直流合成場強、離子流密度測量儀校準技術

李斌，劉磊，王國利，李敏，黃歡，厲天威，唐力，項陽

(1.直流輸電技術國家重點實驗室(南方電網(wǎng)科學研究院)，廣州 510663；2. 貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，貴陽 550002)

0 引言

隨著我國直流輸電工程建設的快速發(fā)展，直流合成場強和離子流密度對設施周圍電磁環(huán)境產(chǎn)生的影響以及對作業(yè)場所中作業(yè)人員的影響已引起人們的普遍關注[1-7]。為維護直流輸電設施的正常穩(wěn)定運行，保證直流電磁環(huán)境質(zhì)量，需要對合成場強和離子流密度進行監(jiān)測[8-11]。測量是依靠合成場強測量儀和離子流密度測量儀來完成的。為了保證直流合成場強和離子流密度測量結(jié)果的準確性，需要對合成場強測量儀和離子流密度測量儀進行校準[12-13]。

現(xiàn)有校準裝置主要存在以下2個方面的問題。

1)僅能產(chǎn)生直流電場源而無相應空間電荷發(fā)生裝置[14-15]，導致不具備校準離子流密度測量儀的功能，同樣也不能滿足DL/T 1089—2008[16]附錄A對校準直流合成場強測量儀所要求的“場磨是測量直流電場的。直流電場還存在空間電荷，所以為校準場磨，不但要有直流電場源而且還要有相應的空間電荷發(fā)生裝置。利用能確切計算其電場強度和確切測量其空間電荷的場源和空間電荷流，以此作為原值來進行場磨校準”[12]。

另一方面，校準裝置存在各層平板間距固定不可調(diào)以及缺少對各層極板輸入輸出電流的監(jiān)測裝置問題，現(xiàn)有校準裝置操控性不好且精確度不高[17]。因此，有必要對直流合成場強、離子流密度測量儀的校準系統(tǒng)進行優(yōu)化研究。

本文首先介紹了直流合成場強、離子流密度測量儀的校準原理和方法；然后開展了直流合成場強、離子流密度測量儀校準系統(tǒng)的優(yōu)化研究，并提出了優(yōu)化后的合成場強、離子流密度測量儀校準系統(tǒng)，對優(yōu)化后校準系統(tǒng)的技術優(yōu)勢特點進行了分析；最后利用合成場強、離子流密度測量儀校準系統(tǒng)開展了試驗分析及驗證。

1 工作原理和校準方法

1.1 旋轉(zhuǎn)電場儀測量原理

測量換流站和直流輸電線路線下的合成電場，需要用到特制旋轉(zhuǎn)電場儀，該電場儀一方面要能準確測量合成直流電場，另一方面又能把截獲的離子電流泄流入地，并盡量小地影響正常讀數(shù)。該電場儀探頭由每隔一定角度開有若干扇形孔的2個圓片組成，兩圓片同軸安置，兩者間隔一定距離并相互絕緣，上面圓片隨軸轉(zhuǎn)動并直接接地，下面圓片固定不動并通過一電阻接地。圖1給出了旋轉(zhuǎn)電場儀測量原理示意圖。當動片轉(zhuǎn)動時，通過轉(zhuǎn)動圓片上的扇形孔，直流電場時而作用在定片上，時而又被屏蔽。這樣在定片與地之間產(chǎn)生一交變的電流信號。該電流信號與被測直流電場成正比，通過測量該交變電流可以知道直流電場的大小。

圖1 旋轉(zhuǎn)電場儀測量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring principle of rotating electric field instrument

測量原理可以用數(shù)學公式說明如下。

假設圓片上共有n個扇形孔，每個扇形孔面積為A0，上面圓片轉(zhuǎn)動的角速度為ω。這樣當上圓片轉(zhuǎn)動時，下圓片暴露于直流電場的總面積A(t)為：

A(t)=nA0(1-cosnωt)

(1)

若被測直流電場的場強為E，空氣的介電系數(shù)為ε0，則定片上感應的電荷Q(t)為：

Q(t)=ε0EA(t)

(2)

由此可以求得由直流電場感應的電流為：

(3)

通過測量ie(t)可以得出合成電場E。

沿電力線移動的離子電流也通過轉(zhuǎn)動圓片上的扇形孔進入定片，若離子電流密度為j，則進入到下固定圓片的離子電流為：

ij(t)=j×A(t)=nA0×j×(1-cosnωt)

(4)

