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(jì)南 250003；2.濟(jì)南市機(jī)動車污染防治中心，山東 濟(jì)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(qiáng)，輸變電工程中的電磁環(huán)境保護(hù)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(jìn)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(jìn)行了大量的研究［6-9］。

在實(shí)際工頻電場測量時，普遍采用的場強(qiáng)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(jìn)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(jìn)行測量時，測量環(huán)境的濕度應(yīng)保持在80%以下［12-14］。文獻(xiàn)［15］中，張廣洲等針對工頻電場的分布情況及其計算方法進(jìn)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(xiàn)［16］中，通過機(jī)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(yàn)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(shí)際對比試驗(yàn)，驗(yàn)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(qiáng)度進(jìn)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(qiáng)度進(jìn)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ⅲ瑥亩谱麟妶鰝鞲衅?。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(jī)構(gòu)對基于電學(xué)的電場強(qiáng)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(shí)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(jìn)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(jìn)行測量，從而測得探頭所處電場的電場強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行測量，從而間接計算得到被測工頻均勻電場的電場強(qiáng)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(jìn)行測量來得到電場強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確測量，為實(shí)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(jìn)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(jìn)行填充連接，如圖3所示，圖中，E為電場強(qiáng)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(diǎn)位高度，進(jìn)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(jìn)行放大、濾波等。然后處理后的模擬量經(jīng)過單片機(jī)片A/D 采樣并實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。單片機(jī)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(jìn)行傳輸和存儲，完成對工頻電場的實(shí)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(yàn)證

3.1 測量實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)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(yàn)。

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(qiáng)度進(jìn)行對比測量試驗(yàn)。兩種測量儀器分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 HI3604工頻場強(qiáng)儀

圖7 地參考型場強(qiáng)儀

3.1.2 測量地點(diǎn)

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

圖8 現(xiàn)場測點(diǎn)

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(yàn)設(shè)備測量路徑。在選擇的I、II、III 測量點(diǎn)上依次進(jìn)行試驗(yàn)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(shí)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(qiáng)度進(jìn)行對比測量試驗(yàn)。

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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(qiáng)度測量原理進(jìn)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(shí)現(xiàn)對工頻電場的實(shí)時監(jiān)測。

為了驗(yàn)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(jìn)行不同濕度條件下的對比測量試驗(yàn)。

試驗(yàn)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(qiáng)度進(jìn)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(shí)現(xiàn)高濕度條件下電場強(qiáng)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。