空间太阳能电站能量转换与传输电气设备监测①

0 引言

空间太阳能电站作为一种可持续发展的清洁能源系统日益受到航天大国的关注，能够尽早完成空间太阳能电站的技术攻关与实现就能在太空能源领域抢占先机。能量转换与传输系统作为空间太阳能电站的重要环节，其稳定安全的运行是电站实现大功率能量获取的前提，如何对系统的绝缘失效问题及时检测尤为重要。绝缘介质在出现局部放电后会进一步加剧老化过程，且该过程是不可逆的，一旦绝缘失效就可能造成整个系统的失效；且相比地面光伏电站，空间太阳能电站由于处在特殊的等离子环境中，电介质表面发生放电的下限电压更低。同步轨道贯穿磁层几个不同的等离子体区域，甚至在太阳活动时期处于磁层区域以外。这一轨道穿越的区域不同，而不同区域的等离子体能量和温度存在着极大的不同，并且这一轨道等离子体强烈的受太阳活动激烈程度影响[1]。中国科学院空间科学与应用中心研究表明，在等离子环境模拟室内模拟地球同步轨道的等离子体环境下，太阳能电池板在偏置电压仅为140 V时就发生了放电现象，且放电频率随偏置电压的升高增加得很快[2]。用直流电源在电池串间提供电位差，电位差达到50 V时，电池串间就发生了二次放电现象。国内外类似的实验也有相似的结论：偏置电压增高会导致太阳电池放电频率的增加；带电粒子的积累主要在太阳电池的相互连接处和裸露的电缆连线处，电缆连接处的绝缘表面容易发生放电。放电起始频率大约在100 V，会出现少许的放电，直到增加到200 V的临界值，放电频率会随电压的增加呈指数提升[3-5]。

针对空间太阳能电站电力转换与传输系统的绝缘性能监测问题，本文对太空环境下电介质表面放电问题的特殊性进行了分析，指出充放电效应造成的表面电位差是引起放电的重要原因；对空间太阳能电站电力转换与传输系统的结构进行了分析，论述了介质表面放电表征指标的选择；比较了现有放电监测手段，选取UHF特高频传感器监测放电时产生的高频电磁信号，同时以罗氏线圈监测母线高频脉冲电流；结合信号传输及干扰屏蔽等方面的设计给出了初步的监测方案。

1 空间太阳能电站介质表面放电特殊性及表征指标

图1为空间太阳能电站能量转换与传输系统。

为了得到最优参数方案，有必要进行范围计算分析和每组仿真结果的每个因子水平的平均值计算．计算结果列于表5．

  

图1 空间太阳能电站能量转换与传输系统

 

Fig.1 SSPS energy conversion and transmission system

1.1 空间环境下放电特殊性

空间环境效应是威胁空间飞行器安全运行的重要因素，其根源是空间中各种高能粒子运动及分布，与飞行器之间的相互作用引发一些失效及故障。空间太阳能电站运行于地球同步轨道(GEO)，该轨道穿越了磁层几个不同的等离子区域，环境复杂。轨道环境包含的粒子能量范围宽，几乎包含所有能量的等离子体，粒子能谱也完全不一样[6]。在空间等离子体环境中运行的空间太阳能电站，其中的各种绝缘介质会逐渐积累电荷，当电位达到一定程度时发生弧光放电现象，也就是介质在空间环境中的充放电效应。充放电效应分为两种：表面充放电效应及深层充放电效应[7]。两者作用于空间电站中不同部位的电介质。空间太阳能电站的能量转换与传输系统主要由太阳能电池阵列、稳压直流母线、电力电子变换电路及无线电能传输部分组成，其中绝缘介质既有直接暴露于空间环境中的，如电缆绝缘层；也有不与空间环境直接接触的，如电力电子器件的绝缘。表面充放电效应主要影响太阳能电池阵列及电缆的绝缘，介质在等离子体环境中积累电荷造成电位分布差异，就可能引起放电。目前航天常用的绝缘电介质材料为聚酰亚胺和环氧树脂，有研究表明，这些航天用电介质材料在经辐照后表面充电电位可达负-6000～8000 V[8]。深层充放电效应能够穿透屏蔽层并在内部的介质上沉积，主要影响各种电力电子器件的绝缘及通信用的电子设备。这些部分的绝缘相比直接暴露于空间环境中的绝缘介质，其绝缘强度更低，电荷沉积后出现放电的可能更大[9-10]。空间太阳能电站光伏阵列功率调节过程用到了大量的功率器件，在深层充放电效应作用下功率器件内部绝缘是否能保持绝缘性能需要重点考虑，加入放电监测环节则为功率器件的运行提供保障，尽早实现预警。因此，空间环境下介质表面或内部放电特殊性在于：绝缘介质在等离子体环境中更易于形成表面电荷的积累，且充电电位非常高，当电位超过阈值时就可能发生弧光放电。

