适应高湿度环境的输变电工程电场强度测量与试验

谢连科，王 敏，李乐丰，崔相宇，赵 国

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.济南市机动车污染防治中心，山东 济南 250099；3.湖北工业大学，湖北 武汉 430068）

0 引言

随着人们环保意识的不断增强，输变电工程中的电磁环境保护问题也得到广泛关注［1-5］。为了准确地对输变电工程附近的电磁环境进行测量，打消人们对输变电工程电磁环境方面的疑虑，国内外学者对输变电工程电磁环境测量方法进行了大量的研究［6-9］。

在实际工频电场测量时，普遍采用的场强仪多为悬浮式电场探头，并通过绝缘材料制作成的支架对探头进行支撑固定。当测试环境湿度发生变化时，会对支架的绝缘性能产生影响，引起工频电场的畸变，从而影响测量结果的准确性［10-11］。为了防止湿度过大时绝缘支架泄漏电流，在对工频电场进行测量时，测量环境的湿度应保持在80%以下［12-14］。文献［15］中，张广洲等针对工频电场的分布情况及其计算方法进行详细的分析，得到线路附近电场分布与导线参数和电压等相关，与天气条件关系不大。文献［16］中，通过机理分析的方法，详细分析不同环境湿度情况对高压输电线路的工频电场分布及测量结果的影响，从理论上验证了环境湿度对工频电场的分布没有影响，测量数据的变化主要为环境湿度对所使用的测量仪器有较大影响。

针对环境湿度对悬浮型电场探头绝缘支架的影响，基于地参考型工频电场监测探头原理，构建高湿度条件下的工频电场测量系统。通过两种测量系统的实际对比试验，验证所构建测量系统的有效性。

1 电场测量原理分析

在输变电工程中，主要是采用基于光学的电场测量法以及基于电学的电场测量法对电场强度进行测量。

1.1 光学电场测量方法

光学电场测量方法是采用基于普克尔斯效应制作的电场传感器来对电场强度进行测量的方法。普克尔斯效应是德国物理学家普克尔斯在19 世纪90年代发现并提出的，即将某种透明的光学介质置于电场环境时，由于受到外部电场的作用，该介质的光学折射率会根据外加电场的改变而发生相应的线性变化。

根据普克尔斯效应，若某种光电晶体所处的外部电场发生变化时，它的光学折射率也会相应地发生改变，可以采用合适的转换方法，将光电晶体折射率的变化信息转变为光功率的变化信息，从而制作电场传感器。如图1 所示，这种基于光学的电场监测装置结构相对比较复杂，价格也比较昂贵。

图1 光学电场测量装置原理

1.2 电学电场测量方法

国内外学者及研究机构对基于电学的电场强度测量方法的研究也比较早，该测量技术已经较为成熟。与基于光学的电场测量装置相比，基于电学原理的测量装置结构更为简单，因此制作成本也更低，在实际工程中应用更为广泛。目前，应用最多的电学型电场传感器，主要有悬浮型电场测量探头和地参考型电场测量探头。

1.2.1 悬浮型电场探头原理

基于悬浮型探头的电场传感器主要分为球形结构和平行板型结构，如图2 所示，两种探头结构都不需要参考地电位，便于设计制作成便携式电场传感器。图2（a）所示为球形探头，它的两个电极分别为上下两个中空的半球形金属外壳，两个电极采用绝缘物质进行连接。图2（b）所示为平行板型探头，它是由两块平行的金属板作为两极，该种探头结构简单，加工制作成本低，使用方便。

图2 悬浮型电场探头

当悬浮型探头置于电场中时，探头的两部分导体平面与电场方向垂直，则在导体表面上会感应出电荷，因此，可以通过对感应电荷进行测量，从而测得探头所处电场的电场强度。探头感应电荷的有效值可以由式（1）计算得到。

式中：Q为感应电荷的电量有效值，C；E为被测电场的电场强度，V/m；ε为空气介电常数；r为球形探头的半径，m。

根据以上原理，可以采用悬浮型探头对电场进行测量。若被测电场为均匀电场，将平行板型探头的两级金属板平面与电场方向垂直放置，则在平行板上感应出的电荷与电场强度成比例关系，相应的电荷有效值Q为

式中：K为比例系数。

因此，电容器上的感应电压可以由式（3）计算得到。

式中：C为电容的容量，F。

将式（2）代入式（3）可得到探头两级之间的感应电压与被测均匀工频电场强度至今的对应关系，如式（4）所示。

由式（4）可知，可以通过对探头两级的感应电压进行测量，从而间接计算得到被测工频均匀电场的电场强度。

由式（1）—式（4）可知，基于悬浮式探头的电场测量方法，受空气介电常数的影响，介电常数越大，监测到的电磁场值则越大。

悬浮体电场探头通过绝缘材料制作成的支架固定后，置于被测电场中，对导体两部分间的感应电流或电荷进行测量来得到电场强度。在湿度较大时，支架的绝缘性能变差，引起测量仪器所在位置的电场畸变，导致读数会出现明显偏差。因此，悬浮型电场测量装置受空气湿度的影响较大，只能在空气湿度小于80%的条件下对电场进行监测，而当环境湿度大于80%，则无法克服湿度的影响。