由式(4)可見，進入固定圓片的電流i(t)由離子電流ij(t)和感應電流ie(t)2個分量組成，感應電流ie(t)和ij(t)相角正好差90 °。若能準確區(qū)分和測量ie(t)和ij(t)，則利用該儀器可同時用來測量合成電場E和離子電流密度j。但由于旋轉(zhuǎn)電場儀的A值小，致使ij(t)很小，因此無法準確求得j值。由于ij(t)<

從式(1)—(4)可知，合成電場E與電動機帶動上方旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速線性相關；此外，感應電流可通過檢測電阻Z上的電壓求得，E與電阻Z和電機轉(zhuǎn)速存在線性關系。對于每一臺旋轉(zhuǎn)伏特計設備，實際制造時電機的轉(zhuǎn)速和電阻的阻抗往往存在偏差，在空間存在電荷的情況下，設備測出的電場大小與真實電場大小的關系需要通過實驗校準。

1.2 校準方法

校準時需要一個含有空間電荷的直流電場。產(chǎn)生校準所需電場的儀器須滿足以下條件。

1)電場中的均勻區(qū)域應足夠大以減小旋轉(zhuǎn)伏特計所在位置電場強度的不確定度。

2)校準所用的電場不能明顯受到環(huán)境或者其他儀器的影響。

3)校準儀器的尺寸應足夠大以保證旋轉(zhuǎn)伏特計探頭不會明顯影響電極上的電荷分布。

平行板電極可以用來產(chǎn)生已知大小的電場并且滿足上述條件。

下面將分別介紹2種平行板電極，分別產(chǎn)生不含空間電荷的電場和包含空間電荷的電場，后者在結(jié)構(gòu)和操作上比前者更加復雜。另外，當直流輸電線路周圍離子流密度J<0.1×10-6A/m2且電場強度E>10 kV/m時，因為空間電荷存在而引起的測量誤差是可以忽略不計或者很小的。在這種情況下，不含空間電荷的系統(tǒng)即能夠滿足校準需求。

1)不含空間電荷電場的校準

如圖2所示，平行板電極可以產(chǎn)生一個已知大小和方向的均勻電場區(qū)域。電場強度的理論值E0由V/d給出，其中V為加在極板上的電壓，d為極板間距離。

圖2 不含空間電荷的平行板電極原理圖Fig.2 Principle diagram of parallel plate electrode without space charge

極板中心處的真實電場強度為E， 它與電場強度理論值間的誤差由極板長度x與極板間距離d的比值x/d決定，數(shù)值計算結(jié)果表明當x/d≤1， 誤差降到0.1%以下。

不含電荷的平行板電極校準裝置主要包括高壓直流電源、上極板和下極板，高壓直流電源的一個輸出端子連接上極板，另一個輸出端子連接下極板，上級板和下極板平行設置且兩板間設有間隙。在校準時需要在下極板上挖一個洞，將旋轉(zhuǎn)伏特計探頭放入其中，旋轉(zhuǎn)伏特計的探頭應該能夠剛好填充整個洞。高壓直流電源以及平行設置的上、下極板構(gòu)成一個均勻電場，通過調(diào)節(jié)上極板上的電壓產(chǎn)生不同大小的電場進行校準。結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 不含空間電荷的平行板電極校準裝置Fig.3 Calibration device of parallel plate electrode without space charge

不含空間電荷發(fā)生裝置的平行板電極校準裝置僅通過高壓直流電源直接連接兩塊金屬平板產(chǎn)生電場。一方面，未能對合成場強測量儀所測量的空間電荷進行校準，無法保證合成場強校準的規(guī)范性和準確性。另一方面，僅能單獨校準合成場強測量儀，不能同時校準準離子流密度測量儀。

2)含空間電荷電場的校準

含空間電荷的已知電場可以由圖4所示裝置產(chǎn)生。在該裝置中，導線電暈產(chǎn)生的電荷在電場作用下將穿過網(wǎng)格極板到達最下面的2個極板之間，與最下面的2個極板原本產(chǎn)生的電場疊加，形成含空間電荷的電場。

圖4 含空間電荷的電場原理圖Fig.4 Principle diagram of electric field with space charge

電場強度的大小由式(5)—(6)決定。

(5)

(6)

式中：z為電荷到下極板的距離；Vt為上極板電壓，Et為上極板處電場強度；K為離子遷移率。由于上極板處V(z)=V(d)=Vt， 代入式(6)可得上極板處電場強度Et， 再根據(jù)式(5)可得下極板處電場強度。

