电磁场

我国能源安全的新战略为我国能源转型发展、构建“清洁低碳、安全高效”的国家能源体系提出了新要求。以电网为核心的能源互联网和泛在电力物联网正在加速发展。但是，由于高电压等级电网中（尤其是特/超高压电力设备）通常伴随强电磁场，而强电磁场对传统无线传感器的可靠性造成了严重影响，导致高电压等级电网缺乏可靠的传感器。这一瓶颈制约了电力物联网的发展。针对以上问题，我们研究了抗电磁干扰微纳传感器及无线通信技术。基于新材料和器件的温湿度、电磁场、压力、声学等多参量微型传感芯片和封装技术，实现能够适应高电压等级电网复杂工况的微型传感器；研究了多层超表面微结构，实现抗电磁干扰的功能表面并与传感器集成；研究基于抗电磁干扰的功能表面的无线传感通信技术，解决微型传感器在强电磁干扰环境下的通信问题；研究了基于人工智能的故障诊断算法，解决了传感器的智能化问题。

辐射电场测量系统由电场传感器与光接收机组成。由棒状电小天线感应电场信号，利用宽带运放组成的调理电路来处理信号，并将该信号调制在激光器上输出到远端的光接收机，光接收机将光信号转换为电信号输出至示波器中。电场传感器采用金属外壳进行屏蔽，且测量系统间采用光纤连接，因而该系统不易受到电磁环境干扰。 提出了包含幅值、前沿、振荡主频及阻尼因子等在内的G引S开关暂态辐射场特征参量表征方法：提出了依据暂态辐射场电场脉冲裙的高频脉冲个数和电场脉冲特征频段的小波包分解能量来实现对开关早期绝缘缺陷故障诊断方法：研制出基于开关暂态辐射场测量的G1S绝缘故障诊断系统。

传统的带电作业技术和装备在实际应用中始终存在安全防护技术手段不足、工作效率低等问题，无法满足当前带电检修工作的实际要求。围绕带电作业安全距离监测三大难题，项目攻克了强电磁场环境下多天线北斗高精度定位技术，研制了安全距离监测预警装置，搭建了现场安全管控系统。实现了带电作业安全距离实时监测和人员主动安全防护预警。从根本上解决了传统的带电作业技术安全防护技术手段不足、工作效率低等问题，建立以技防为主的全新带电作业主动安全防护体系，可有效避免带电作业现场人身、设备事故的发生，提高输电线路带电作业率，产生的安全效益显著。

文中介绍了一种基于交流电场感应的取能电源，用于输电线路在线监测装置的供电。然而该类电源的输出功率较低，无法满足在线监测装置的用电需求。因此，在理论分析的基础上，文中设计了一种同轴双柱形的感应电极结构，以提高电源的输出功率。文中利用COMSOL Multiphysics软件建立仿真模型，并进行电磁场仿真分析。仿真结果表明，在10 kV电压等级下，所设计的感应电极可产生3.35 mA以上的感应电流。为验证仿真结果的准确性，文中利用自行搭建的测试平台进行实验验证，并将实验结果与仿真结果进行对比。实验结果表明，在负载电阻大于5 kΩ时，文中设计的取能电源可以输出超过630 mW的连续功率，与仿真结果基本吻合。通过文中的研究，成功解决了电场感应取能电源输出功率低下的问题，并提供了一种新型取能电路的设计思路和技术方案。

输电线路电磁环境是社会公众高度关注的问题，经常发生邻近居民阻止项目建设、投诉电磁环境伤害的纠纷事件。电磁环境已经成为电网建设及运营、电力供应的重大外部制约因素。电晕放电和电磁环境控制措施是在输电线路设计与建设阶段实施的，然而，输电线路投运后导线表面持续积污，表面状态粗糙度持续改变，引发电晕特性持续改变，电晕放电恶化，电磁环境劣化甚至超标，但目前不掌握定量性的变化规律，亟待解决；电磁环境预测是线路设计中极为重要的关键环节，目前工程上通用的平面镜像法缺乏对复杂状况的预测能力，需要补充提高；电磁环境纠纷往往起源于对电磁环境的过度忧虑，消除疑虑的人体电磁感应评估技术有待发展提高。 针对上述技术需求开展攻关，本项目提出了电网长期运行实际导线表面状态的定量测试方法，建立了长期运行导线表面特征图谱库，取得了以往未知的长期运行导线表面状态的变化规律和量化数据，发现了导线表面粗糙度随运行年限和污区等级变化的规律，提出了表面粗糙度 Ra 计算公式。实现了对运行中导线表面状态的量化评估，为电晕放电控制提供科学依据和指导。发现了长期运行输电导线电晕特性、电磁环境的变化规律及量化数据，提出了导线粗糙系数定量计算方法，指导输电线路设计实现电晕放电和电磁环境精准控制，避免长期运行后电晕放电恶化，确保输电线路全运行寿命期内电磁环境始终达标。建立了复杂地面情况下的输电线路工频电场模型，对斜坡地面首次采用几何变换处理方法，对一般复杂地面采用表面电荷模拟，实现了复杂情况下工频电场强度的预测评估，计算简化，效率提高，提高了复杂状况电磁环境预测能力。结合有限元法和模拟电荷法的各自优势，提出并建立了基于有限元法和模拟电荷法及表面电荷法的工频电场混合模型。建立了工频电磁场人体电磁感应模型，实现了人体电磁场分布计算，实现了人体电磁感应评估，提高了计算效率。 项目获授权发明专利 3 项，实用新型专利 1 项，软件著作权 2 项。发表论文 17 篇，SCI/EI收录 10 篇。项目成果自2015 年 1 月开始应用，目前已经在 170 条 110kV-500kV 输电线路设计中应用，在数百个环保技术服务、环评和安全卫生评价等项目中应用，效果良好。项目成果使输电线路全运行寿命期内电磁环境达标，避免超标影响电网建设运营、电力供应和人体健康，同时防止过度控制造成建设成本浪费，具有重大环境效益、经济效益和社会效益。具有很大的推广应用前景。项目通过科技成果鉴定，整体达到国际先进水平。

