工頻電場(chǎng)測(cè)量?jī)x支架材質(zhì)對(duì)空間電場(chǎng)影響研究

， ，(.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 6004；2.陜西省智能電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 70049；3.西安交通大學(xué)，陜西 西安 70049)

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，高壓輸變電設(shè)備附近所產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)日益受到關(guān)注[1-3]。因?yàn)殡姶怒h(huán)境問題引起的糾紛常有報(bào)道，準(zhǔn)確測(cè)量電力設(shè)備的電磁場(chǎng)具有重要的意義[4]，它關(guān)系到設(shè)備選擇、設(shè)計(jì)優(yōu)化和司法鑒定等方面。

工頻電場(chǎng)測(cè)試儀是測(cè)量電力設(shè)備運(yùn)行電壓對(duì)地表1.5 m高度處電場(chǎng)強(qiáng)度的設(shè)備，通常由主機(jī)、測(cè)量探頭、支撐架等部件組成。其中支撐架頂端距離地面1.5 m，測(cè)量探頭固定在支撐架的頂端。帶電體所在空間的電場(chǎng)分布與其所處空間的介質(zhì)分布情況有關(guān)。為測(cè)量空間電場(chǎng)，人為增加了支撐架、測(cè)量探頭等與空氣介電常數(shù)不一致的物體，這將會(huì)改變空間電場(chǎng)，尤其是探頭所在區(qū)域的電場(chǎng)[5]。下面通過建立電場(chǎng)測(cè)試儀支架的有限元仿真模型，計(jì)算不同介電常數(shù)的支架對(duì)電場(chǎng)測(cè)試的影響，分析表明電場(chǎng)測(cè)試儀及其附件應(yīng)取介電常數(shù)與空氣接近的材料制作，且應(yīng)盡量減小材料重量。

圖1 工頻電場(chǎng)測(cè)試儀實(shí)物

1 有限元分析方法原理

有限單元法(finite-element method，簡(jiǎn)稱有限元法)是一種解決工程物理場(chǎng)問題的常用方法[6]。

有限元法求解的基本步驟[7]如下：

1)結(jié)構(gòu)離散化：對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，將其分割成若干個(gè)單元，單元間彼此通過節(jié)點(diǎn)相連。

2)求出各單元的剛度矩陣[K](e)：[K](e)是由單元節(jié)點(diǎn)位移量[Φ](e)求單元節(jié)點(diǎn)力向量[F](e)的轉(zhuǎn)移矩陣，其關(guān)系式為

[F](e)=[K](e)[Φ](e)

(1)

3)集成總體剛度矩陣[K]并寫出總體平衡方程：[K]是由整體節(jié)點(diǎn)位移向量[Φ]求整體節(jié)點(diǎn)力向量[F]的轉(zhuǎn)移矩陣，其關(guān)系式為

[F]=[K][Φ]

(2)

這就是總體平衡方程。

如把電極表面取作邊界A，電極以外的空間稱作場(chǎng)域，則當(dāng)場(chǎng)域中電位φ滿足拉普拉斯方程▽·▽?duì)摩?=0時(shí)，場(chǎng)的計(jì)算問題成為求取函數(shù)φ的邊界值問題。設(shè)三維電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，電位函數(shù)φ滿足拉普拉期方程：

(3)

對(duì)電場(chǎng)測(cè)試儀所在場(chǎng)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，場(chǎng)域分成許多小單元，指定材料相對(duì)介電常數(shù)ε，并施加邊界條件。

2 有限元分析模型的建立

采用ANSYS MAXWELL建立電場(chǎng)測(cè)試儀支架材質(zhì)對(duì)空氣電場(chǎng)影響的分析模型，模型由支架底座、支撐桿、導(dǎo)線組成(為簡(jiǎn)化分析，不包括探頭部分)，如圖2所示。

圖2 分析模型三維視圖

圖3 觀察面位置示意

圖4 觀察線位置示意(垂直于地面，穿過支撐桿)

模型中導(dǎo)線電壓為10 kV(對(duì)地幅值)，支撐架由底座和支撐桿兩部分組成，支撐桿長(zhǎng)度為0.9 m，外徑為20 mm。為了方便對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，模型選取了一個(gè)觀察面和一條觀察線，觀察面及觀察線的相對(duì)位置如圖3和圖4所示。

當(dāng)導(dǎo)線下方未放置電場(chǎng)測(cè)試設(shè)備及其附件時(shí)，空間電場(chǎng)未受到干擾，為標(biāo)準(zhǔn)電場(chǎng)。將此種情況下的電場(chǎng)作為基準(zhǔn)與改變支撐桿材質(zhì)情況下的電場(chǎng)做比較，相關(guān)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 無(wú)電場(chǎng)測(cè)試儀情況下的基準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果

