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试验方便、试验周期短等。
电晕笼本身给笼内单相导线强加了距离更近的地电极，使导线在施加较低电压下即可达到较高电压等级线路的表面场强水平，从而表现出高电压等级下导线电晕的特性。
另外，我国特高压输电面临一些特殊问题，如高海拔问题[1]。
特高压输电线路经过高海拔地区时，所产生的电磁环境问题比平原地区更为严重。
对于研究高海拔地区特高压电晕效应问题，电晕笼有其特殊的优势，它易于拆卸，可方便地运送至高海拔地区进行试验。
因此，特高压电晕笼是研究我国特高压输电线路电晕效应问题不可或缺的试验装置。
1电晕笼介绍
电晕笼本身是一截面为方形或圆形的网状金属笼，通过低阻抗的测量装置与大地相接用来模拟大地。
电晕笼中心处放置试验导线，交流为单相导线，直流为单极或双极导线，用来模拟输电线路；
由于线~笼问的距离较线~大地间的距离近，在导线上施加较低的电压，可使导线表面的场强达到较高电压等级的实际输电线路的表面场强水平，表现出高电压等级下输电线路导线的电晕特性。
电晕笼外层通常有直接接地的同心金属网状屏蔽笼，装置同时包括支撑连接结构和测量系统。
按用途和尺寸差异电晕笼分高压试验场户外用大电晕笼及高压实验室用小电晕笼2类。
1.1大电晕笼
大电晕笼内电晕放电的统计分布和实际输电线路相近，只要保持导线的平均最大场强与实际线路相同，就可重现实际线路导线的电晕情况，所得结果能直接推广到实际的输电线路。
目前国外依靠大型户外电晕笼进行过导线电晕特性试验的国家主要有美国、加拿大、日本、南非、巴西、法国[2-10]等。
美国曾建造过多个电晕笼，包括美国电力科学研究院在LENOX试验基地建设的尺寸为15m×
7.6m×
7.6m的电晕笼，以及美国电力公司曾建造的30m长的电晕笼；
日本建造了24m×
8m×
8m和φ4.2m×
55m的2个电晕笼；
加拿大的电晕笼尺寸为67m×
11m×
5.5m，为两厢体结构；
巴西高压试验站建造的电晕笼边长为7.5m；
法国建造了4个相邻的电晕笼，尺寸为5m×
5m×
150m。
1.2小电晕笼
小电晕笼的尺寸一般长2~5m，直径l~2m，投资小、试验条件可控、结构调整方便、试验周期短。
通过设计合理的结构，电晕笼中导线表面场强同样可达实际输电线路的表面场强水平，与实际分裂导线的电晕过程基本相近。
各国研究者利用小电晕笼开展了大量不同因素对导线电晕特性影响的研究。
南非Durban—Westville大学利用总长4m、直径1.5m的电晕笼研究风、导线表面硅涂层对导线电晕的影响[11]。
芬兰坦佩雷大学的电晕笼直2m、总长4.5m，实验时使导线达到交流400kV实际线路的平均表面场强，研究导线表面落霜对导线电晕损耗的影响[12]。
美国华盛顿大学的小电晕笼长3m、直径0.75m，用来研究双极性导线负载电流对电晕电流及离子电流密度的影响。
西安高压电器研究所在人工气候室内安装了直径1.4m长3.2m的电晕实验圆筒，试验研究了单导线的电晕发展过程、电晕损失[13]。
2小电晕笼原理及结构
2.1小电晕笼原理
小电晕笼通常在中心位置放置实验导线来模拟输电线路中的单根或者多分裂导线。
电晕笼的外壁是一个半径很大的同心网状金属笼，截面采用圆形或方形。
笼壁通过测量用小电阻接地。
由于笼壁与导线的距离较近，即使在导线上施加较低的电压，也能够在导线表面产生很高的场强。
