基于等效電容的高壓輸變電工程工頻電場(chǎng)測(cè)量誤差分析及改善措施研究

蘭新生，丁登偉，王志高，馬軻瀛，周易謙，王 巍，何 良，王 杰

（1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072；2.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021)

基于等效電容的高壓輸變電工程
工頻電場(chǎng)測(cè)量誤差分析及改善措施研究

蘭新生1，丁登偉1，王志高1，馬軻瀛2，周易謙1，王 巍2，何 良1，王 杰1

（1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072；2.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021)

為研究環(huán)境濕度造成高壓輸變電工程工頻電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生較大誤差的機(jī)理，降低在高濕度環(huán)境下（相對(duì)濕度＞50%)測(cè)量系統(tǒng)的誤差，該文通過(guò)分析測(cè)量等效電路結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的方法，研究測(cè)量系統(tǒng)介入前后等效電路的變化與實(shí)測(cè)結(jié)果的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)在高濕度環(huán)境下工頻電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)介入后，傳感器支架等效電容的改變是導(dǎo)致該電場(chǎng)測(cè)量誤差的主要原因。工頻電場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果與傳感器支架等效電容成正比，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可以通過(guò)改善支架電性能的方法提高測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。該研究對(duì)高濕度環(huán)境下現(xiàn)有輸變電工程工頻電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量方法的改進(jìn)和推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和修訂具有參考意義。

輸變電工程；工頻電場(chǎng)測(cè)量；誤差分析；濕度

0 引 言

高壓輸變電工程工頻電場(chǎng)是環(huán)評(píng)和環(huán)保驗(yàn)收工作中的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]，眾多學(xué)者通過(guò)仿真、計(jì)算等方式對(duì)其計(jì)算方法、測(cè)量方法、抑制措施等方面進(jìn)行了研究[2-12]，對(duì)用于工頻電場(chǎng)測(cè)量的設(shè)備性能進(jìn)行了規(guī)定[13]，并制定了詳細(xì)的測(cè)量方案[14-17]。但在部分天氣狀況下實(shí)際測(cè)量結(jié)果仍存在較大的誤差，尤其是在高濕度（相對(duì)濕度＞50%)環(huán)境下，已有的研究發(fā)現(xiàn)[18-24]環(huán)境濕度對(duì)工頻電場(chǎng)測(cè)量值影響很大，測(cè)得值最高可達(dá)正常值的8倍。但對(duì)于導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生較大誤差的機(jī)理仍然不清楚。

為了分析誤差來(lái)源，確定誤差因素，研究其機(jī)理，提出降低測(cè)量系統(tǒng)誤差的措施，本文通過(guò)分析測(cè)量等效電路的方法剖析測(cè)量過(guò)程產(chǎn)生誤差的原因，通過(guò)高濕度環(huán)境下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)印證理論分析的合理性，以期探尋改善工頻電場(chǎng)測(cè)量誤差的相應(yīng)措施。

1 線路參數(shù)和測(cè)試系統(tǒng)

1.1 線路參數(shù)

在四川某500kV線路下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分別選擇低濕度、高濕度天氣條件進(jìn)行多次測(cè)試，相對(duì)濕度范圍為29.1%～64.5%，環(huán)境溫度范圍為23.2～39.3℃。線路參數(shù)與測(cè)點(diǎn)位置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 線路參數(shù)與測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖中，P點(diǎn)為測(cè)量點(diǎn)，將其布置在A相導(dǎo)線（三相中高度最低)地面投影線上，傳感器中心位置距地面高度約為155 cm；線路為同塔雙回逆相序排列，運(yùn)行電壓為525 kV，輸電線路導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-500/45。

1.2 工頻電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

目前，用于高壓輸變電工程工頻電場(chǎng)測(cè)量的設(shè)備一般情況下每年要進(jìn)行量值校準(zhǔn)，但多數(shù)開(kāi)展此類(lèi)設(shè)備校準(zhǔn)的單位在對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)并不會(huì)將實(shí)際測(cè)量中用到的傳感器支架包含在被校準(zhǔn)系統(tǒng)中。這可能導(dǎo)致設(shè)備校準(zhǔn)時(shí)測(cè)量結(jié)果是準(zhǔn)確的，而使用包含了傳感器支架的測(cè)量系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