1.2.2 地参考型电场探头原理

鉴于采用悬浮型探头的电磁环境测量仪器在湿度较大条件下无法对工频电场强度进行准确测量，为实现高湿度条件下的工频电场的准确测量，对地参考型工频电场监测技术进行研究，提出基于地参考型的工频电场监测方法。地参考型电场探头由一个接地电极和一对平板构成，两部分采用薄绝缘层进行填充连接，如图3所示，图中，E为电场强度，S为平板面积，A为电流计。

图3 地参考型探头

在测量初期将仪器一侧的极板与大地相连，在不同湿度条件影响下，均不会影响电场传感器的地点位高度，进而不会影响电场传感器周围的电场分布，可保证监测数据不受湿度影响。采用金属固定支架支撑，将电场传感器的地电位与大地相连，保证电场环境趋近于稳定状态，从而排除环境湿度的影响。

2 工频电场测量系统构建

基于地参考型电场探头原理，构建适应高湿度环境的输变电工程工频电场测量系统如图4所示。

图4 工频电场测量系统

工频电场探头中的三维传感器将采集到的电场模拟量传送给信号调理电路模块对信号进行放大、滤波等。然后处理后的模拟量经过单片机片A/D 采样并实现模数转换。单片机将采集到的电场数字信号按照通讯规约规定的格式进行传输和存储，完成对工频电场的实时测量。

工频电场测量电路主要有滤波电路、交直流转换电路、放大电路组成。

1）滤波电路。工频电场需要滤除电场信号中的高频部分和低频部分，将工频信号保留，因此工频电场需要带通滤波电路。

2）交直流转换电路。滤波电路输出的信号是50 Hz的工频交变信号，因此需要将其转换为直流信号，在该电路中，采用的真有效值芯片为AD736芯片。

3）放大电路。当外加电场为20 kV/m 时，电场探头采集的工频电场信号经过10 μF外接电容C分压、滤波电路、真有效值芯片后输出直流信号真有效值为1 V。工频电场放大电路及元器件参数设计如图5所示，在OPA2277 放大后有2 kΩ 的限流电阻和两个1N4147限压二极管。

图5 工频电场放大电路

3 工频电场测量验证

3.1 测量实验

为了验证提出的工频电场监测方法不受环境湿度变化的影响，设计了不同湿度情况下工频电场测量的对比试验。

3.1.1 测量仪器

为了对比悬浮型电场监测方法和地参考型电场监测方法的测量效果，分别采用HI3604 型电场探头以及本文提出的地参考型工频电场监测探头对不同湿度条件下的电场强度进行对比测量试验。两种测量仪器分别如图6 和图7 所示。

图6 HI3604工频场强仪

图7 地参考型场强仪

3.1.2 测量地点

测量的原点选择档距中央导线弧垂最大处线路中心的地面投影点，沿线路走廊垂直方向进行测量，测点的间距为2 m，测量距地面1.5 m 处的电场强度。两个仪器分别对称选择3个测点，如图8所示。

图8 现场测点

3.1.3 测量方法

测量断面与输电线路路径垂直，A 侧为HI3064测量路径，B 侧为试验设备测量路径。在选择的I、II、III 测量点上依次进行试验线段工频电场垂直分量E的测量，并记录环境湿度和电场值。

3.2 测试结果分析

实际测量现场选择为某500 kV变电站的出线附近，分别采用两种仪器对其交流线路在不同湿度情况下的电场强度进行对比测量试验。

选择51.2%、72.2%、85.2%、99.7%（雨天）四种代表性的环境湿度，两种仪器测得的工频电场垂直分量值分别如表1和表2所示。

表1 HI3604测量结果

表2 试验仪器测量结果值

两种测量方法的对比趋势如图9所示。

图9 两种测量方法工频电场数据对比

对比分析：

1）在环境湿度为51.2%条件下，两种仪器的电场测量数据基本一致；在环境湿度为72.2%的条件下，HI3604 探头测量结果有所增大，而试验仪器测量值基本没有变化。总体而言，在环境湿度小于80%的条件下，两种仪器对工频电场的测试性能基本稳定。

2）在环境湿度为85.2%的条件下，HI3604 探头的测量值有较大增加；在环境湿度为99.7%时，测量值增大到原来的5 倍左右，而试验仪器的工频电场测量值只是略有增加，相对比较稳定，能够在雨天情况下，保持较小的测量误差。

4 结语

针对环境湿度对输变电工程中电磁环境监测的影响问题，首先对基于光学测量及电学测量的电场强度测量原理进行了阐述，分析了环境湿度对悬浮型电场探头测量结果的影响。在此基础上，基于地参考型电场测量探头基本原理，构建了高湿度条件下的工频电场测量系统，可实现对工频电场的实时监测。

为了验证所提出的测量方法的有效性分别采用基于悬浮型监测原理和绝缘木支架的标准仪器的电场测量方法，以及基于地参型监测原理和金属支架的测量仪器的测量方法，在500 kV 交流线路进行不同湿度条件下的对比测量试验。

试验结果表明，采用悬浮型探头，在环境湿度大于80%时，无法对电场强度进行准确测量，而基于地参型监测原理和金属支架结合的测量方法则可以实现高湿度条件下电场强度监测，可以为输变电工程中电磁环境监测提供有力的技术支撑。