工頻電場測量儀的校準(zhǔn)裝置

左建生/上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

工頻電場測量在諸多科學(xué)研究和工程技術(shù)領(lǐng)域具有重要意義，特別在電力系統(tǒng)、電磁兼容及生物電磁效應(yīng)研究等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。電場強(qiáng)度是電學(xué)中除電流、電壓之外另一個重要的物理量，也是高壓領(lǐng)域中經(jīng)常需要測量的重要參數(shù)。在電磁效應(yīng)研究領(lǐng)域和電力系統(tǒng)工程應(yīng)用中，常常需要了解設(shè)備表面和內(nèi)部的低頻電場，如超高壓輸電線路導(dǎo)體表面和附近的電場分布等[1]。而電場強(qiáng)度的準(zhǔn)確測量，對及時分析電場強(qiáng)度是否過高，是否適于人體長時間身心健康的工作，從而更好地研究并優(yōu)化改進(jìn)設(shè)備的運行狀態(tài)，有著至關(guān)重要的意義。

目前工頻電場的監(jiān)測主要采用工頻電場測量儀來進(jìn)行。為了保證工頻電場測量儀測量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，所以必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)，使其處于受控狀態(tài)，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]。本文介紹在對工頻電場測量儀校準(zhǔn)原理研究的基礎(chǔ)上，研制了一套工頻電場測量儀校準(zhǔn)裝置，可以實現(xiàn)工頻電場的校準(zhǔn)。

1 原理

本文主要采用平行電板法實現(xiàn)工頻電場來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)場強(qiáng)法[3-4]。平行電板法是利用兩塊平行板組成電場產(chǎn)生裝置，將工頻高壓源產(chǎn)生的電壓直接加載到平行板上，從而產(chǎn)生所需的工頻電場強(qiáng)度。電場強(qiáng)度大小由式（1）計算所得。

為了產(chǎn)生更為均勻的電場，平行板越大越好。理論上電板無限大時，所產(chǎn)生的中心電場可視為均勻，電板的邊緣對于中心場強(qiáng)的影響可以忽略不計。當(dāng)電板較大時，兩電板之間的電容就會越來越大，產(chǎn)生的容性阻抗較大。普通的信號發(fā)生器無法直接驅(qū)動大電板，所以必須將信號放大之后才能產(chǎn)生高強(qiáng)度的電場。電板的大小以及平行電板之間的壓差也是保證產(chǎn)生均勻電場強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)。校準(zhǔn)時，場強(qiáng)探頭尺寸相對電板的尺寸可以忽略，把受試探頭當(dāng)成質(zhì)點，將其放入電板產(chǎn)生的均勻電場中，才能忽略探頭插入電場所造成的影響。

2 裝置

2.1 工頻電場裝置

根據(jù)式（1）的原理，將電壓信號加載到電板上，產(chǎn)生一個穩(wěn)定的靜電場。由于電板面積較大，組成雙電板，形成的電容器電容較大，常規(guī)的信號源和功率放大器無法驅(qū)動。工頻段，采用高壓源對常規(guī)電壓進(jìn)行升壓，從而驅(qū)動電板，產(chǎn)生工頻高電場強(qiáng)度。在其他頻段，通過研制低頻功率放大器，可以滿足驅(qū)動大電容器，滿足各類型號電場測量儀的校準(zhǔn)。由于各個廠家的電場探頭尺寸大小不同，電板設(shè)計之初就考慮各個型號之間的插入帶來的影響。電板尺寸較大，同時設(shè)計考慮可以調(diào)節(jié)尺寸，從而滿足環(huán)境監(jiān)測部門所使用的各類型測量儀。

圖1 工頻電場測量儀校準(zhǔn)裝置

2.2 工頻高壓源

工頻高壓電場測量儀校準(zhǔn)裝置由高壓源（高壓控制器和升壓器）、高壓數(shù)字表組成。高壓源主要功能為將電壓進(jìn)行升壓，通過電壓互感原理來實現(xiàn)。本次裝置采用的高壓源升壓部分采用的鐵芯為單相芯式，采用優(yōu)質(zhì)冷軋取向硅鋼片疊制而成，緊固方式采用鋼材作夾件。高壓線圈為圓筒多層塔式，由優(yōu)質(zhì)聚酯漆包線及耐壓高絕緣材料繞制而成。低壓線圈在外，儀表線圈為一獨立繞組，一般情況下為100 V。將工頻電磁場測量儀放置在電板中間位置。將高壓源連接線連到電板上。當(dāng)升壓以后，加載到電板兩端的電壓為工頻高電壓，普通的數(shù)字多用表無法承受高壓。以34401A為例，測量交流電壓時，最大測量范圍為750 V，所以必須使用高壓數(shù)字表進(jìn)行監(jiān)測，才能真正監(jiān)測到加載至電板兩端的電壓。高壓毫伏表對電壓進(jìn)行衰減，然后通過高阻進(jìn)行分壓從而在顯示器上進(jìn)行顯示。對分壓部分按比例進(jìn)行推算出電壓為多大。根據(jù)校準(zhǔn)工頻電場強(qiáng)度設(shè)置高壓源控制器，使高壓毫伏表上的電壓為需求電壓，再依次調(diào)制輸出電壓大小，將工頻電場測量儀的示值依次記錄下來。