目前，含空間電荷的校準裝置包括由下至上依次布置的直流場接地極、直流場高壓極、控制極和離子流極、設置在直流場接地極中部的校準孔、設置在校準孔下方的支持平臺，直流場接地極和直流場高壓極之間設有第1絕緣支柱，直流場高壓極和控制極之間設有第2絕緣支柱，控制極和離子流極之間設有第3絕緣支柱，直流場接地極上還設有多個與直流場接地極絕緣的離子流接受板。在直流場接地極上表面可形成由靜電場和空間電荷場疊加而成的直流合成場，可用于合成場測量儀的校準。裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示?，F(xiàn)有含空間電荷的直流合成場測量儀的校準裝置各層平板間距是固定不可調(diào)的，并且缺少對各層極板的輸入輸出電壓和電流進行監(jiān)測的裝置，因而現(xiàn)有校準裝置的操控性不好，精確度也不高。

圖5 含空間電荷電場的校準裝置Fig.5 Calibration device of electric field with space charge

2 校準系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)上述方法，考慮有空間電荷即離子流情況下的合成電場和離子流密度的測量，設計如圖6所示的合成電場、離子流密度測量儀校準裝置。該裝置采用圓形平板設計，各個平板間的距離可調(diào)整。圓形設計是為了使得電場分布更加均勻并具各向同性。各平板間的距離可調(diào)是為了能通過改變參數(shù)對平行平板離子流發(fā)生器的特性、作用機理做更深入的了解。

圖6 合成場強、離子流密度測量儀校準裝置Fig.6 Calibration device of total electric field strength and ion current density meter

該裝置的拓撲原理圖如圖7所示。A1，A2，A3為3個微電流計，A1、A2為毫安級，A3為微安級，分別監(jiān)控流過電暈線板、控制板、平行平板上極板的電流I1、I2、I3。nA為納安表，E為旋轉(zhuǎn)伏特計。在設計中，將電暈線盤與控制盤之間的電壓稱為VC，控制盤與上極板之間的電壓稱為控制電壓VA，兩極板之間的電壓稱為極板電壓VT?？刂票P與上極板之間的距離為d2，兩極板之間的距離為d1。

圖7 平行平板離子流發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)拓撲圖Fig.7 Circuit structure topology of parallel plate ion current generator

平行平板離子流發(fā)生器由5層平板靠掛在4根絕緣環(huán)氧樹脂柱上組成，通過調(diào)節(jié)平行平板掛靠在環(huán)氧樹脂柱的網(wǎng)孔來調(diào)節(jié)平板之間的距離。平行平板離子流發(fā)生器的每層平板的功能如下。

1)第1層的純鋁制金屬平板為屏蔽板周邊圓滑向上彎起以均勻周邊電場，并防止板極周邊放電。屏蔽板上所加電壓能影響其下電暈線的放電強度，還會影響整個離子流發(fā)生器所處空間的電場分布。

2)第2層為放置放電電暈線的空心盤。周邊一圈為光滑的金屬圓環(huán)，放電電暈線平行排列在盤中，與外環(huán)相接，金屬圓環(huán)同時起外接高壓電源和均勻圓盤電場、防止尖端放電的作用。要求電暈線所產(chǎn)生的電暈離子流沿盤平面分布盡量均勻。電暈線采用直徑0.3 mm的康銅絲。通過比對不同間距的測量結(jié)果，最終選定電暈線排列間距為5 cm。在該間距下得到的電暈強度能滿足實驗的需要，且其直接產(chǎn)生的電暈離子流(不經(jīng)過過濾網(wǎng))在盤面上各處的偏差值不大于20%。電暈盤與其下方第3層控制盤組成平行平板離子流發(fā)生器中電極結(jié)構(gòu)之外的離子流源，負責產(chǎn)生足夠的正負離子向下提供給最底層的平行平板電極結(jié)構(gòu)。

3)第3層為控制盤?？刂票P是將不銹鋼金屬網(wǎng)焊接在鋁制金屬環(huán)內(nèi)制成的。它與電暈線盤之間的電壓差決定電暈強度，與第4層平板之間的電壓差決定了電暈離子流進入底層平行平板電場的強度。所以，一般不通過改變電暈放電強度來改變離子流大小，而通過改變調(diào)整盤和第4層平板之間的電壓來控制到達平行平板電極結(jié)構(gòu)的離子流密度。當控制盤和第4層平板之間的電壓大到一定程度時，電暈線產(chǎn)生的離子能夠穿過控制盤，反之如果電壓不夠大，產(chǎn)生的電暈離子主要堆積在控制盤與電暈線盤之間?？刂票P也是第1層過濾網(wǎng)，它的金屬網(wǎng)格大小影響電暈線直接產(chǎn)生的離子往下滲漏的強度，而且起到均勻電暈離子流分布的作用。相比第2層過濾網(wǎng)，這層網(wǎng)起的過濾作用較粗糙，網(wǎng)格也較大，為0.8 cm×0.8 cm。

