預(yù)警裝置電場(chǎng)測(cè)量中濕度影響分析

荀道玉 劉青 朱聰 葛韋廷 南京工程學(xué)院

引言

隨著輸電線路覆蓋面不斷擴(kuò)大和輸送的電壓等級(jí)的不斷提升。社會(huì)各界對(duì)輸變電設(shè)施電磁環(huán)境問(wèn)題廣泛關(guān)注?，F(xiàn)在居民區(qū)的輸電方式主要還是空中架線，但隨著用電遍及度越高，輸電線路離居民的住所就越近，這會(huì)引起大多數(shù)居民對(duì)高壓輸電線路工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)對(duì)其生活或身體的擔(dān)憂。

為了減少人們對(duì)電力環(huán)保問(wèn)題的投訴和消除人們的擔(dān)憂，線路架設(shè)驗(yàn)收部門把工頻電場(chǎng)強(qiáng)度作為電力工程環(huán)保驗(yàn)收評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，對(duì)于電力工程環(huán)境保護(hù)工作的評(píng)判具有重要的意義。

在工頻電場(chǎng)強(qiáng)度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，同一輸電線路在相同運(yùn)行工況、同一測(cè)點(diǎn)使用同一測(cè)量設(shè)備在不同環(huán)境濕度下測(cè)試時(shí)，工頻電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果會(huì)有很大的差別，且與國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議推薦方法的計(jì)算值相差甚遠(yuǎn)。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境濕度從兩個(gè)方面使測(cè)量結(jié)果與正常情況差別較大。一是影響測(cè)量設(shè)備的電場(chǎng)強(qiáng)度傳感器；二是改變輸電線路對(duì)地電場(chǎng)的強(qiáng)度分布。但現(xiàn)有研究對(duì)此分歧較大，并沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明影響電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量值的主要原因。本文主要是對(duì)兩者進(jìn)行影響程度的評(píng)定，確定濕度影響電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量的主要原因。

1、工頻電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量與濕度的關(guān)系

首先對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行科學(xué)合理的假設(shè)。由于水平架空線路中電壓與電流的頻率都為50Hz，相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ為6000km，根據(jù)天線理論可知，只有發(fā)射天線的物理尺寸達(dá)到或接近，才能使得電磁波空間發(fā)射能力最強(qiáng)，目前任何一條高壓輸電線路均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此尺寸，因此電力線路向周圍的電磁波發(fā)射能力是極弱的，稍遠(yuǎn)距離的電磁場(chǎng)強(qiáng)度幾乎檢測(cè)不到存在。對(duì)于距電力線路數(shù)米或數(shù)百米的距離r處而言，由于r＜＜λ，故架空電力線路附近的電場(chǎng)和磁場(chǎng)呈現(xiàn)典型的“近場(chǎng)區(qū)”特征。此特征為：（1）似穩(wěn)場(chǎng)，即區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)與源（導(dǎo)線處）的相位差小到可以忽略的程度，基本沒(méi)有空間移動(dòng)的跡象，不會(huì)呈現(xiàn)向空間傳送電磁波的現(xiàn)象。（2）準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)，即區(qū)內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的特征與靜態(tài)場(chǎng)幾乎完全相同，可用靜態(tài)場(chǎng)來(lái)求解，電場(chǎng)與磁場(chǎng)基本相互獨(dú)立。（3）感應(yīng)場(chǎng)，即區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)隨距離呈1/r2規(guī)律、電場(chǎng)以1/r3規(guī)律迅速衰減，電磁輻射能量極小。

1.1 工頻電場(chǎng)的理論計(jì)算模型

依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和資料，可計(jì)算得出電力線路附近電場(chǎng)強(qiáng)度水平和垂直分量的近似計(jì)算公式：

式中，y為電力線對(duì)地投影到觀測(cè)點(diǎn)的距離，I為電力線中的交變電流，h為電力線平均架設(shè)高度，z為觀測(cè)點(diǎn)高度，，σ為大地的視在電導(dǎo)率，為角頻率，為大地傳播常數(shù)，為特征參數(shù)，為第1 類0 階貝塞爾函數(shù)。

1.2 線路工頻電場(chǎng)的理想模型及其分布與濕度的關(guān)系

輸電線路電場(chǎng)相對(duì)于下方地面是一個(gè)對(duì)地電容。在靜電場(chǎng)下，容易得到：

電容表達(dá)式：

輸電線路電場(chǎng)強(qiáng)度表達(dá)式：

其中，Q 表示線路表面的電荷量；U 表示線路的施加電壓，d 為電容極板的距離，p 為電荷密度，k 則是靜電力常量，

我們可以推算出：

L 為單位輸電線路長(zhǎng)度。

從式(5)可以看出，輸電線路在空間某點(diǎn)所產(chǎn)生的空間電場(chǎng)只與線路的施加電壓和該點(diǎn)的空間位置有關(guān)，而與空間介質(zhì)無(wú)關(guān)。