电晕笼可以在较低的实验电压下达到高电压等级输电线路的表面场强，从而模拟高电压等级导线的电晕特性。
实际输电线路和电晕笼的简单对比见图1。
图1实际输电线路和电晕笼的简单对比
Fig.1Asimplecomparisonoftheactualtransmissionlinesandcoronacage
2.2小电晕笼结构
在电晕笼轴向的边界处，电极结构突变导致导线在接近电晕笼端部的电场要发生畸变。
为了保证电晕笼测量部分的导线表面电场强度保持基本一致，将电晕笼分成电气绝缘的3个部分，见图2。
笼子中段的导线具有同样的表面场强，该段与测量回路连接。
笼子两侧的防护段直接接地，不计入测量，并且导线端部加装了均压环，以削弱端部效应。
1—电晕笼测量段；
2—电晕笼防护段；
3—绝缘支撑。
图2电晕笼结构
Fig.2Coronacagestructure
小电晕笼采用方形截面，边长在1.2~2m内可调，由长3m的测量段和两端0.5m的防护段组成。
测量段和防护段间用硅橡胶绝缘。
电晕笼外层是总长4.2m的同心屏蔽笼且直接接地，电晕笼和屏蔽笼用小复合支柱绝缘子隔开。
电晕笼材料为钢网和方管，金属网可保证笼子质量轻视野透明，方管作骨架提供机械强度。
电晕笼使用的非不锈钢材料均热镀锌处理，防止生锈。
挂线圆盘可固定不同分裂问距和子导线数的分裂导线，通过悬式绝缘子与支撑结构连接。
均压环所用材料为铝管和铝板，在挂线圆盘两侧起屏蔽作用。
电晕笼支撑结构用槽钢建造，长10m，宽3m，高2.5m。
电晕笼设计参数的计算基于假设的海平面气压条件和现有的300kV直流电源。
试验用小电晕笼见图3。
图3试验用小电晕笼
Fig.3Testwithasmallcoronacage
3我国特高压直流电晕笼的结构和功能
国家电网公司在特高压直流试验基地建设的特高压直流电晕笼，主要针对直流电晕试验而设计。
如果配备了交流电源和相应的测量设备，也可用于研究导线的交流电晕特性。
电晕笼为空心的长方体结构。
电晕笼沿长度方向上的2个端面敞开，试验导线通过这2个端面穿过电晕笼。
图4为日本电晕笼照片。
电晕笼主体结构称为厢体，图4中的电晕笼主要用于交流电晕试验，由1个厢体构成。
我国的直流工程均采用双极输电线路，双极导线的电晕效应不能等同于正负极导线单极运行时电晕效应的叠加，因此在电晕笼内需要进行双极导线的试验。
我国的特高压直流电晕笼设计为2个单独的厢体并排靠近放置，其邻近面相互绝缘，可拆卸。
单极导线试验时可在任何一个厢体进行，此时2个厢体之间绝缘；
双极试验时将2厢体的邻近面拆卸，并将2厢体短接。
图5为我国特高压直流电晕笼的2个厢体单独工作和合并后的示意图。
图4日本电晕笼照片
Fig.4CoronacageinJapan
图5特高压直流电晕笼的2种工作状态
Fig.5TwoworkingconditionsofUHVDCcoronacage
厢体的组成包括支撑架和金属网。
支撑架即电晕笼的“骨架”，一般由钢结构组成，起到对电晕笼整体的支撑作用；
金属网分为内外2层。
外层金属网起到对外界干扰进行屏蔽的作用，称为屏蔽网，屏蔽网需保证良好接地。
内层金属网负责测量，称为测量网。
测量网主要有2个作用：
1）接收导线上发出的离子流，这部分电荷在电场的作用下从导线出发向四周扩散，最终被金属网获得，并进而通过连接在金属网上的测量回路入地。
从测量回路可获知导线上的电晕电流等特性；
2）对导线上产生的高频电压电流信号产生感应，这部分感应信号可通过电容耦合回路进行测量，并了解导线上无线电干扰电流的大小。