4)第4層為平行平板電極結(jié)構(gòu)的上極板，也是第2層過濾網(wǎng)。

5)第5層為平行平板電極結(jié)構(gòu)的下極板，是厚不銹鋼平板，一般接地，其中心附近留有一空心圓盤用于放置場強儀，并均勻分布41個圓孔用于裝設監(jiān)控離子流密度的離子流收集盤。上極板與下極板之間形成的均勻離子流電場是整個實驗裝置的核心部分。

優(yōu)化后的合成場強、離子流密度測量儀校準系統(tǒng)具備滿足DL/T 1089—2008要求的校準合成場強測量儀，且具有校準離子流密度測量儀的綜合功能。此外，還提高了校準的便捷性，有效提高了校準效率。

3 試驗分析

3.1 接線

將3個電源串聯(lián)連接，如要求產(chǎn)生正離子，則電源的高端為正極性，負端接地(G電極)；如要求產(chǎn)生負離子，則電源的高端為負極性。合成電場、離子流密度測量儀校準裝置接線圖如圖8所示。

圖8 合成場強、離子流密度測量儀校準裝置實體接線圖Fig.8 Physical wiring diagram of calibration device of total electric field strength and ion current density meter

3.2 測量

將直流場強儀放入G電極的圓孔內(nèi)，調(diào)節(jié)螺絲桿使場強儀端面與G板齊平。由于現(xiàn)有場強儀的輸出不是按這種方式標定，所以需要重新標定。如果作為“飽和”狀態(tài)的監(jiān)視，則可以不重新標定。電流測量可以使用威爾遜辦法；也可以在G電極與電源下端之間串接一個2 μA 或20 μA電流表。由于G電極的面結(jié)為0.6 m2，所以離子流密度等于電流讀數(shù)除以0.6。

圖9中P1為電暈發(fā)生極板；P2為離子流控制極板，板面為絲網(wǎng)狀，可允許離子流通過；電極還與電暈發(fā)生極板P1上方的均壓帽連接。所以電流表收集了P1產(chǎn)生的所有離子流；P3為離子流電場上極板，板面亦為絲網(wǎng)狀，可允許離子流通過。

圖9 合成場強、離子流密度測量儀校準裝置原理圖Fig.9 Schematic diagram of calibration device for total electric field strength and ion current density meter

G為離子流電場下極板(金屬板)；P3與G之間的電位差除以極板間T1的距離即為離子流電場的計算電場強度。

電源V1為控制P1、P2之間的電壓；電源V2為控制P2、P3之間的電壓；電源V3為控制P3、G之間的電壓。

電流表A1、A2、A3分別對P1、P2、P3極板的輸入輸出電流的監(jiān)測。輸入離子流電場的離子流電流值為3個電流表讀數(shù)的算術和。

直流合成場強、離子流密度測量儀如圖10所示。校準時首先升壓V1使A1有一個較大的讀數(shù)，十幾～幾十微安，以保證下層有穩(wěn)定的離子流。然后升壓V2，使A3有一個比較小的數(shù)值，然后升壓V3直到A3等于零，記錄此時的V3讀數(shù)，然后繼續(xù)升壓到記錄讀數(shù)的2～3倍以上即可，再分別獨立地調(diào)節(jié)V2、V3來改變用于校準的標準離子流密度和合成場強。

圖10 直流合成場強、離子流密度測量儀Fig.10 Measuring instrument of DC total electric field strength and ion current density

4 校準試驗結(jié)果分析

根據(jù)DL/T 1089—2008標準，對昆明特高壓實驗室HDEM-1直流合成場強檢測系統(tǒng)和ICD-1離子流密度檢測系統(tǒng)進行校準試驗。校準裝置的電源V1、V2、V3和電流表A1、A2和A3均已送計量院校準。HDEM-1直流合成場強檢測系統(tǒng)和ICD-1離子流密度檢測系統(tǒng)的參數(shù)見表1和表2。

表1 HDEM-1直流合成場強檢測系統(tǒng)參數(shù)表Tab.1 Parameter table of HDEM-1 DC total electric field strength detection system