由理論分析得：輸電線路下方工頻電場(chǎng)強(qiáng)度的分布與空間濕度的大小并無(wú)直接關(guān)系，濕度大小也只是僅僅改變實(shí)際介電常數(shù)得大小。但是，根據(jù)在實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著濕度的增大，所測(cè)點(diǎn)處工頻電場(chǎng)也隨之增大。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣的相對(duì)濕度較小時(shí)，工頻電場(chǎng)隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化較小，而當(dāng)相對(duì)濕度較大時(shí)，工頻電場(chǎng)隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化較大，且近似呈指數(shù)增加。

1.3 濕度對(duì)檢測(cè)設(shè)備得測(cè)量的影響

目前，在我國(guó)根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工頻電場(chǎng)測(cè)量》考慮了三種類型的測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度的儀器：（1）懸浮體型（2）地參考型（3）光電型。然而國(guó)內(nèi)外環(huán)評(píng)監(jiān)測(cè)所采用的工頻電場(chǎng)測(cè)量?jī)x器大多都是懸浮體場(chǎng)強(qiáng)儀。懸浮體場(chǎng)強(qiáng)儀的工作原理主要是測(cè)量引入到被測(cè)電場(chǎng)的一個(gè)孤立導(dǎo)體兩部分之間的工頻感應(yīng)電流和感應(yīng)電荷。它用于在地面以上的地方測(cè)量空間電場(chǎng)，并且不要求一個(gè)參考電位，且便于攜帶。在實(shí)際的測(cè)量電路中，由這兩部分之間的電容和取樣電阻形成回路，測(cè)量出電阻上的電壓，從而獲得工頻感應(yīng)電流。而后利用電場(chǎng)與電流的關(guān)系式得出所測(cè)工頻電場(chǎng)值的大小。

所有的探頭考慮為偶極子，當(dāng)球型探頭位于勻強(qiáng)電場(chǎng)內(nèi)，分開兩半球的平面垂直于電場(chǎng)，在一個(gè)半球上的感應(yīng)電荷有效值Q 為：

在環(huán)境濕度較大時(shí)，水蒸氣充斥著整個(gè)空間，使得設(shè)備整體對(duì)地電導(dǎo)增大，從而降低了探頭到線路以及探頭到大地之間的阻抗。而探頭外殼不透水，使其內(nèi)部的感應(yīng)電極仍只有電容存在，其在線路探頭上極板、探頭上極板 探頭下極板、探頭下極板 大地的分壓比例增大，從而能使測(cè)量讀數(shù)變大。同時(shí)，在高濕度條件下，可能在場(chǎng)強(qiáng)儀的 2 個(gè)傳感電極之間形成凝結(jié)層，產(chǎn)生較大的泄漏電流，使內(nèi)部的測(cè)量回路局部短路，從而使得所測(cè)出的感應(yīng)電流較大，測(cè)出的電場(chǎng)值偏大。

1.4 濕度對(duì)絕緣設(shè)備的影響

目前廣泛使用的工頻電磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x，其絕緣支架大都是木支結(jié)構(gòu)。木制支架長(zhǎng)時(shí)間處于大濕度環(huán)境下會(huì)在很大程度上變成了一個(gè)突出地面的導(dǎo)電體，木棒中的水分子會(huì)在電場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)發(fā)生電離現(xiàn)象，且水分子濃度越高，電離現(xiàn)象越明顯，所以其介電常數(shù)隨著濕度的增大在一定范圍內(nèi)呈指數(shù)形式增大，導(dǎo)致探頭所在位置的電場(chǎng)強(qiáng)度也呈指數(shù)形式增大，從而導(dǎo)致儀器的表頭讀數(shù)增大非常明顯，且這種增大方式在一定范圍內(nèi)也近似呈指數(shù)形式增長(zhǎng)。

2、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

由于外界環(huán)境濕度很難控制，為了更加準(zhǔn)確的定性分析濕度對(duì)測(cè)量讀數(shù)的影響，我們將在實(shí)驗(yàn)室濕度控制器的幫助下，對(duì)濕度進(jìn)行等額提升。通過(guò)試驗(yàn)分析，當(dāng)3 種儀器在相對(duì)濕度＜60%時(shí)，測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值均相差較小，當(dāng)相對(duì)濕度＞60%時(shí)，測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值相差較大，測(cè)量值失真明顯。因此應(yīng)盡量采用憎水性有機(jī)絕緣材料或在支架涂抹疏水化合物(硅脂),減小支架絕緣性能受濕度的影響程度，可以有效減少濕度測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

3、結(jié)語(yǔ)

本小組竭力研究為高壓絕緣近電預(yù)警裝置的電場(chǎng)測(cè)量的主要研究在相對(duì)固定的電磁場(chǎng)的計(jì)算區(qū)域，及激勵(lì)源的特性，求其場(chǎng)域中場(chǎng)量隨時(shí)間、空間分布的規(guī)律（與場(chǎng)分布），從而得出其與電源的距離。我們研究發(fā)現(xiàn)濕度的變化并不會(huì)對(duì)工頻電場(chǎng)本身發(fā)生較大的變化。此項(xiàng)研究一旦測(cè)出電場(chǎng)的具體數(shù)據(jù)，將為高壓試驗(yàn)桿提供極大的幫助。此研究方法具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。