图6为体现厢体组成状况的照片。
图6特高压直流电晕笼的支撑架和金属网
Fig.6SteelframeandnetsoftheUHVDCcoronacage
由于试验导线长度远小于实际线路的长度，在电晕笼内的导线电晕试验存在较明显的端部效应。
为此，设计中将特高压直流电晕笼沿长度方向分为3段，中间段和2个防护段之间绝缘，在中间段进行主要的测量工作，在2个防护段进行辅助测量。
目前国外的电晕笼基本上采用3段结构。
一般测量时应忽略2个防护段上的测量数据。
如果2个防护段长度较小，则起不到克服端部效应的作用，长度较大则造成不必要的浪费，并将导致中间段的测量信号较小，可能会影响测量。
在我国的特高压直流电晕笼内，任何相邻的2段测量网之间既可断开也可短接，这样便可以灵活调节中间段和2个防护段的长度。
图7为通过旋转卡子短接相邻2段测量网的照片，卡子断开时，相邻2段测量网便处于绝缘状态。
图7特高压直流电晕笼内长度可调的防护段
Fig.7AdjustableshieldingsectionofUHVDCcoronacage
导线较长时，导线的弧垂不可忽略。
为此需将电晕笼沿长度方向设计成悬链线形，以确保导线在电晕笼内的任何位置到电晕笼各个方向上的金属网距离相同，从而保证导线不同位置处的表面场强的近似均匀性。
目前国际上较长的电晕笼均考虑导线弧垂的因素，图8为电晕笼形状示意图。
图8特高压直流电晕笼形状示意图
Fig.8StructuresketchoftheUHVDCcoronacageinChina
电晕笼内的导线用特殊设计的导线挂盘悬挂，导线挂盘上的导线可调整分裂间距。
我国目前使用的多分裂导线，其分裂半径多在0.6m以下，因此我国特高压直流电晕笼的导线盘中的线槽设计为能够使导线分裂半径在0.3~0.6m范围内可调，调整步长为0.075m。
图9为电晕笼所用导线挂盘的实物图，导线挂盘周围安装有屏蔽环，以减小由导线挂盘造成的放电现象。
图9特高压电晕笼的导线挂盘
Fig.9ConductorhangingplateofUHVcoronacage
导线挂盘通过杆塔和绝缘子进行牵拉，同时杆塔上有特殊设计的横担，可通过绝缘子悬吊导线挂盘。
图10为我国特高压直流电晕笼的牵引锚塔，可以看出，电晕笼锚塔采用了特殊的结构设计，其功能主要有2个：
1）牵拉电晕笼内的导线，使导线按照自然弧垂悬挂于电晕笼每个厢体的正中央；
2）在确保合理的绝缘距离条件下，将电源产生的高电压送至导线。
在我国的特高压直流试验基地内，由于电晕笼与试验线段临近，实现了电晕笼与试验线段共用1组直流电压发生器的设计方案，通过合理的布局实现了电源优化配置。
为减小引流部分的电晕对电晕笼测量产生的影响，通过计算，引流导线全部采用了直径300mm的铝管母线，引流管母线到锚塔上任一点的距离大于12m，对地高度15m。
这些参数决定了锚塔的结构设计和对地高度。
图10特高压直流电晕笼锚塔
Fig.10AnchortowerofUHVDCcoronacage
综合上述分析，包括杆塔、绝缘子等配套设施的电晕笼整体结构示意图如图11所示，建造完毕的特高压直流电晕笼全景照片如图12所示。
图11特高压直流电晕笼主体结构示意图
Fig.11ShapesketchoftheUHVDCcoronacage
图12特高压直流电晕笼全景照片
Fig.12PanoramicphotosoftheUHVDCcoronacage
4我国特高压直流电晕笼的结构参数
4.1电晕笼厢体的截面