架空传输线作为电力系统中的重要组成部分，其在瞬态电磁场或激励源作用下(例如高空电磁脉冲)通常能够耦合出高幅值过电流，将作为强电磁干扰的耦合路径对电力系统造成严重干扰。现有建模方法中，经典传输线理论在处理非电小尺寸横截面线路的高频耦合问题时存在较大误差；全波数值算法(例如矩量法)依赖网格剖分计算过程使得其在处理长线情况时效率不高。此外，电力系统中往往线缆数量较多，且地面均须考虑实际有耗情况。为解决上述问题，文中提出一种能够计算电力系统架空传输线高频耦合电流的渐近模型。基于计算效率较高的渐近理论，引入反射与散射过程对高阶模式分量进行量化，并针对任意线路数量、任意参数地面及不同激励情况，推导统一电流表达式。最后，利用全波数值仿真以及天线辐照实验验证模型有效性和可靠性。结果表明，文中计算模型能够快速计算高频耦合电流，为线路防护以及电磁效应研究提供理论基础与数据支撑。

中低压电缆广泛应用于各种配电网，在安装运行过程中，电缆及其中间接头容易出现缺陷，对其绝缘造成破坏。为了研究不同缺陷对中间接头电场强度的影响，本文在SolidWorks中建立了 35kV XLPE 电缆本体和中间接头的三维物理模型，设计了电缆中间接头的气隙、杂质、割伤、划伤四种典型缺陷模型，并在CST Stdio三维电磁场软件中进行三维电场仿真，通过对比得出不同缺陷对电场强度的影响规 律。结果表明这四种缺陷都会导致不同程度的电场强度畸变，甚至导致绝缘击穿引发严重故障，为今后35 kV 电缆中间接头故障的预防及原因分析提供参考。

超特高压交流架空输电线路运行时，导线上的电荷将在空间产生工频电场，工频电场的波长为6×106m,远大于所讨论的电磁系统的最大线度尺寸，所以可将工频电场视为准静态场，它所产生的效应可按静态场来进行处理和分析。 现在常用的计算电磁场的方法有：有限差分法、有限元法和模拟电荷法。对于高压静电场无界空间问题而言，模拟电荷法更适用。模拟电荷法的基本思想在于用设置在电极内部或不同介质区中的若干个虚设电荷模拟电极表面上电荷分布及介质分界面上的束缚电荷。由静电场理论可知，电位满足拉普拉斯方程或泊松方程。根据惟一性定理，用这些虚设的模拟电荷代替电极表面连续分布的电荷或介质表面连续分布的束缚电荷，只要这些模拟电荷在边界上产生的电位满足给定的边界条件，那么可以用这些虚设的模拟电荷来计算整个场域的电场。 本课题采用模拟电荷法对架空输电线路产生的工频电场进行计算，建立架空输电线路周边典型建筑物的几何参数等效模型，计算其周围场域中不同位置的电场强度，分析其分布规律和对周围电磁环境的影响，并对架空输电线路一侧有建筑物时的

本项目完成了“光纤传感器直接感知量与输电线路需监测量之间关系模型的建立”、“基于光纤光栅传感技术的输电线路多种参量监测装置及方案的设计与实现、“基于光纤传感技术的输电线路无源在线监测系统的研制与应用“等三项核心创新工作，研制了拥有自主知识产权的无源监测设备与系统。从根本上解决了架空线路传统监测技术野外长期可靠性差、抗干扰能力弱、信息安全性低的问题，实现了架空线路状态监测领域的技术突破，有力推动了该领域的技术进步，推动了OPGW光缆施工设计和新型监测技术施工作业指导书等行业标准的发展。该成果已申请发明专利2项，获得实用新型专利4项，获得软件著作权1项，公开发明专利1项，发表学术论文9篇，其中EI论文4篇。 该成果实现了输电线路监测与电力通信的巧妙融合，不仅有技术上的突破，而且充分考虑工程建设和技术改造的适用性，保证了所研发的系统具有行业全面推广的价值，显著提升了在线监测研究基础和应用水平。该成果实现了传感在线监测技术的多项突破，具有在行业全面推广的前景。野外传感监测装置无需供电，适宜在野外架空线路在线监测领域推广应用。采用绝缘性好、抗干扰强的光纤作为传感媒介，适合在电力系统的强电磁场环境下应用。与传统监测采用无线公网通道不同，系统充分利用电力特种光缆OPGW作为状态监测通道，不仅满足线路监测的同步覆盖，而且保证了电网运行信息传输的安全性。传输采用波分复用形式，通道占用资源少，便于既有线路改造。