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1.2 放电表征指标

目前，局部放电的表征指标主要是选择电介质表面发生放电时产生的各种物理量。在放电发生的过程中，相应地会产生电脉冲、电磁波、超声波、光，甚至是一些化学产物，放电发生的位置也会有不同程度的温升变化。与这些放电过程产物对应的是各种检测手段：电学检测法、电磁检测法、声学检测、光学检测法及化学检测法等，这些是目前局部放电检测最常用的手段。

4.1 主管部门的关注是武术对外教材冲破困境的主要动力 国际武术联合会、中国武术协会等相关部门应该重视目前武术对外教材面临的主要问题，在政策上给予支持。首先，主管部门应该建立长效机制，将教学出版物“走出去”作为中国武术“走出去”战略规划的主要内容。其次，制定详细的发展规划，在一定时间内完成相关出版物的编写与出版。然后，政府部门应投入科研基金，加大该项目科研实施力度，鼓励相关专业领域学者积极从事相关科研工作，在教材编写、影像录制工作中重视成果的产出与转化，积极推动出版物“走出去”。最后是提升相关出版单位的把控力与版权运作能力，为出版物走向海外铺平道路，让武术对外教材“走出去”更加顺利。

水云天苏醒过来，脸上已经显出辞世的倦容。老人睁开眼睛，显现出生命迹象，深情地望着林志。林志坐在床前，轻轻地说：“老师，您有什么事，吩咐我啊！”

1.2.1 电学检测法

该系统往往与电网企业办公大楼中其他非数据中心区域设备(如办公空调)共用，根据PUE的定义，只需统计系统与数据中心关联的部分耗电量，而此部分耗电量难以直接测量，只能通过估算的方法得出，具体如下：

电学检测法主要是测量电力设备的中性点或接地点由于局部放电引起的脉冲电流，进而获得放电量、放电相位及频次等信息。由于局放引起的脉冲电流频率可达兆赫兹，在非接触式脉冲电流测量时一般采用罗科夫斯基线圈进行检测。脉冲电流法是目前唯一有相应国际标准的局部放电检测方法，但在电力设备局放检测中多用于出厂试验，近年来也有研究者将其用于变压器、电缆等设备的在线监测[11]。运用脉冲电流法进行局放检测的难点在于提高检测系统的抗干扰能力以及剔除噪声。

1.2.5 化学检测法

电磁检测法主要是利用局放发生时向周围辐射的高频电磁波实现检测。大量的研究表明，局部放电时辐射出的电磁波频率可达到兆赫兹甚至吉赫兹的级别，这种信号能很好地避开设备及现场的干扰，尤其是常规的电晕干扰(频率在150 MHz以下)。典型的电磁检测方法是特高频(UHF)法，其频段为300 MHz～3 GHz，在采用窄带测量的前提下频带可缩小到几十兆赫兹。同步轨道的辐射环境十分复杂，主要包含射线(1018～1022 Hz)，太阳光线(红外、可见光及紫外波段)以及宇宙射线。其中 射线和宇宙射线属于电离电磁辐射，太阳光电磁频谱也在1012～1016 Hz之间，这些电磁波频率远高于UHF频段(300～3000 MHz)，故对特高频法进行局放电磁信号的采集不会产生干扰。太空环境中通信使用频段是需要考虑的一个因素，目前航空无线电通讯大多使用UHF，VHF甚至更高频的波段，其频段多在GHz级以上，且有往更高频发展的趋势。图2为电磁波频段划分。

  

图2 电磁波频段划分

 

Fig.2 Spectrum of electromagnetic wave

1.2.3 声学检测法

声学检测法主要是检测局放区域因受热膨胀引起介质疏密的瞬间变化形成的超声波[12]，该方法由于检测的物理量是超声波，而声波的传输需要介质，故在同步轨道的真空环境中无法应用。