表2 ICD-1離子流密度檢測系統(tǒng)參數(shù)表Tab.2 Parameter table of ICD-1 ion current density detection system

將校準裝置通過調(diào)節(jié)電源V1、V2、V3后產(chǎn)生的標準場強x與被校準的HDEM-1直流合成場強檢測系統(tǒng)(10個合成場強測量探頭)的測量讀數(shù)y分別進行線性擬合，即y=kx+b。其中，HDEM-1直流合成場強檢測系統(tǒng)的線性度R為被校準的合成場強測量讀數(shù)與校準裝置產(chǎn)生的實際場強的相關系數(shù)，k為檢測曲線斜率，b為檢測曲線截距。HDEM-1直流合成場強檢測系統(tǒng)的校準試驗結(jié)果見表3。

表3 HDEM-1直流合成場強檢測系統(tǒng)校準試驗結(jié)果Tab.3 Calibration test results of HDEM-1 DC total electric field strength detection system

由表3可知，經(jīng)校準測試，10個合成場強測量探頭的R2均約等于1，檢測曲線斜率k值在1附近，b值在0附近。HDEM-1直流合成場強檢測系統(tǒng)的10個合成場強測量探頭的最大擴展不確定度為U=0.2 dB，k=2，滿足設備最大誤差允許誤差1 dB的要求。

將校準裝置通過調(diào)節(jié)電源V1、V2、V3后產(chǎn)生的標準離子流密度x與被校準的ICD-1離子流密度檢測系統(tǒng)(含10個離子流密度測量探頭)的測量讀數(shù)y分別進行線性擬合，即y=kx+b。其中，ICD-1離子流密度檢測系統(tǒng)的線性度R為被校準的離子流密度表計的測量讀數(shù)與校準裝置產(chǎn)生的實際離子流密度的相關系數(shù)，k為檢測曲線斜率，b為檢測曲線截距。ICD-1離子流密度檢測系統(tǒng)的校準試驗結(jié)果見表4。

表4 ICD-1離子流密度檢測系統(tǒng)校準試驗結(jié)果Tab.4 Calibration test results of ICD-1 ion current density detection system

由表4可知，經(jīng)校準測試，10個離子流密度測量探頭測量顯示的表計示值R2均約等于1，檢測曲線斜率k值在1附近，b值在0附近。ICD-1離子流密度檢測系統(tǒng)的10個離子流密度測量探頭最大擴展不確定度為U=0.8 dB，k=2，滿足設備最大誤差允許誤差1 dB的要求。

5 結(jié)論

為解決現(xiàn)有的校準裝置不能滿足標準要求開展直流合成場強測量儀的校準工作，以及存在操控性不好，精確度不高問題，本文開展直流合成場強、離子流密度測量儀校準系統(tǒng)優(yōu)化研究，對優(yōu)化后校準系統(tǒng)的技術優(yōu)勢特點進行了分析，并開展試驗分析及驗證，結(jié)論如下。

1)在現(xiàn)有校準裝置的基礎上進行了優(yōu)化設計，使優(yōu)化后的合成場強、離子流密度測量儀校準系統(tǒng)具有既能夠滿足DL/T 1089—2008附錄A的要求校準合成場強測量儀，又具有校準離子流密度測量儀的綜合功能，提高了校準的便捷性和校準效率。

2)優(yōu)化后的合成場強、離子流密度測量儀校準系統(tǒng)采用了圓形的平板設計使得電場分布更加均勻，并具各向同性；能夠?qū)Ω鲗悠桨宸謩e加壓，實時監(jiān)控各層平板電壓和電流，提高了校準精確度。

3)優(yōu)化后的合成場強、離子流密度測量儀校準系統(tǒng)各個平板之間的距離可調(diào)整。因此可以通過改變參數(shù)實現(xiàn)對平行平板離子流發(fā)生器的特性、作用機理做更深入的了解。使校準裝置不僅具有校準功能，還能開展平行平板離子流發(fā)生器特性、作用機理的研究工作。

4)為合成電場、離子流密度測試儀校準裝置的研制提供了有力指導，增強了校準裝置的綜合性能和準確性。該裝置在高壓直流工程電磁環(huán)境測試上的應用促進了我國電網(wǎng)電磁環(huán)境檢測設備的發(fā)展和進步，為電磁環(huán)境研究、檢測和校準機構(gòu)提供了技術支持，為解決電網(wǎng)直流工程的電磁環(huán)境糾紛提供了有力保障。