频点测量，或者为了消除驻波影响，选取一些典型频率进行多频点测量。然而，这种测量方法有其缺点：(1)测量结果丢失了大量的时域特征信息，比如，无线电干扰脉冲的波形参数等；(2)该方法属于频域测量方法，较难剔除背景噪声对测量结果的影响；(3)无线电干扰频谱特性反映的是一段时间内无线电干扰的综合效应，与观测点位置、导线类型、导线布置形式、大地参数等因素紧密相关，未测量频率处的无线电干扰只能通过经验公式外推得到，而经验公式只适用于有限的频率范围和空间范围，误差较大；(4)若想获得多个频点的无线电干扰的特性，需要采用扫频的方法，测试时间较长。可见，现有无线电干扰的频域测试方法局限性较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置及方法，能够实现对空间场强信号的实时采集和记录，可以获得无线电干扰随时间的变化规律，能够较全面地获得电晕放电无线电干扰的特性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置，所述装置包括：

时域测量天线，所述时域测量天线用于接收由导线电晕放电产生的无线电干扰电场的时域信号；

测量电阻，所述测量电阻用于对所述时域测量天线进行分压；

电压测量元件，所述电压测量元件用于测量所述测量电阻两端的时域电压；

电压采集元件，所述电压采集元件用于采集所述电压测量元件测量的所述时域电压，并将所述时域电压传输至计算机；

计算机，所述计算机用于对所述时域电压进行分析处理，得到所述无线电干扰的时域特性；

所述时域测量天线的一端与所述测量电阻的一端相连，所述时域测量天线的另一端与所述测量电阻的另一端均接地，所述电压测量元件与所述测量电阻并联，所述电压采集元件的输入端与所述电压测量元件相连，所述电压采集元件的输出端与所述计算机相连。

可选的，所述装置还包括接地电板，所述时域测量天线与所述测量电阻固定在所述接地电板上。

可选的，所述时域测量天线为柱状天线。

可选的，所述时域测量天线的长度为40cm。

可选的，所述测量电阻的阻值为10kΩ。

可选的，所述电压测量元件为电压探头。

可选的，所述采集元件为高速数据采集卡。

本发明还提供了一种基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量方法，所述方法应用于本发明提供的基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置，所述装置包括：

时域测量天线，所述时域测量天线用于接收由导线电晕放电产生的无线电干扰电场的时域信号；

测量电阻，所述测量电阻用于对所述时域测量天线进行分压；

电压测量元件，所述电压测量元件用于测量所述测量电阻两端的时域电压；

电压采集元件，所述电压采集元件用于采集所述电压测量元件测量的所述时域电压，并将所述时域电压传输至计算机；

计算机，所述计算机用于对所述时域电压进行分析处理，得到所述无线电干扰的时域特性；

所述时域测量天线的一端与所述测量电阻的一端相连接，所述时域测量天线的另一端与所述测量电阻的另一端均接地，所述电压测量元件与所述测量电阻并联，所述电压采集元件的一端与所述电压测量元件相连接，所述电压采集元件的另一端与所述计算机相连接；

所述方法包括：

获取所述电压采集元件采集到的时域电压，得到所述时域电压信号；

对所述时域电压信号进行傅里叶变换，得到所述时域电压信号的频域形式；

根据所述测量电阻与所述时域天线构成的RC串联电路以及所述时域电压信号的频域形式计算所述时域天线接收到的电压信号的频域形式；

根据所述时域天线接收到的电压信号的频域形式以及所述时域测量天线的有效高度计算得到无线电干扰电场的频域形式；

对所述无线电干扰电场的频域形式进行傅里叶反变换，得到所述无线电干扰信号电场的时域波形。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置及方法，设置了时域测量天线、测量电阻、电压测量元件、电压采集元件、计算机，采用时域测量天线接收由导线电晕放电产生的无线电干扰电场的时域信号，测量电阻连接在时域天线之后，通过测量电阻与时域测量天线构成分压电路，电压测量元件测量记录测量电阻的时域电压信号，计算机对电压测量元件测量的时域电压信号反推测量点处的时域场强。实现了对空间场强信号的实时采集和记录，能够有效地对导线电晕放电无线电干扰电场时域特性进行测量，此外，由于背景干扰信号对时域信号的测量影响很小，这使得本发明测得的无线电干扰特性更加准确可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置的实物连接图；