1.2.4 光学检测法

光学检测法是目前在电气故障检测领域迅速发展的一种检测技术，最主要的两种是红外和紫外光成像检测，在带电非接触式监测领域有良好效果。其中紫外光谱成像检测能将局部放电产生的紫外线信号处理并与可见光图像叠加，确定放电位置及强度。然而，该方法能在地面上成功运用有一个前提，就是利用了日盲区。大气层对200～280 nm波段的紫外辐射具有强烈的吸收作用，故该波段的紫外辐射在近地大气中几乎不存在。采用能够检测这一波段的紫外传感器捕捉局放信号，可不受太阳光的干扰。同步轨道由于大多数时间能接收到太阳光，采用紫外传感检测技术将会难以辨别局放信号与背景噪声。

1.2.2 电磁检测法

以电缆检测为例，当电缆接头发生局部放电的瞬间会产生一个高频的脉冲电流，该脉冲电流以导行波的形式沿电缆本体向远处传播，并通过中间接头或终端接头的接地线进入大地，其传播过程如图6所示。因此，在中间接头或终端头的接地线上安装罗氏线圈即可耦合到电缆局部放电脉冲电流。

①主干道两侧（道路宽等于或大于40m）均匀设置，设置原则为单边间距80m。②次干道（道路宽小于40m）两侧交错设置，设置原则为单边间距80m。③需符合行走规则，路引与车站出口不在同一侧时，不能直接指引穿过马路，要指向人行横道。

结合空间运用可行性以及局放检测指标本身的优劣，推荐采用脉冲电流和局放产生的高频电磁波作为局放检测的表征指标。表1为不同局部放电检测方法及特点。

 

表1 不同局部放电检测方法及特点

 

Table 1 Difference and feature of main PD detection methods

  

检测方法表征指标特点是否适用于同步轨道环境;脉冲电流法电流接触式,易受系统本身干扰适用于电缆局放检测与定位,建议作为备选方案特高频法高频电磁波非接触式,在线监测适用,建议作为首选方案超声波法声波非接触式,抗干扰能力较差不适用,无传播介质紫外成像检测紫外光非接触式,日盲频段不适用,无法排除太阳光中的紫外干扰化学检测法绝缘分解产物非接触式,多用于液体及气体绝缘不适用,空间电介质以固体绝缘为主

2 局部放电监测方案

2.1 UHF法监测高频电磁波

2.1.1 特高频法

特高频法主要利用局部放电过程中产生的高频电磁波来判断局放的发生。当系统内部发生局部放电时，能激励起几百MHz乃至GHz级别的特高频电磁信号。由于空间太阳能电站所处环境为真空，电磁波信号在传播时衰减较小，因此可以方便的用特高频探头接收。图3为典型局放信号功率谱和特高频传感器。

  

(a)局放信号功率谱

  

(b)特高频传感器

 

图3 典型局放信号功率谱和特高频传感器

 

Fig.3 Typical PD signal power spectrum and UHF sensor

2.1.2 局部放电定位

  

图4 特高频传感器及信号处理设备

 

Fig.4 UHF sensor and signal processing devices

特高频传感器的核心是特高频信号接收天线，在局放测量方面最常用的天线种类是微带天线。微带天线主要由一个平面共振结构组成，通过改变结构参数就可以调整共振频率，使得接收信号频段处于特高频区域。图4是一张采用特高频传感器测量电缆局放的实物图，采用的是外置式UHF传感器。由于捕获到的特高频信号一般比较弱，在特高频传感器后一般会连接一个放大器。直接处理特高频信号至少需要采样频率5 GS/s，带宽1 GHz以上的示波器，价格会十分昂贵，所以一般在特高频信号后会接入一个UHF-HF转换器，将信号的频率降低下来。目前已有商用特高频局放测试仪采样率一般在100 MS/s，可用来采集经转换降频后的UHF信号。

采用特高频法进行故障定位主要是基于时间差算法，利用n(n≥4)个特高频传感器的位置信息以及信号时间差计算放电位置。当系统内某处发生局部放电时，距离放电位置不同处的UHF传感器接收到高频信号的时间会有延迟。采用超高频检测法，利用不同传感器接收信号时的时差可以进行故障部位的定位。

传感器Si与参考传感器S1的时间差

 

(1)

