直流合成场强、离子流密度测量仪校准技术

李斌，刘磊，王国利，李敏，黄欢，厉天威，唐力，项阳

(1.直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院)，广州 510663；2. 贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵阳 550002)

0 引言

随着我国直流输电工程建设的快速发展，直流合成场强和离子流密度对设施周围电磁环境产生的影响以及对作业场所中作业人员的影响已引起人们的普遍关注[1-7]。为维护直流输电设施的正常稳定运行，保证直流电磁环境质量，需要对合成场强和离子流密度进行监测[8-11]。测量是依靠合成场强测量仪和离子流密度测量仪来完成的。为了保证直流合成场强和离子流密度测量结果的准确性，需要对合成场强测量仪和离子流密度测量仪进行校准[12-13]。

现有校准装置主要存在以下2个方面的问题。

1)仅能产生直流电场源而无相应空间电荷发生装置[14-15]，导致不具备校准离子流密度测量仪的功能，同样也不能满足DL/T 1089—2008[16]附录A对校准直流合成场强测量仪所要求的“场磨是测量直流电场的。直流电场还存在空间电荷，所以为校准场磨，不但要有直流电场源而且还要有相应的空间电荷发生装置。利用能确切计算其电场强度和确切测量其空间电荷的场源和空间电荷流，以此作为原值来进行场磨校准”[12]。

另一方面，校准装置存在各层平板间距固定不可调以及缺少对各层极板输入输出电流的监测装置问题，现有校准装置操控性不好且精确度不高[17]。因此，有必要对直流合成场强、离子流密度测量仪的校准系统进行优化研究。

本文首先介绍了直流合成场强、离子流密度测量仪的校准原理和方法；然后开展了直流合成场强、离子流密度测量仪校准系统的优化研究，并提出了优化后的合成场强、离子流密度测量仪校准系统，对优化后校准系统的技术优势特点进行了分析；最后利用合成场强、离子流密度测量仪校准系统开展了试验分析及验证。

1 工作原理和校准方法

1.1 旋转电场仪测量原理

测量换流站和直流输电线路线下的合成电场，需要用到特制旋转电场仪，该电场仪一方面要能准确测量合成直流电场，另一方面又能把截获的离子电流泄流入地，并尽量小地影响正常读数。该电场仪探头由每隔一定角度开有若干扇形孔的2个圆片组成，两圆片同轴安置，两者间隔一定距离并相互绝缘，上面圆片随轴转动并直接接地，下面圆片固定不动并通过一电阻接地。图1给出了旋转电场仪测量原理示意图。当动片转动时，通过转动圆片上的扇形孔，直流电场时而作用在定片上，时而又被屏蔽。这样在定片与地之间产生一交变的电流信号。该电流信号与被测直流电场成正比，通过测量该交变电流可以知道直流电场的大小。

图1 旋转电场仪测量原理示意图Fig.1 Schematic diagram of measuring principle of rotating electric field instrument

测量原理可以用数学公式说明如下。

假设圆片上共有n个扇形孔，每个扇形孔面积为A0，上面圆片转动的角速度为ω。这样当上圆片转动时，下圆片暴露于直流电场的总面积A(t)为：

A(t)=nA0(1-cosnωt)

(1)

若被测直流电场的场强为E，空气的介电系数为ε0，则定片上感应的电荷Q(t)为：

Q(t)=ε0EA(t)

(2)

由此可以求得由直流电场感应的电流为：

(3)

通过测量ie(t)可以得出合成电场E。

沿电力线移动的离子电流也通过转动圆片上的扇形孔进入定片，若离子电流密度为j，则进入到下固定圆片的离子电流为：

ij(t)=j×A(t)=nA0×j×(1-cosnωt)

(4)

由式(4)可见，进入固定圆片的电流i(t)由离子电流ij(t)和感应电流ie(t)2个分量组成，感应电流ie(t)和ij(t)相角正好差90 °。若能准确区分和测量ie(t)和ij(t)，则利用该仪器可同时用来测量合成电场E和离子电流密度j。但由于旋转电场仪的A值小，致使ij(t)很小，因此无法准确求得j值。由于ij(t)<

从式(1)—(4)可知，合成电场E与电动机带动上方旋转电机的转速线性相关；此外，感应电流可通过检测电阻Z上的电压求得，E与电阻Z和电机转速存在线性关系。对于每一台旋转伏特计设备，实际制造时电机的转速和电阻的阻抗往往存在偏差，在空间存在电荷的情况下，设备测出的电场大小与真实电场大小的关系需要通过实验校准。