图3为本发明实施例基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置的电路模型图；

图4为本发明实施例基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量方法流程示意图；

图5为本发明实施例电晕电流与测量电压时域脉冲序列图；

图6为本发明实施例电晕电流脉冲时域波形图；

图7为本发明实施例理论波形与测量***实验波形对比图；

图8为本发明实施例基于导线电晕放电的无线电干扰电场的时域波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种无基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置及方法，能够实现对空间场强信号的实时采集和记录，可以获得无线电干扰随时间的变化规律，进而能够较全面地获得电晕放电无线电干扰的特性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置的结构示意图，如图1所示，本发明提供的测量装置包括：时域测量天线101、测量电阻103、电压测量元件104、电压采集元件105和计算机106，时域测量天线101用于接收由导线电晕放电产生的无线电干扰电场的时域信号；测量电阻103用于对所述时域测量天线进行分压；电压测量元件104用于测量所述测量电阻两端的时域电压；电压采集元件105用于采集所述电压测量元件测量的所述时域电压，并将所述时域电压传输至计算机106；计算机106用于对所述时域电压进行分析处理，得到所述无线电干扰的时域特性；

所述时域测量天线101与所述测量电阻103相连接，所述时域测量天线101与所述测量电阻103均接地，所述电压测量元件104与所述测量电阻103并联，所述电压采集元件105输入端(采集端)与所述电压测量元件104相连接，输出端与所述计算机106相连接。

所述装置还包括接地电板102，所述时域测量天线101与所述测量电阻103固定在所述接地电板102上。

优选的，所述时域测量天线101为柱状天线。

优选的，所述时域测量天线101的长度为40cm。

优选的，所述测量电阻103的阻值为10kΩ。

优选的，所述电压测量元件104可以为电压探头；所述采集元件105可以为为高速数据采集卡。

本发明实施例基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置的实物连接如图2所示。

作为本发明的又一实施例，基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置由时域测量天线、接地金属板、测量电阻、电压探头以及高速数据采集卡五大部分组成，主要针对电晕放电产生的无线电干扰电场信号进行时域测量，所述时域测量天线与测量电阻相连接，并且两者放置固定在接地金属板上并通过接地金属板有效接地，时域测量天线主要功能是接收电晕放电产生的无线电干扰场强信号，将其转化为电压信号，供后续采集***进行采集和存储；接地金属板的作用是为时域天线提供良好的接地镜像参考平面；测量电阻连接在时域天线之后，通过测量电阻与天线构成的分压电路，测量记录测量电阻的时域电压信号可以反推测量点处的时域场强。高带宽电压探头并联在测量电阻两端，用于采集测量电阻两端时域电压，后接高速数据采集卡与计算机，将采集得到的时域电压信号显示并存储。

传统意义上的无线电干扰测量天线大多数采用环形天线，但是环形天线只能测量无线电干扰的磁场分量。本发明中时域测量天线采用的是柱状天线，用于测量无线电干扰的电场分量。由于电晕放电产生的电晕电流的频段范围为0-30MHz，该柱状天线在设计上需要涵盖电晕电流的最高频率，为了防止测量过程中出现传输线效应，应当使得柱状天线的长度远小于接收电场信号的波长，即应当满足βh<<1时，(β＝2π/λ称为波数，λ是接收信号的波长，h是天线的长度)，可得h<1m，由于接地金属板的存在，会在实际测量过程中产生一个镜像天线，因此在设计过程中只需要考虑单臂长度满足：l＝h/2<50cm，本发明利用HFSS仿真了当柱状天线长度为40cm、35cm、30cm、25cm、20cm时，天线XZ方向的增益。仿真结果如表1所示，在天线长度为40cm时，天线在XZ方向上的增益最大，因此选用的天线长度为40cm。

表1不同长度天线增益

天线长度选定之后，考虑到天线的半径变化对天线有效长度的影响不大，因此，本发明使用硬铜导线制作时域柱状天线，长度为40cm，半径为3mm，机械强度满足测量工况要求。

本发明的测量电阻串联接在时域测量天线之后，当时域测量天线感应空间电场产生电压信号时，会通过测量电阻以及接地金属板构成回路产生电流，为了充分考虑时域测量天线与测量电阻之间的匹配情况，使得整个回路的有效带宽尽可能的符合电晕电流0-30MHz的带宽，需要对测量电阻的阻值进行优化选择，改善测量***的频带特性，提高驻波比带宽。