在传感器布局方面，特高频法主要的布局方式有矩形、菱形和星型布置方式。研究表明，星型布置方式的定位误差最小，且采用立体星形布置能进一步减小误差[14]，如图5所示。在定位时，n个传感器坐标已知，各传感器接收到信号的时间差也可计算出，故未知的量就只有放电点的坐标(三维)以及信号传播到第一个传感器的时间t1，共有4个未知量故需要至少4个传感器的信息来计算出放电点的位置。放电源P(x,y,z)到传感器Si(xi, yi, zi)的传播时间：

脉冲电流法是唯一具有国际标准的局部放电检测方法，其详细测试过程在IEC-270中给出，是最重要的局部放电测量方法。虽然该方法主要用于离线检测，近年来也有学者在脉冲电流法的在线监测方面做了许多工作，建议将该脉冲电流法作为备用监测方案。由于局部放电发生时伴随着正负电荷中和，一个陡的电流脉冲电力会在设备的中性点或接地点处产生，而罗氏线圈特点在于能检测高频电流，通过罗氏线圈测取接地点处的脉冲电流并剔除噪声就可以判别局放的发生。传统的脉冲电流法可分为宽带和窄带测量两种，宽带检测法的下限检测频率约为30～100 kHz之间，上限检测频率在500 kHz以下，检测频带宽度为 100～400 kHz，其具有脉冲分辨率高、信息相对丰富等优点，但信噪比低。窄带检测法的频带宽度较小，一般为9～30 kHz，中心频率为50 kHz～1 MHz，其具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，但脉冲分辨率低、信息不够丰富的缺点[15]。罗氏线圈的测量频带很宽，频率下限可到1 Hz甚至更低，而上限可到达1 MHz左右，完全可以满足脉冲电流法测量频带的要求。

ti1=ti-t1，(i=1,2,…,n;n≥4)

(2)

  

(a)特高频传感器布局

  

(b)信号时间差

 

图5 特高频传感器布局和信号时间差

 

Fig.5 Layout of UHF sensors and the delay of different signals

在n=4时方程恰有4个未知数求解，可解出唯一位置解；而当n>4时方程出现冗余，可通过最小二乘法求解冗余方程组，减小误差并解出放电源的位置。

2.2 罗氏线圈监测脉冲电流

首先计算比较数列Xi与目标数列X0在k点的位移差Δk=|x0(k)-x1(k)|，然后在 Xi中找出其中最小的位移差min|x0(k)-x1(k)|与位移最大差max|x0(k)-x1(k)|，最后在所有Xi的最小位移差里找出二级最小位移差min min|x0(k)-x1(k)|，用同样的方法找出二级最大位移差max max|x0(k)-x1(k)|。

化学检测法是利用绝缘材料局放时分解产物来进行放电检测，目前主要应用于变压器油及SF6气体分解产物检测[13]，而空间应用绝缘材料主要是固体绝缘材料如为聚酰亚胺和环氧树脂等，要想运用该技术暂时还不够成熟。

  

图6 罗氏线圈测量电缆接地线脉冲电流和罗氏线圈等价电路

 

Fig.6 Rogowski coil applied in the measurement of the cable ground wire pulse current and the equivalent circuit of Rogowski coil

罗氏线圈测量电流的理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定律。当被测电流沿轴线通过罗氏线圈中心时，在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场，由全电流定律和电磁感应定律可得到罗氏线圈的感应电压

 

(3)

罗氏线圈测量值通过外接电阻以电压的形式输出。在罗氏线圈测量的等价回路中，输出电阻R一般为几十kΩ，而回路阻抗r相对很小，只有几十Ω，所以输出电压U(t)与感应电压e(t)十分接近。而感应电动势与被测的电流是微分关系，通过积分器就可以将感应电动势还原成被测电流的波形，故罗氏线圈测试回路中一般会接入积分器。

与UHF法类似，脉冲电流法定位也是依据波形时间差法。在电缆两端的接地线处分别安装罗氏线圈检测电流，当电缆中间某处发生局部放电时，根据传感器接收到信号的时间差异可计算出放电点的位置，该定位方法仅对于电缆这种脉冲电流近似按一维传播的电气设备较为管用。

对双端长电缆安置局部放电传感器的方法进行仿真分析，通过对固体绝缘中含有单气隙局部放电的经典模型施加电压来产生局部放电波形，采用电缆交流稳态的等效电路图来建立电缆模型，在电缆中段某处注入局部放电信号，单相电缆局部放电仿真电路如图7所示。

