適應(yīng)高濕度環(huán)境的輸變電工程電場強度測量與試驗

謝連科，王 敏，李樂豐，崔相宇，趙 國

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003；2.濟南市機動車污染防治中心，山東 濟南 250099；3.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068）

0 引言

隨著人們環(huán)保意識的不斷增強，輸變電工程中的電磁環(huán)境保護問題也得到廣泛關(guān)注［1-5］。為了準(zhǔn)確地對輸變電工程附近的電磁環(huán)境進行測量，打消人們對輸變電工程電磁環(huán)境方面的疑慮，國內(nèi)外學(xué)者對輸變電工程電磁環(huán)境測量方法進行了大量的研究［6-9］。

在實際工頻電場測量時，普遍采用的場強儀多為懸浮式電場探頭，并通過絕緣材料制作成的支架對探頭進行支撐固定。當(dāng)測試環(huán)境濕度發(fā)生變化時，會對支架的絕緣性能產(chǎn)生影響，引起工頻電場的畸變，從而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性［10-11］。為了防止?jié)穸冗^大時絕緣支架泄漏電流，在對工頻電場進行測量時，測量環(huán)境的濕度應(yīng)保持在80%以下［12-14］。文獻［15］中，張廣洲等針對工頻電場的分布情況及其計算方法進行詳細(xì)的分析，得到線路附近電場分布與導(dǎo)線參數(shù)和電壓等相關(guān)，與天氣條件關(guān)系不大。文獻［16］中，通過機理分析的方法，詳細(xì)分析不同環(huán)境濕度情況對高壓輸電線路的工頻電場分布及測量結(jié)果的影響，從理論上驗證了環(huán)境濕度對工頻電場的分布沒有影響，測量數(shù)據(jù)的變化主要為環(huán)境濕度對所使用的測量儀器有較大影響。

針對環(huán)境濕度對懸浮型電場探頭絕緣支架的影響，基于地參考型工頻電場監(jiān)測探頭原理，構(gòu)建高濕度條件下的工頻電場測量系統(tǒng)。通過兩種測量系統(tǒng)的實際對比試驗，驗證所構(gòu)建測量系統(tǒng)的有效性。

1 電場測量原理分析

在輸變電工程中，主要是采用基于光學(xué)的電場測量法以及基于電學(xué)的電場測量法對電場強度進行測量。

1.1 光學(xué)電場測量方法

光學(xué)電場測量方法是采用基于普克爾斯效應(yīng)制作的電場傳感器來對電場強度進行測量的方法。普克爾斯效應(yīng)是德國物理學(xué)家普克爾斯在19 世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)并提出的，即將某種透明的光學(xué)介質(zhì)置于電場環(huán)境時，由于受到外部電場的作用，該介質(zhì)的光學(xué)折射率會根據(jù)外加電場的改變而發(fā)生相應(yīng)的線性變化。

根據(jù)普克爾斯效應(yīng)，若某種光電晶體所處的外部電場發(fā)生變化時，它的光學(xué)折射率也會相應(yīng)地發(fā)生改變，可以采用合適的轉(zhuǎn)換方法，將光電晶體折射率的變化信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣夤β实淖兓畔?，從而制作電場傳感器。如圖1 所示，這種基于光學(xué)的電場監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，價格也比較昂貴。

圖1 光學(xué)電場測量裝置原理

1.2 電學(xué)電場測量方法

國內(nèi)外學(xué)者及研究機構(gòu)對基于電學(xué)的電場強度測量方法的研究也比較早，該測量技術(shù)已經(jīng)較為成熟。與基于光學(xué)的電場測量裝置相比，基于電學(xué)原理的測量裝置結(jié)構(gòu)更為簡單，因此制作成本也更低，在實際工程中應(yīng)用更為廣泛。目前，應(yīng)用最多的電學(xué)型電場傳感器，主要有懸浮型電場測量探頭和地參考型電場測量探頭。

1.2.1 懸浮型電場探頭原理

基于懸浮型探頭的電場傳感器主要分為球形結(jié)構(gòu)和平行板型結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，兩種探頭結(jié)構(gòu)都不需要參考地電位，便于設(shè)計制作成便攜式電場傳感器。圖2（a）所示為球形探頭，它的兩個電極分別為上下兩個中空的半球形金屬外殼，兩個電極采用絕緣物質(zhì)進行連接。圖2（b）所示為平行板型探頭，它是由兩塊平行的金屬板作為兩極，該種探頭結(jié)構(gòu)簡單，加工制作成本低，使用方便。