由于测量电阻是为了将天线感应电压通过分压的形式输出，而且测量电阻与天线等效电容构成了RC串联电路，具体如图3所示。在此电路模型中，时域天线在电小条件下可以等效为一个电容，此电容与测量电阻构成RC串联电路，时域天线的电容计算公式按下式进行计算：

其中，β＝2π/λ，k＝2ln(2h/a)，a为天线半径，h为天线长度；

而外界电场与天线感应电压之间的关系为：

其中，为外界电场；为天线感应电压，h_e为天线等效高度，可以表示为：

为了保证能够准确的将电晕电流和感应电压进行测量，测量电阻的选择应当满足：(1)保证测量电压不发生波形重叠，测量电路的时间常数应当小于等于电晕电流脉冲的时间常数；(2)测量电阻应当使得时域测量天线在关注频段内的驻波比应当至少小于2。基于条件(1)，又可知电晕电流脉冲的统计数据中，电晕电流单个脉冲的持续时间为250ns，为保证RC_a≤250ns，初步确定了测量电阻的范围为R≤10.7kΩ，并通过HFSS仿真发现，随着电阻值的增加，驻波比在低频分量的值越来越小，对直流输电线路电晕电流的频谱进行分析后，易得到频率大于10MHz后电晕电流幅值会衰减10-20dB，即10MHz-30MHz的频域分量很小，对时域测量结果影响较小。因此，通过比较不同测量电阻值下，有效驻波比的带宽在10MHz以内的占比可以直观地反映出时域天线与测量电阻的匹配情况，表2反映了不同阻值下天线与测量阻抗的匹配情况。随着电阻值的增加，驻波比2.0以下的有效带宽占比越来越大，因此，应当选择10kΩ的电阻值作为测量***的测量电阻值。

表2不同测量电阻的驻波比

由于天线等效电容的存在，该测量装置并不能测量直流分量，但除去直流分量以外的低频分量可以通过测量电路有效还原，且当测量电阻值为10kΩ时，对应驻波比为2.0的频率值在1kHz左右，因此对应该驻波比下的测量装置的带宽为1kHz-30MHz，满足无线电干扰测量的带宽要求。

经过设计之后的时域测量天线与测量电阻，驻波比小，测量灵敏度高，可以有效地对无线电干扰的时域信号进行测量。测量电阻两端的电压信号利用电压探头进行采集，之后传输到高速数据采集卡的通道上，并最终在电脑上利用采集卡的配套软件将要测量的波形显示出来，为了满足采样定理，电压探头以及数据采集卡的带宽需要大于60MHz，本发明选用的电压探头带宽为DC-250MHz，可测量的上升时间1.4ns，输入电阻为10MΩ，输入电容值约为13pF，最大输入电压可达600V。本发明选用的数据采集卡使用USB2.0接口，在单通道的情况下最高采样频率为500MHz/S，双通道的情况下单个通道的最高采样频率为200MHz/S，可以清晰地记录测量电压的波形，满足电晕电流产生的无线电干扰的时域测量。准确测量得到测量电阻两端时域电压波形之后，利用测量装置的电路模型，就可以反推出测量点处的电场时域波形。

本发明还提供了一种基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量方法，该方法流程步骤如图4所示，其主要步骤为：