2.3 電板

導(dǎo)電性優(yōu)良、板塊較大的電板所產(chǎn)生的電場可以有效地減少探頭插入時對中心電場的影響。然而電板尺寸較大時，加載到電板上的電壓就容易帶來每塊電板導(dǎo)線連接點到板四周的電壓差（簡稱壓差）。電板產(chǎn)生的壓差，使電場發(fā)生變化。中心電場強(qiáng)度與周邊電場強(qiáng)度大小不一，從而造成電場不穩(wěn)定、不均勻。

系統(tǒng)選用厚度為2 mm的鋁板，考慮到電板面積較大，如果工頻高壓源輸出端接到電板上，接觸點到電板其他地方距離較遠(yuǎn)，容易造成壓差。裝置采用防電襯墊對靠近人的一面進(jìn)行固定，同時將電板放置在高75 cm的木桌上，中間開孔，便于校準(zhǔn)工頻電場探頭出入，減少大地對電板的影響。為了檢驗電板中間是否存在電壓差，將多用表的兩表筆放在板的任意兩點，可測得同一塊電板上任意兩點之間的電壓幾乎都為零，很好地滿足了IEC 61786-2013[5]中對電板電壓差在1%之內(nèi)的要求，從而保證了兩電板之間的空間中任意一點所產(chǎn)生電場的均勻性。

為了減少大地對電板上電壓的影響，必須將電板遠(yuǎn)離大地以及導(dǎo)電物體。由于電板為1.5 m×1.5 m，板中心到板邊緣的距離為0.75 m，所以采用距離地面0.75 m的木質(zhì)結(jié)構(gòu)桌面，將電板懸在空中，將桌子中間設(shè)計為空性，方便放置探頭，最大化減少外界帶來的影響。

2.4 支撐結(jié)構(gòu)

目前廣泛使用的工頻電場測量儀，其絕緣支架大都是木質(zhì)（或環(huán)氧樹脂架）結(jié)構(gòu)。對于木材來說，在其干擾狀態(tài)下，其導(dǎo)電性極小，可視為絕緣體。但是木質(zhì)結(jié)構(gòu)含水分，特別是水分在木材纖維飽和點以下時，含水率越高，木材導(dǎo)電性越強(qiáng)。然而，對于實驗室校準(zhǔn)來講，降低探頭的插入對場帶來的畸變影響，減少外界干擾帶來的影響，這些都是裝置必須要考慮的。所以，木材支架或者環(huán)氧樹脂支架對場都有或多或少的影響。項目經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，支架采用常規(guī)的泡沫支撐，對于場帶來的影響最小。而且支撐較輕，搭建容易，方便校準(zhǔn)不同型號的測量儀。故本裝置采用四個不同泡沫支撐架來組成各類型號校準(zhǔn)所需的支架結(jié)構(gòu)。

圖2 裝置實物圖

3 系統(tǒng)驗證

為了驗證系統(tǒng)的準(zhǔn)確可靠，采用Holaday公司的工頻場強(qiáng)儀HI-3604與國家院、華南院進(jìn)行比對。比對數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 工頻電場比對數(shù)據(jù)

表2 工頻電場比對數(shù)據(jù)

根據(jù)表1和表2工頻電場比對數(shù)據(jù)結(jié)果，可以得出裝置所產(chǎn)生的工頻電場與國家院、華南院工頻電場校準(zhǔn)結(jié)果相近，可以驗證系統(tǒng)的一致性。

4 測量不確定度

根據(jù)裝置的組成以及電場計算式（1）可得，裝置的測量不確定度由以下幾個方面組成：

1）邊緣效應(yīng)帶來的誤差。由于式（1）產(chǎn)生的電場為靜電場，只有平行板無窮大時，對中心場強(qiáng)的影響才可以忽略。在頻率升高時，平行板間電壓隨位置變化而變化，板邊緣的電場線不再垂直于兩板，方向逐漸向外輻射。根據(jù)IEC 61786-1-2013中，當(dāng)中心距離邊緣大于等于0.6 m時，邊緣及板距對中心場強(qiáng)的影響可忽略不計。本文采用1.5 m×1.5 m的電板，校準(zhǔn)時，中心位置在0.75 m處，故邊緣及板距對場強(qiáng)儀的影響可以忽略不計。

2）毫伏表監(jiān)測電壓帶來的不確定分量為0.58%。

3）測量重復(fù)性帶來的不確定度分量為1.8%。

綜上所示，由于各項誤差來源不相關(guān)，工頻電場強(qiáng)度校準(zhǔn)裝置測量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

擴(kuò)展不確定度為

5 結(jié)語

根據(jù)理論推導(dǎo)，采用電壓升壓器組成的高壓源、高壓源控制器、高壓毫伏表、電板等設(shè)計出的工頻電磁場校準(zhǔn)裝置，可以產(chǎn)生工頻電場強(qiáng)度10 V/m～30 kV/m，經(jīng)過實際比對驗證，滿足目前社會上大多數(shù)使用工頻電磁場測量儀的校準(zhǔn)需要。在實際校準(zhǔn)過程中，需要加強(qiáng)對溫濕度等相關(guān)外界因素的控制。在后續(xù)的工作中，需要進(jìn)一步研制更高強(qiáng)度的工頻電場測量儀校準(zhǔn)裝置。