1.2 校准方法

校准时需要一个含有空间电荷的直流电场。产生校准所需电场的仪器须满足以下条件。

1)电场中的均匀区域应足够大以减小旋转伏特计所在位置电场强度的不确定度。

2)校准所用的电场不能明显受到环境或者其他仪器的影响。

3)校准仪器的尺寸应足够大以保证旋转伏特计探头不会明显影响电极上的电荷分布。

平行板电极可以用来产生已知大小的电场并且满足上述条件。

下面将分别介绍2种平行板电极，分别产生不含空间电荷的电场和包含空间电荷的电场，后者在结构和操作上比前者更加复杂。另外，当直流输电线路周围离子流密度J<0.1×10-6A/m2且电场强度E>10 kV/m时，因为空间电荷存在而引起的测量误差是可以忽略不计或者很小的。在这种情况下，不含空间电荷的系统即能够满足校准需求。

1)不含空间电荷电场的校准

如图2所示，平行板电极可以产生一个已知大小和方向的均匀电场区域。电场强度的理论值E0由V/d给出，其中V为加在极板上的电压，d为极板间距离。

图2 不含空间电荷的平行板电极原理图Fig.2 Principle diagram of parallel plate electrode without space charge

极板中心处的真实电场强度为E， 它与电场强度理论值间的误差由极板长度x与极板间距离d的比值x/d决定，数值计算结果表明当x/d≤1， 误差降到0.1%以下。

不含电荷的平行板电极校准装置主要包括高压直流电源、上极板和下极板，高压直流电源的一个输出端子连接上极板，另一个输出端子连接下极板，上级板和下极板平行设置且两板间设有间隙。在校准时需要在下极板上挖一个洞，将旋转伏特计探头放入其中，旋转伏特计的探头应该能够刚好填充整个洞。高压直流电源以及平行设置的上、下极板构成一个均匀电场，通过调节上极板上的电压产生不同大小的电场进行校准。结构示意图见图3。

图3 不含空间电荷的平行板电极校准装置Fig.3 Calibration device of parallel plate electrode without space charge

不含空间电荷发生装置的平行板电极校准装置仅通过高压直流电源直接连接两块金属平板产生电场。一方面，未能对合成场强测量仪所测量的空间电荷进行校准，无法保证合成场强校准的规范性和准确性。另一方面，仅能单独校准合成场强测量仪，不能同时校准准离子流密度测量仪。

2)含空间电荷电场的校准

含空间电荷的已知电场可以由图4所示装置产生。在该装置中，导线电晕产生的电荷在电场作用下将穿过网格极板到达最下面的2个极板之间，与最下面的2个极板原本产生的电场叠加，形成含空间电荷的电场。

图4 含空间电荷的电场原理图Fig.4 Principle diagram of electric field with space charge

电场强度的大小由式(5)—(6)决定。

(5)

(6)

式中：z为电荷到下极板的距离；Vt为上极板电压，Et为上极板处电场强度；K为离子迁移率。由于上极板处V(z)=V(d)=Vt， 代入式(6)可得上极板处电场强度Et， 再根据式(5)可得下极板处电场强度。

目前，含空间电荷的校准装置包括由下至上依次布置的直流场接地极、直流场高压极、控制极和离子流极、设置在直流场接地极中部的校准孔、设置在校准孔下方的支持平台，直流场接地极和直流场高压极之间设有第1绝缘支柱，直流场高压极和控制极之间设有第2绝缘支柱，控制极和离子流极之间设有第3绝缘支柱，直流场接地极上还设有多个与直流场接地极绝缘的离子流接受板。在直流场接地极上表面可形成由静电场和空间电荷场叠加而成的直流合成场，可用于合成场测量仪的校准。装置结构示意图如图6所示。现有含空间电荷的直流合成场测量仪的校准装置各层平板间距是固定不可调的，并且缺少对各层极板的输入输出电压和电流进行监测的装置，因而现有校准装置的操控性不好，精确度也不高。

图5 含空间电荷电场的校准装置Fig.5 Calibration device of electric field with space charge

2 校准系统优化

根据上述方法，考虑有空间电荷即离子流情况下的合成电场和离子流密度的测量，设计如图6所示的合成电场、离子流密度测量仪校准装置。该装置采用圆形平板设计，各个平板间的距离可调整。圆形设计是为了使得电场分布更加均匀并具各向同性。各平板间的距离可调是为了能通过改变参数对平行平板离子流发生器的特性、作用机理做更深入的了解。

图6 合成场强、离子流密度测量仪校准装置Fig.6 Calibration device of total electric field strength and ion current density meter

该装置的拓扑原理图如图7所示。A1，A2，A3为3个微电流计，A1、A2为毫安级，A3为微安级，分别监控流过电晕线板、控制板、平行平板上极板的电流I1、I2、I3。nA为纳安表，E为旋转伏特计。在设计中，将电晕线盘与控制盘之间的电压称为VC，控制盘与上极板之间的电压称为控制电压VA，两极板之间的电压称为极板电压VT。控制盘与上极板之间的距离为d2，两极板之间的距离为d1。