圖2 懸浮型電場探頭

當(dāng)懸浮型探頭置于電場中時，探頭的兩部分導(dǎo)體平面與電場方向垂直，則在導(dǎo)體表面上會感應(yīng)出電荷，因此，可以通過對感應(yīng)電荷進行測量，從而測得探頭所處電場的電場強度。探頭感應(yīng)電荷的有效值可以由式（1）計算得到。

式中：Q為感應(yīng)電荷的電量有效值，C；E為被測電場的電場強度，V/m；ε為空氣介電常數(shù)；r為球形探頭的半徑，m。

根據(jù)以上原理，可以采用懸浮型探頭對電場進行測量。若被測電場為均勻電場，將平行板型探頭的兩級金屬板平面與電場方向垂直放置，則在平行板上感應(yīng)出的電荷與電場強度成比例關(guān)系，相應(yīng)的電荷有效值Q為

式中：K為比例系數(shù)。

因此，電容器上的感應(yīng)電壓可以由式（3）計算得到。

式中：C為電容的容量，F(xiàn)。

將式（2）代入式（3）可得到探頭兩級之間的感應(yīng)電壓與被測均勻工頻電場強度至今的對應(yīng)關(guān)系，如式（4）所示。

由式（4）可知，可以通過對探頭兩級的感應(yīng)電壓進行測量，從而間接計算得到被測工頻均勻電場的電場強度。

由式（1）—式（4）可知，基于懸浮式探頭的電場測量方法，受空氣介電常數(shù)的影響，介電常數(shù)越大，監(jiān)測到的電磁場值則越大。

懸浮體電場探頭通過絕緣材料制作成的支架固定后，置于被測電場中，對導(dǎo)體兩部分間的感應(yīng)電流或電荷進行測量來得到電場強度。在濕度較大時，支架的絕緣性能變差，引起測量儀器所在位置的電場畸變，導(dǎo)致讀數(shù)會出現(xiàn)明顯偏差。因此，懸浮型電場測量裝置受空氣濕度的影響較大，只能在空氣濕度小于80%的條件下對電場進行監(jiān)測，而當(dāng)環(huán)境濕度大于80%，則無法克服濕度的影響。

1.2.2 地參考型電場探頭原理

鑒于采用懸浮型探頭的電磁環(huán)境測量儀器在濕度較大條件下無法對工頻電場強度進行準(zhǔn)確測量，為實現(xiàn)高濕度條件下的工頻電場的準(zhǔn)確測量，對地參考型工頻電場監(jiān)測技術(shù)進行研究，提出基于地參考型的工頻電場監(jiān)測方法。地參考型電場探頭由一個接地電極和一對平板構(gòu)成，兩部分采用薄絕緣層進行填充連接，如圖3所示，圖中，E為電場強度，S為平板面積，A為電流計。

圖3 地參考型探頭

在測量初期將儀器一側(cè)的極板與大地相連，在不同濕度條件影響下，均不會影響電場傳感器的地點位高度，進而不會影響電場傳感器周圍的電場分布，可保證監(jiān)測數(shù)據(jù)不受濕度影響。采用金屬固定支架支撐，將電場傳感器的地電位與大地相連，保證電場環(huán)境趨近于穩(wěn)定狀態(tài)，從而排除環(huán)境濕度的影響。

2 工頻電場測量系統(tǒng)構(gòu)建

基于地參考型電場探頭原理，構(gòu)建適應(yīng)高濕度環(huán)境的輸變電工程工頻電場測量系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 工頻電場測量系統(tǒng)

工頻電場探頭中的三維傳感器將采集到的電場模擬量傳送給信號調(diào)理電路模塊對信號進行放大、濾波等。然后處理后的模擬量經(jīng)過單片機片A/D 采樣并實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。單片機將采集到的電場數(shù)字信號按照通訊規(guī)約規(guī)定的格式進行傳輸和存儲，完成對工頻電場的實時測量。

工頻電場測量電路主要有濾波電路、交直流轉(zhuǎn)換電路、放大電路組成。

1）濾波電路。工頻電場需要濾除電場信號中的高頻部分和低頻部分，將工頻信號保留，因此工頻電場需要帶通濾波電路。

2）交直流轉(zhuǎn)換電路。濾波電路輸出的信號是50 Hz的工頻交變信號，因此需要將其轉(zhuǎn)換為直流信號，在該電路中，采用的真有效值芯片為AD736芯片。