通过Simulink搭建的单气隙局部放电模型产生了一个随时间衰减的正弦信号，该信号在电缆中某处注入电缆，由于信号发生处与两端的距离不同，两端电流采集信号接收到的测量信号有一个相位差。图8为模拟局放波形以及电流传感器接收到的信号波形，根据信号在电缆中行波传输速度结合时间差可算出故障发生的位置，计算结果与故障设置点十分接近。

1-10月，在公司化工原辅料、煤炭、材料、动静设备、电气仪表及配件库存物资中，动静设备资金量占仓库库存账面物资69%。其中，压缩机配件、汽轮机水轮机配件及工业泵配件等特殊储备占据24.9%。从控制效果看，5月煤炭和备件占用少，控制最好。公司对比标杆找差距，用“纵尺”和自己较真，制定报废处置尿素装置旧备品备件。

  

图7 电缆局部放电仿真图

 

Fig.7 Simulation of PD in cable

  

(a)局部放电波形 (b) 两端电流传感器接收波形

 

图8 局部放电波形和两端电流传感器接收波形

 

Fig.8 Discharge wave of PD and the received signal wave of current sensors

2.3 传感器信号处理电路设计

罗氏线圈传感器处理电路由高压侧电路和低压侧电路两部分组成，通过双绞线连接。高压侧电路主要由空心线圈、电容环、保护电路、信号放大电路、滤波积分电路、温度传感器、模拟选择开关、A/D转换电路组成；低压侧电路包括MCU处理器、LCD显示模块和相应的数字接口电路组成，图9为设计的传感器及处理电路。

  

图9 传感器及信号处理电路整体框架

 

Fig.9 Structure of sensor signal processing circuit

罗氏线圈一次侧额定电流下的二次侧输出电压一般较小，达不到IEC60044-8所规定的二次侧输出电压有效值3.25 V，故需要经过信号放大电路处理，其核心是运算放大器，如图10所示。同时为了排除工频信号干扰，准确测量高频脉冲电流，需要经过高通滤波电路，采用RC滤波，如图10(b)所示。

3版美国创新战略的框架体系和发展形式基本相同。由于美国的创新国情基本保持不变，即具有完备的金融体系、充足的创新资金、健全的创新人才培养制度以及完善的法律法规体系，因此3版美国创新战略的部署具有相同的框架体系。从发展形式上看，美国政府在3版创新战略中均在扩大创新投资、促进产业发展、激发市场创新活力等方面进行重点部署，并且通过国家制度、产业发展以及企业管理等多个层面来提升国家创新实力。

在积分器设计方面，由于无源积分器不利于提高系统的信噪比，设计时采用了能够有效抑制低频增益的有源积分器，该积分器的传递函数为

 

(4)

式中其幅频相频特性如图11所示。

相比普通积分电路，该电路的传输特性有了明显改善，电路移相-89.999°，精度达0.1%。

郭文安：教育学就其整体来说是一门复合性或复杂的学科。它既要揭示教育的规律，要求按规律办教育，具有科学性质；又要反映社会与人的价值诉求，研究与引导价值需求，具有哲学、伦理学性质；还要讲究人的培养，特别是年轻一代培养的经验、机智与艺术，具有实践与创新的性质；并在培养人的工作中，使追求人生价值、遵循客观规律、讲求艺术创造三个方面统一起来。

  

(a)信号放大电路 (b)滤波电路 (c)有源积分电路

 

图10 信号放大电路、滤波电路及有源积分电路

 

Fig.10 Signal amplification circuit,filter circuit and active integrating circuit

  

图11 有源积分器幅频特性和相频特性曲线

 

Fig.11 Magnitude-frequency characteristic and phase-frequency characteristics of active integrating circuit

3 结论

本文对空间太阳能电站能量转换与传输系统中电介质局部放电检测问题进行了研究。结合太空环境的特殊性，通过比较几种常用的电气设备局放检测手段，提出采用特高频法进行局放检测。局放信号中的特高频频段可有效避开设备和系统本身的常见干扰，又低于同步轨道中各种光线及宇宙射线的频率，从原理上论证了其作为检测手段的可行性。提出采用特高频法作为首选方案，脉冲电流法作为备选方案。就特高频法信号降频与放大去噪等后接设备进行了论述，同时研究了基于多个特高频传感器实现故障定位的原理，研究了利用罗氏线圈检测接地线脉冲电流的可行性，该方法较适合电缆的局放检测与定位。

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