图7 平行平板离子流发生器电路结构拓扑图Fig.7 Circuit structure topology of parallel plate ion current generator

平行平板离子流发生器由5层平板靠挂在4根绝缘环氧树脂柱上组成，通过调节平行平板挂靠在环氧树脂柱的网孔来调节平板之间的距离。平行平板离子流发生器的每层平板的功能如下。

1)第1层的纯铝制金属平板为屏蔽板周边圆滑向上弯起以均匀周边电场，并防止板极周边放电。屏蔽板上所加电压能影响其下电晕线的放电强度，还会影响整个离子流发生器所处空间的电场分布。

2)第2层为放置放电电晕线的空心盘。周边一圈为光滑的金属圆环，放电电晕线平行排列在盘中，与外环相接，金属圆环同时起外接高压电源和均匀圆盘电场、防止尖端放电的作用。要求电晕线所产生的电晕离子流沿盘平面分布尽量均匀。电晕线采用直径0.3 mm的康铜丝。通过比对不同间距的测量结果，最终选定电晕线排列间距为5 cm。在该间距下得到的电晕强度能满足实验的需要，且其直接产生的电晕离子流(不经过过滤网)在盘面上各处的偏差值不大于20%。电晕盘与其下方第3层控制盘组成平行平板离子流发生器中电极结构之外的离子流源，负责产生足够的正负离子向下提供给最底层的平行平板电极结构。

3)第3层为控制盘。控制盘是将不锈钢金属网焊接在铝制金属环内制成的。它与电晕线盘之间的电压差决定电晕强度，与第4层平板之间的电压差决定了电晕离子流进入底层平行平板电场的强度。所以，一般不通过改变电晕放电强度来改变离子流大小，而通过改变调整盘和第4层平板之间的电压来控制到达平行平板电极结构的离子流密度。当控制盘和第4层平板之间的电压大到一定程度时，电晕线产生的离子能够穿过控制盘，反之如果电压不够大，产生的电晕离子主要堆积在控制盘与电晕线盘之间。控制盘也是第1层过滤网，它的金属网格大小影响电晕线直接产生的离子往下渗漏的强度，而且起到均匀电晕离子流分布的作用。相比第2层过滤网，这层网起的过滤作用较粗糙，网格也较大，为0.8 cm×0.8 cm。

4)第4层为平行平板电极结构的上极板，也是第2层过滤网。

5)第5层为平行平板电极结构的下极板，是厚不锈钢平板，一般接地，其中心附近留有一空心圆盘用于放置场强仪，并均匀分布41个圆孔用于装设监控离子流密度的离子流收集盘。上极板与下极板之间形成的均匀离子流电场是整个实验装置的核心部分。

优化后的合成场强、离子流密度测量仪校准系统具备满足DL/T 1089—2008要求的校准合成场强测量仪，且具有校准离子流密度测量仪的综合功能。此外，还提高了校准的便捷性，有效提高了校准效率。

3 试验分析

3.1 接线

将3个电源串联连接，如要求产生正离子，则电源的高端为正极性，负端接地(G电极)；如要求产生负离子，则电源的高端为负极性。合成电场、离子流密度测量仪校准装置接线图如图8所示。

图8 合成场强、离子流密度测量仪校准装置实体接线图Fig.8 Physical wiring diagram of calibration device of total electric field strength and ion current density meter

3.2 测量

将直流场强仪放入G电极的圆孔内，调节螺丝杆使场强仪端面与G板齐平。由于现有场强仪的输出不是按这种方式标定，所以需要重新标定。如果作为“饱和”状态的监视，则可以不重新标定。电流测量可以使用威尔逊办法；也可以在G电极与电源下端之间串接一个2 μA 或20 μA电流表。由于G电极的面结为0.6 m2，所以离子流密度等于电流读数除以0.6。

图9中P1为电晕发生极板；P2为离子流控制极板，板面为丝网状，可允许离子流通过；电极还与电晕发生极板P1上方的均压帽连接。所以电流表收集了P1产生的所有离子流；P3为离子流电场上极板，板面亦为丝网状，可允许离子流通过。

图9 合成场强、离子流密度测量仪校准装置原理图Fig.9 Schematic diagram of calibration device for total electric field strength and ion current density meter