电晕笼内导线到金属网的距离，即电晕笼厢体的尺寸是非常重要的参数，该参数应主要根据3方面考虑：
1）该距离须满足安全的需要，即导线到笼壁的距离大于施加电压时的最小空气间隙。
2）由于实际线路发出的离子流最终会进入大地，但在电晕笼内，离子流到达笼壁时会被笼壁吸收而改变运动轨迹，运动轨迹的改变可能会影响到空间电荷对导线表面场强的反作用；
因此电晕笼内导线到笼壁的距离应大到对电荷运动轨迹的改变不足以对导线表面产生较大的影响。
该因素对于交流电晕笼可以忽略，这也是直流电晕笼和交流电晕笼确定厢体尺寸时的主要差异。
3）如果导线到笼壁的距离过大，需要施加较高的电压才能达到所需要的导线表面场强，增加了电源的成本，并将耗费更多的钢材。
出于优化的考虑，电晕笼尺寸不宜过大。
对于安全距离，可采用导线–塔窗击穿电压的数据，也可近似采用线–板试验的结果确定该数值。
对于金属网改变电荷运动轨迹的影响，可取笼壁到导线的距离大于分裂直径的5倍左右。
此时这些电荷对导线附近场强的作用已经很小，其运动轨迹的改变将不会明显影响导线附近的场强，可认为笼壁基本没有阻碍电荷的正常运动。
对于第3个考虑因素，可取满足前2个条件后的最小值作为电晕笼导线到金属网的距离。
对我国特高压直流试验基地内的电晕笼，由于与试验线段共用电源，其电压可升至±
1200kV，因此不必考虑电源成本的问题。
基于上述3个因素的考虑，以及我国现有多分裂导线的参数，我国特高压直流电晕笼的单个厢体截面取10m×
10m，2个厢体采用相同设计。
此外，进行双极导线试验时，厢体的尺寸不能影响到正负极导线间的离子流通道。
可通过电晕笼锚塔上的不同挂点缩短正负极导线之间的距离，以避免进一步增大电晕笼尺寸。
4.2电晕笼的长度
电晕笼长度的确定须依据2个因素：
1）尽可能减小端部效应带来的测量误差；
2）在电晕笼内导线产生的电晕效应在选用仪表的量程范围内。
减小端部效应主要针对无线电干扰测量。
在电晕笼内测量导线无线电干扰电流时，导线的端部效应比较明显，通过增加电晕笼长度可降低无线电干扰测量的端部效应影响。
根据国外研究经验，当电晕笼中间段的长度为笼壁到导线距离的10~12倍以上时，可基本忽略无线电干扰测量中的端部效应问题。
我国特高压直流电晕笼厢体的截面尺寸为10m×
10m，忽略导线直径，可估测电晕笼的中间段长度为50~60m。
防护段的长度可根据仿真计算确定，计算表明，电晕笼防护段的长度达到5m后，其中间段内的导线表面场强较为均匀。
由于特高压直流电晕笼的特殊结构设计，防护段的长度可以调整，2个防护段加上中间段的长度，可得到我国电晕笼的总长度应为70m。
电晕效应的强度范围主要来源于国外的试验数据。
根据国外研究成果，导线在直流电压下的无线电干扰、可听噪声等电晕效应在晴天比雨天更明显，因此在电晕笼内进行直流电晕特性研究时更关注晴天下的测量结果。
一般在晴天下导线的放电源较少，测量到的信号比较微弱。
根据加拿大魁北克水电研究院（IREQ）的电晕笼试验结果，当导线表面场强在15~30kV/cm之间变化时，曾测量到的单位长导线电晕损耗最小值为−10dB（1W/m），无线电干扰电流激发函数的最小值为−5dB（1μA/m1/2），可听噪声声功率密度最小值为−25dB（1μW/m）。
我国特高压直流电晕笼长度为70m，按照此长度，并根据IREQ试验电压的估计，可推算出我国电晕笼测量系统需要测量到约8μA的电晕电流，约2μA的无线电干扰电流和42dB左右的声压级。