3 材質(zhì)改變對(duì)空間電場(chǎng)分布影響

采用不同材質(zhì)的支撐桿進(jìn)行研究。首先選定底座的材質(zhì)為環(huán)氧樹脂(相對(duì)介電常數(shù)為3.6)，支撐桿的材質(zhì)在后續(xù)分析中將分別修改為PVC(相對(duì)介電常數(shù)為2.7)、玻璃(相對(duì)介電常數(shù)為5.5)和鋁合金(相對(duì)介電常數(shù)默認(rèn)為∞)，得到不同材質(zhì)的支撐桿對(duì)空間電場(chǎng)分布的影響。

3.1 PVC

當(dāng)支撐桿為PVC時(shí)，對(duì)應(yīng)的空間電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

比較圖5(c)和圖6(c)可知，由于電場(chǎng)測(cè)試儀支架的存在，導(dǎo)致觀察線上的電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生了明顯變化，在觀察線由低到高穿越支撐桿的過程中，當(dāng)其穿越底座下方和穿出支撐桿上方時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生了跳變。

圖6 當(dāng)支撐桿材質(zhì)為PVC時(shí)空間電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

3.2 玻璃

當(dāng)支撐桿為玻璃時(shí)，對(duì)應(yīng)的空間電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 當(dāng)支撐桿材質(zhì)為玻璃時(shí)空間電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

比較圖7(c)和圖6(c)可知，由于支撐桿材料由PVC變化為玻璃，其相對(duì)介電常數(shù)變大，導(dǎo)致了在介質(zhì)交界面兩次電場(chǎng)跳變的幅值更大。

3.3 鋁合金

當(dāng)支撐桿為鋁合金時(shí)，對(duì)應(yīng)的空間電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 當(dāng)支撐桿材質(zhì)為鋁合金時(shí)空間電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

從圖8可知當(dāng)支撐桿為鋁合金時(shí)，介質(zhì)交界面上的電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生了最為劇烈的變化(相比支撐桿為玻璃和PVC的情況)，此種情況下支撐桿對(duì)空間電場(chǎng)的影響最為嚴(yán)重。

4 支撐桿優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

從上面的分析可知，3種材質(zhì)的支撐桿中，PVC材質(zhì)對(duì)空間電場(chǎng)分布的影響最小。對(duì)于同類型的PVC材質(zhì)支撐桿，一定還能找到更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案。這里采用中空結(jié)構(gòu)的PVC，管外徑保持20 mm不變，管內(nèi)徑為16 mm，進(jìn)一步考察空心支撐桿對(duì)空間電場(chǎng)的分布影響。計(jì)算得到電場(chǎng)分布情況如圖9所示。與圖6相比，采用相同外徑的空心PVC管對(duì)空間電場(chǎng)分布影響較小。

圖9 當(dāng)支撐桿材質(zhì)為空心PVC時(shí)空間電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

1)電場(chǎng)測(cè)試儀支架的材質(zhì)與空氣有很大差異，兩者交界面處會(huì)發(fā)生電場(chǎng)跳變。

2)電場(chǎng)測(cè)試儀支架材質(zhì)的介電常數(shù)越大，對(duì)空間電場(chǎng)強(qiáng)度影響越大，所以應(yīng)該選用介電常數(shù)接近空氣(相對(duì)介電常數(shù)為1)的材質(zhì)做為支撐架材料。

3)當(dāng)采用相對(duì)介電常數(shù)較低的絕緣材料作為電場(chǎng)測(cè)試儀支架時(shí)，空心管對(duì)空間電場(chǎng)分布影響小于實(shí)心棒。

[1] 張晉寅，蔣龍生，趙淼，等.數(shù)字式無(wú)線工頻電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的研制[J].高壓電器，2011，47(8): 22-27.

[2] 張婷，方志，陳陶陶，等.球形電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)在高壓測(cè)量領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 電測(cè)與儀表，2007，44(11):11-16.

[3] 李永明，范與舟，徐祿文．超高壓輸電線路鐵塔附近地面工頻電場(chǎng)仿真分析[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(3)：782-787.

[4] 黃子璇，席黎明，樊夢(mèng)旭，等．高壓輸電線下有建筑物時(shí)工頻電場(chǎng)計(jì)算中模擬電荷設(shè)置方法的改進(jìn)[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(3)：788-793．

[5] Thomas A， Bag inski. Hazard of Low-frequency Electromagnetic Coupling of Overhead Power Transmission Lines to Electroexplosive Devices[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,1989,31(4):393-395.

[6] 王澤忠，金玉生，盧斌先．工程電磁場(chǎng)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2010：46-48．

[7] Lee B Y，Myung S H，Min S W．An Effective Modeling Method to Analyze Electric Field Around Transmission Lines and Substation Using a Generalized Finite Line Charge[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12(3)：1143-1149．