G为离子流电场下极板(金属板)；P3与G之间的电位差除以极板间T1的距离即为离子流电场的计算电场强度。

电源V1为控制P1、P2之间的电压；电源V2为控制P2、P3之间的电压；电源V3为控制P3、G之间的电压。

电流表A1、A2、A3分别对P1、P2、P3极板的输入输出电流的监测。输入离子流电场的离子流电流值为3个电流表读数的算术和。

直流合成场强、离子流密度测量仪如图10所示。校准时首先升压V1使A1有一个较大的读数，十几～几十微安，以保证下层有稳定的离子流。然后升压V2，使A3有一个比较小的数值，然后升压V3直到A3等于零，记录此时的V3读数，然后继续升压到记录读数的2～3倍以上即可，再分别独立地调节V2、V3来改变用于校准的标准离子流密度和合成场强。

图10 直流合成场强、离子流密度测量仪Fig.10 Measuring instrument of DC total electric field strength and ion current density

4 校准试验结果分析

根据DL/T 1089—2008标准，对昆明特高压实验室HDEM-1直流合成场强检测系统和ICD-1离子流密度检测系统进行校准试验。校准装置的电源V1、V2、V3和电流表A1、A2和A3均已送计量院校准。HDEM-1直流合成场强检测系统和ICD-1离子流密度检测系统的参数见表1和表2。

表1 HDEM-1直流合成场强检测系统参数表Tab.1 Parameter table of HDEM-1 DC total electric field strength detection system

表2 ICD-1离子流密度检测系统参数表Tab.2 Parameter table of ICD-1 ion current density detection system

将校准装置通过调节电源V1、V2、V3后产生的标准场强x与被校准的HDEM-1直流合成场强检测系统(10个合成场强测量探头)的测量读数y分别进行线性拟合，即y=kx+b。其中，HDEM-1直流合成场强检测系统的线性度R为被校准的合成场强测量读数与校准装置产生的实际场强的相关系数，k为检测曲线斜率，b为检测曲线截距。HDEM-1直流合成场强检测系统的校准试验结果见表3。

表3 HDEM-1直流合成场强检测系统校准试验结果Tab.3 Calibration test results of HDEM-1 DC total electric field strength detection system

由表3可知，经校准测试，10个合成场强测量探头的R2均约等于1，检测曲线斜率k值在1附近，b值在0附近。HDEM-1直流合成场强检测系统的10个合成场强测量探头的最大扩展不确定度为U=0.2 dB，k=2，满足设备最大误差允许误差1 dB的要求。

将校准装置通过调节电源V1、V2、V3后产生的标准离子流密度x与被校准的ICD-1离子流密度检测系统(含10个离子流密度测量探头)的测量读数y分别进行线性拟合，即y=kx+b。其中，ICD-1离子流密度检测系统的线性度R为被校准的离子流密度表计的测量读数与校准装置产生的实际离子流密度的相关系数，k为检测曲线斜率，b为检测曲线截距。ICD-1离子流密度检测系统的校准试验结果见表4。

表4 ICD-1离子流密度检测系统校准试验结果Tab.4 Calibration test results of ICD-1 ion current density detection system

由表4可知，经校准测试，10个离子流密度测量探头测量显示的表计示值R2均约等于1，检测曲线斜率k值在1附近，b值在0附近。ICD-1离子流密度检测系统的10个离子流密度测量探头最大扩展不确定度为U=0.8 dB，k=2，满足设备最大误差允许误差1 dB的要求。

5 结论

为解决现有的校准装置不能满足标准要求开展直流合成场强测量仪的校准工作，以及存在操控性不好，精确度不高问题，本文开展直流合成场强、离子流密度测量仪校准系统优化研究，对优化后校准系统的技术优势特点进行了分析，并开展试验分析及验证，结论如下。

1)在现有校准装置的基础上进行了优化设计，使优化后的合成场强、离子流密度测量仪校准系统具有既能够满足DL/T 1089—2008附录A的要求校准合成场强测量仪，又具有校准离子流密度测量仪的综合功能，提高了校准的便捷性和校准效率。

2)优化后的合成场强、离子流密度测量仪校准系统采用了圆形的平板设计使得电场分布更加均匀，并具各向同性；能够对各层平板分别加压，实时监控各层平板电压和电流，提高了校准精确度。

3)优化后的合成场强、离子流密度测量仪校准系统各个平板之间的距离可调整。因此可以通过改变参数实现对平行平板离子流发生器的特性、作用机理做更深入的了解。使校准装置不仅具有校准功能，还能开展平行平板离子流发生器特性、作用机理的研究工作。

4)为合成电场、离子流密度测试仪校准装置的研制提供了有力指导，增强了校准装置的综合性能和准确性。该装置在高压直流工程电磁环境测试上的应用促进了我国电网电磁环境检测设备的发展和进步，为电磁环境研究、检测和校准机构提供了技术支持，为解决电网直流工程的电磁环境纠纷提供了有力保障。