在目前我国生产的测量设备中，这些指标是能够达到的，没有必要为提高信号强度而增加电晕笼的长度。
综合上述2个因素的考虑，将我国特高压直流电晕笼的长度定为70m，该长度与加拿大IREQ电晕笼的长度相近，IREQ曾在此电晕笼中进行±
600~±
1200kV的导线电晕试验。
5我国特高电压直流电晕笼的人工模拟环境系统
5.1电晕笼模拟降雨系统
可在人工模拟自然环境中进行导线电晕特性的研究是电晕笼的一大优点。
根据研究结果，直流线路在降雨环境中，由于导线表面凝结的水滴造成导线表面场强的不均匀性，其电晕损耗会大大增加。
国内外在这方面有一些定性的结论；
但降雨环境下导线电晕特性的定量变化，与各国的实际环境、气候、污秽条件以及导线类型等因素有关。
因此我国的电晕笼须具备通过可控的模拟降雨装置进行降雨环境下导线电晕试验的条件，以考察不同降雨环境下导线的电晕特性。
模拟降雨装置采用可调节流量的供水动力装置实现雨强的控制，通过电晕笼上方密集的滑洒进行降水，雨强范围从小雨到大雨。
根据现场实测，对应降水量约为20~180mm/h（降水量定义为降水均匀落在可测量容器内的速度，与气象领域的定义不同）。
此外，模拟降雨系统须确保导线在任何一种降雨状态下沿导线不同位置的雨强均匀度达到80%以上，为此在模拟降雨系统中装设了流量监测和控制系统。
以最大降雨量计算，若进行双极降雨试验，按照滑洒降水范围的直径近似为1m计算，每小时大约60m3。
在特高压直流电晕笼下方进行了回收水设计，包括坡面、碎石、引水槽、蓄水池、排水沟等。
5.2电晕笼模拟降雾系统
直流线路在大雨环境下的噪声水平并不高，如图13所示。
根据国外研究经验，在一定条件下，雾天环境下直流线路的无线电干扰和噪声水平较大，因此为特高压直流电晕笼设计了人工模拟降雾系统。
通过高压装置将水滴击碎成雾态，通过管路和孔径微小的喷头喷出模拟雾，并覆盖导线周围。
由于电晕笼处于户外，受环境的影响非常大，为使模拟雾与自然雾尽量接近，同时尽可能减小试验条件的苛刻程度，雾径应控制在15~50μm范围内。
电晕笼模拟喷雾系统的用水为去离子水，以减小喷头阻塞的几率。
通过设计，特高压直流电晕笼内的模拟降雾试验可在风速小于1m/s的条件下进行试验。
图13交直流输电线路可听噪声随天气变化的曲线
Fig.13Waveformofaudiblenoiselevelundervaryingtestweather
6我国特高压交流电晕笼
6.1基本原理与结构
6.1.1基本原理
分裂导线电晕的产生主要取决于分导线表面电场的分布。
为了精确地用电晕笼中的单组线路模拟三相输电线路的每一相，需要重现分裂导线最大电场的分布，而用单组线路完全重现这种电场分布是不可能的。
对于实际三相线路，电场分布的不对称性很小，可用平均最大电场强度来模拟，这对准确度影响不大。
平均最大电场强度是指分裂导线中各子导线最大电场强度的平均值。
图14为某三相1000kV输电线路导线排列示意图，导线对地平均高度为30m，采用8Χ36.2mm分裂导线，相间距离为23.8m，水平排列。
图15比较了实际三相输电线路情况和电晕笼情况下导线周围最大电场强度相对值（基准为该相分裂导线的平均最大电场强度）的典型分布。
可以看出，对于实际三相输电线路，边相和中相导线周围的最大电场强度在平均最大电场强度±
3%的范围内变化，其分布的不对称性很小；
而在电晕笼情况下，导线在电晕笼中心，结构更为对称，导线周围电场更趋于一致，各分导线最大电场强度之间的差别更小，不到±
0.5%。