3）放大電路。當(dāng)外加電場為20 kV/m 時，電場探頭采集的工頻電場信號經(jīng)過10 μF外接電容C分壓、濾波電路、真有效值芯片后輸出直流信號真有效值為1 V。工頻電場放大電路及元器件參數(shù)設(shè)計如圖5所示，在OPA2277 放大后有2 kΩ 的限流電阻和兩個1N4147限壓二極管。

圖5 工頻電場放大電路

3 工頻電場測量驗證

3.1 測量實驗

為了驗證提出的工頻電場監(jiān)測方法不受環(huán)境濕度變化的影響，設(shè)計了不同濕度情況下工頻電場測量的對比試驗。

3.1.1 測量儀器

為了對比懸浮型電場監(jiān)測方法和地參考型電場監(jiān)測方法的測量效果，分別采用HI3604 型電場探頭以及本文提出的地參考型工頻電場監(jiān)測探頭對不同濕度條件下的電場強度進行對比測量試驗。兩種測量儀器分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 HI3604工頻場強儀

圖7 地參考型場強儀

3.1.2 測量地點

測量的原點選擇檔距中央導(dǎo)線弧垂最大處線路中心的地面投影點，沿線路走廊垂直方向進行測量，測點的間距為2 m，測量距地面1.5 m 處的電場強度。兩個儀器分別對稱選擇3個測點，如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場測點

3.1.3 測量方法

測量斷面與輸電線路路徑垂直，A 側(cè)為HI3064測量路徑，B 側(cè)為試驗設(shè)備測量路徑。在選擇的I、II、III 測量點上依次進行試驗線段工頻電場垂直分量E的測量，并記錄環(huán)境濕度和電場值。

3.2 測試結(jié)果分析

實際測量現(xiàn)場選擇為某500 kV變電站的出線附近，分別采用兩種儀器對其交流線路在不同濕度情況下的電場強度進行對比測量試驗。

選擇51.2%、72.2%、85.2%、99.7%（雨天）四種代表性的環(huán)境濕度，兩種儀器測得的工頻電場垂直分量值分別如表1和表2所示。

表1 HI3604測量結(jié)果

表2 試驗儀器測量結(jié)果值

兩種測量方法的對比趨勢如圖9所示。

圖9 兩種測量方法工頻電場數(shù)據(jù)對比

對比分析：

1）在環(huán)境濕度為51.2%條件下，兩種儀器的電場測量數(shù)據(jù)基本一致；在環(huán)境濕度為72.2%的條件下，HI3604 探頭測量結(jié)果有所增大，而試驗儀器測量值基本沒有變化?？傮w而言，在環(huán)境濕度小于80%的條件下，兩種儀器對工頻電場的測試性能基本穩(wěn)定。

2）在環(huán)境濕度為85.2%的條件下，HI3604 探頭的測量值有較大增加；在環(huán)境濕度為99.7%時，測量值增大到原來的5 倍左右，而試驗儀器的工頻電場測量值只是略有增加，相對比較穩(wěn)定，能夠在雨天情況下，保持較小的測量誤差。

4 結(jié)語

針對環(huán)境濕度對輸變電工程中電磁環(huán)境監(jiān)測的影響問題，首先對基于光學(xué)測量及電學(xué)測量的電場強度測量原理進行了闡述，分析了環(huán)境濕度對懸浮型電場探頭測量結(jié)果的影響。在此基礎(chǔ)上，基于地參考型電場測量探頭基本原理，構(gòu)建了高濕度條件下的工頻電場測量系統(tǒng)，可實現(xiàn)對工頻電場的實時監(jiān)測。

為了驗證所提出的測量方法的有效性分別采用基于懸浮型監(jiān)測原理和絕緣木支架的標(biāo)準(zhǔn)儀器的電場測量方法，以及基于地參型監(jiān)測原理和金屬支架的測量儀器的測量方法，在500 kV 交流線路進行不同濕度條件下的對比測量試驗。

試驗結(jié)果表明，采用懸浮型探頭，在環(huán)境濕度大于80%時，無法對電場強度進行準(zhǔn)確測量，而基于地參型監(jiān)測原理和金屬支架結(jié)合的測量方法則可以實現(xiàn)高濕度條件下電場強度監(jiān)測，可以為輸變電工程中電磁環(huán)境監(jiān)測提供有力的技術(shù)支撐。