步骤401：获取所述电压采集元件采集到的时域电压，得到所述时域电压信号；

步骤402：对所述时域电压信号进行傅里叶变换，得到所述时域电压信号的频域形式；

步骤403：根据所述测量电阻与所述时域天线构成的RC串联电路以及所述时域电压信号的频域形式计算所述时域天线接收到的电压信号的频域形式；

步骤404：根据所述时域天线接收到的电压信号的频域形式以及所述时域测量天线的有效高度计算得到无线电干扰电场的频域形式；

步骤405：对所述无线电干扰电场的频域形式进行傅里叶反变换，得到所述无线电干扰信号电场的时域波形。

以上步骤即为计算机根据测量得到测量电阻两端时域电压波形以及测量装置的电路模型，反推出测量点处的电场时域波形的过程。

图5是导线发生电晕放电时，通过电流探头所采集的导线上产生的时域脉冲和通过本测量***所测量得到的电压探头上的时域脉冲。通过图5的对比可以看出，无线电干扰脉冲与电晕电流脉冲在时域上具有一一对应关系，说明本测量***在测量整体上的有效性。图6是一个电晕电流脉冲时域波形图，通过图6的电晕电流脉冲，可以根据传输线理论计算放电导线上的电流时域分布，从而建立由电流到电场的传播模型，并由此可以计算得出测量点处的电场波形，进而可以通过测量***的电路模型推导出测量电阻两端的时域波形，图7展示了通过电晕电流推导得出的电压时域波形与测量***测量得出的电压时域波形的对比图。图8所示给出了利用图4所示的方法求得无线电干扰电场的时域波形。通过由电晕电流推导得出的电压时域波形与根据测量***测量得出的电压时域波形的对比可以看出，利用本发明给出的测量***，能够有效地对导线电晕放电无线电干扰电场时域特性进行测量。

本发明提供的基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置及方法，设置了时域测量天线、测量电阻、电压测量元件、电压采集元件、计算机，采用时域测量天线接收由导线电晕放电产生的无线电干扰电场的时域信号，测量电阻连接在时域天线之后，通过测量电阻与时域测量天线构成分压电路，电压测量元件测量记录测量电阻的时域电压信号，计算机对电压测量元件测量的时域电压信号反推测量点处的时域场强。实现了对空间场强信号的实时采集和记录，能够有效地对导线电晕放电无线电干扰电场时域特性进行测量，此外，由于背景干扰信号对时域信号的测量影响很小，使得本发明测得的无线电干扰特性更加准确可靠。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置，其特征在于，所述装置包括：

时域测量天线，所述时域测量天线用于接收由导线电晕放电产生的无线电干扰电场的时域信号；

测量电阻，所述测量电阻用于对所述时域测量天线进行分压；

电压测量元件，所述电压测量元件用于测量所述测量电阻两端的时域电压；

电压采集元件，所述电压采集元件用于采集所述电压测量元件测量的所述时域电压，并将所述时域电压传输至计算机；

计算机，所述计算机用于对所述时域电压进行分析处理，得到所述无线电干扰的时域特性；

所述时域测量天线的一端与所述测量电阻的一端相连，所述时域测量天线的另一端与所述测量电阻的另一端均接地，所述电压测量元件与所述测量电阻并联，所述电压采集元件的输入端与所述电压测量元件相连，所述电压采集元件的输出端与所述计算机相连。

2.根据权利要求1所述的基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置，其特征在于，所述装置还包括接地电板，所述时域测量天线与所述测量电阻固定在所述接地电板上。

3.根据权利要求2所述的基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置，其特征在于，所述时域测量天线为柱状天线。

4.根据权利要求3所述的基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置，其特征在于，所述时域测量天线的长度为40cm。

5.根据权利要求2所述的基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置，其特征在于，所述测量电阻的阻值为10kΩ。

6.根据权利要求1所述的基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置，其特征在于，所述电压测量元件为电压探头。

7.根据权利要求1所述的基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置，其特征在于，所述采集元件为高速数据采集卡。

8.一种基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量方法，其特征在于，所述方法应用于一种基于导线电晕放电的无线电干扰时域测量装置，所述装置包括：

时域测量天线，所述时域测量天线用于接收由导线电晕放电产生的无线电干扰电场的时域信号；

测量电阻，所述测量电阻用于对所述时域测量天线进行分压；

电压测量元件，所述电压测量元件用于测量所述测量电阻两端的时域电压；

电压采集元件，所述电压采集元件用于采集所述电压测量元件测量的所述时域电压，并将所述时域电压传输至计算机；

计算机，所述计算机用于对所述时域电压进行分析处理，得到所述无线电干扰的时域特性；

所述时域测量天线的一端与所述测量电阻的一端相连，所述时域测量天线的另一端与所述测量电阻的另一端均接地，所述电压测量元件与所述测量电阻并联，所述电压采集元件的输入端与所述电压测量元件相连，所述电压采集元件的输出端与所述计算机相连；

所述方法包括：

获取所述电压采集元件采集到的时域电压，得到所述时域电压信号；

对所述时域电压信号进行傅里叶变换，得到所述时域电压信号的频域形式；

根据所述测量电阻与所述时域天线构成的RC串联电路以及所述时域电压信号的频域形式计算所述时域天线接收到的电压信号的频域形式；

根据所述时域天线接收到的电压信号的频域形式以及所述时域测量天线的有效高度计算得到无线电干扰电场的频域形式；

对所述无线电干扰电场的频域形式进行傅里叶反变换，得到所述无线电干扰信号电场的时域波形。