因此，借助于平均最大电场强度，利用电晕笼中的单组线路代替的方法可以相当准确地估算三相线路分裂导线的电晕效应。
6.1.2基本结构
在结构上，电晕笼一般分为两层：
外层为屏蔽笼，内层为电晕测量笼见图16，屏蔽笼接地，它与电晕测量笼之间用支柱绝缘子支撑。
两层笼子都采用金属网状结构，电晕笼的材料一般选用不锈钢或镀锌钢材料，不仅美观，而且可以避免生锈腐蚀。
为了解决端部效应问题，特高压电晕笼一般分为3段：
中间段笼体为测量段，处于该段笼体内的导线表面电场大小趋于一致，用于电晕损失和无线电干扰等电晕效应的测量；
测量段的两边各有一段笼体与其绝缘，用于克服由于端部效应而引起的导线表面电场畸变，称为防护段。
由于雨天交流电晕量比晴天大很多。
故交流电晕笼内备有模拟不同雨量条件的人工淋雨装置以得到不同雨天情况下的交流电晕产生量。
图17为电晕笼测试系统示意图。
导线放置在电晕笼的中心，在电晕笼左右两个侧面的上方装有淋雨装置，以便模拟雨天环境。
在电晕笼的顶上安装风速计以记录测量过程中的风速，测量期间风速≤2m/s。
为了测量100Hz的纯音，测量可听噪声的传声器距导线的距离应>
3.4m。
除了测量导线产生的可听噪声外,还应在笼外的多个位置进行背景噪声的测量。
无线电干扰通过耦合回路法测量,电晕损失通过西林电桥法测量。
图141000kV输电线路三相导线排列示意图
Fig.14Arrangementofthethree-phaseconductoroftypical1000kVtransmissionline
图151000kV线路和电晕笼中导线的最大场强
Fig.15Relativevalueofconductorsurfaceelectricfieldinthecaseofthe1000kVtransmissionlineandthecoronacage
图16特高压电晕笼结构示意图
Fig.16StructureoftheUHVcoronacage
图17电晕笼测试系统示意图
Fig.17MeasurementsystemoftheUHVcoronacage
6.2截面尺寸的选择
6.2.1基本原则
1）离子运动原则交流电压作用下，导线由于电晕产生的离子不会运动到电晕笼的笼壁且有足够裕度，因而电晕笼内导线周围的电场分布和离子分布与实际线路一致。
风对离子运动的影响较大，很小的风速就足以使离子的分布发生变化，因此，一般要求电晕笼的截面边长至少达到分裂导线外接圆半径和离子运动最远距离之和的4倍以上。
2）击穿原则电晕笼试验中导线上施加的最大电压Um和电晕笼的击穿电压Ub之间要有一定的裕度，从而保证导线在电晕笼内所加电压既能模拟实际线路表面场强，又不会产生击穿。
一般要求：
Ub/Um≥1.5。
6.2.2国外电晕笼截面选择
表1列出了国外特高压电晕笼的截面形状与尺寸。
目前，在截面形状上，国际上的电晕笼大多采用正方形结构；
在截面尺寸上；
一般为7~8m。
表1国外特高压电晕笼的截面形状与尺寸
Tab.1CrosssectionofUHVcoronacagesinforeigncountries
国家
美国
日本
韩国
意大利
加拿大*
研究机构
HVTRC
CRIEPI
KEPRI
ENEL
IREQ
截面形状
方形
圆形
电压等级（kV）
1500
1000
750
边长或直径（m）
7.9
8
6
7
5.5
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