工頻電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)包含測(cè)量傳感器、數(shù)據(jù)顯示單元、數(shù)據(jù)傳輸線（光纖)和傳感器支架。采用narda公司生產(chǎn)的EHP-50系列傳感器，它是目前國(guó)內(nèi)使用較為廣泛的用于輸變電工程工頻電場(chǎng)監(jiān)測(cè)的傳感器。傳感器支架為其配套的專(zhuān)用測(cè)量支架，主要材質(zhì)為木質(zhì),表面有透明涂層。

傳感器內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量電容結(jié)構(gòu)如圖2所示，亮色金屬部分為3個(gè)正交布置的測(cè)量電容。

圖2 傳感器電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量電容（x、y、z 3個(gè)方向)

2 等效電路

2.1 未進(jìn)行測(cè)量時(shí)的等效電路

未進(jìn)行測(cè)量時(shí)的等效電路如圖3所示。C0是輸電線路與大地組成的電容，大小約為皮法級(jí)，電容的電壓等于U；R0為等效電阻，近似無(wú)窮大。

圖3 未進(jìn)行測(cè)量時(shí)的等效電路

2.2 測(cè)量系統(tǒng)介入時(shí)的等效電路

進(jìn)行測(cè)量時(shí)的等效電路如圖4所示，高壓輸電線路、測(cè)量傳感器測(cè)量電容上下極板、傳感器支架、大地組成了3個(gè)電容，這3個(gè)電容上的分壓和等于U。

C1是測(cè)量傳感器上極板與輸電線路組成的電容，其間是空氣，R1是等效電阻，近似無(wú)窮大；C2是測(cè)量傳感器上極板與下極板組成的電容，其間是填充物，估值為200～300pF，R2是等效電阻，近似無(wú)窮大；C3是測(cè)量傳感器下極板與大地組成的電容，其間主要是支架，一般絕緣材料制作的支架等效電容大約為0.1～10 pF之間，R3是等效電阻，近似 100 GΩ；傳感器懸空時(shí)的等效電路與圖3相同，但其間的變化是從支架變?yōu)榭諝狻?/p>

3 理論分析和實(shí)測(cè)驗(yàn)證

3.1 工頻電場(chǎng)測(cè)量原理

從圖2可以看出，傳感器電場(chǎng)測(cè)量部分主要是由3個(gè)正交的電容組成，以測(cè)量3個(gè)方向（x、y、z)的電場(chǎng)強(qiáng)度。基本原理是測(cè)量電容上下極板間的電壓Ui以計(jì)算出各方向的電場(chǎng)強(qiáng)度Ei，Ui的數(shù)值正相關(guān)于對(duì)應(yīng)方向的電場(chǎng)大小。其中垂直于地面的電場(chǎng)強(qiáng)度為Ez，對(duì)應(yīng)測(cè)得的電壓為圖4中C2電容兩端的電壓。

3.2 等效電容電路分析

設(shè)定圖4中C1、C2、C3電容上的分壓分別為U1、U2、U3，根據(jù)電壓分壓原理可得：

圖4 進(jìn)行測(cè)量時(shí)的等效電路

可以看出，傳感器測(cè)量電容C2上的分壓U2與電容C3正相關(guān)，即在測(cè)量系統(tǒng)介入時(shí)，傳感器支架的電容越大，傳感器測(cè)量電容測(cè)得的分壓越大，電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)得值越高。

3.3 高壓輸電線路下電場(chǎng)分析

根據(jù)本課題組以及已有的研究發(fā)現(xiàn)，高濕度環(huán)境下（相對(duì)濕度＞50%)輸變電工程工頻電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)得值會(huì)因環(huán)境濕度增長(zhǎng)而明顯增大，最高可達(dá)正常值的8倍。彭繼文等[19]根據(jù)靜電場(chǎng)理論分析了輸電線路下空間電場(chǎng)與空間介質(zhì)無(wú)關(guān)，與線路電壓和空間位置有關(guān)；國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議第36.01工作組推薦的等效電荷法計(jì)算高壓送電線路下空間工頻電場(chǎng)強(qiáng)度的方法，也表明了輸電線路下空間電場(chǎng)與空間介質(zhì)無(wú)關(guān)。工頻電場(chǎng)測(cè)量設(shè)備傳感器經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)證明測(cè)量誤差與傳感器本身無(wú)關(guān)。從圖3和圖4的等效電路來(lái)看，進(jìn)行測(cè)量時(shí)相對(duì)于未進(jìn)行測(cè)量時(shí)的等效電路發(fā)生了較大變化，測(cè)得值變大的原因也有可能是因?yàn)闇y(cè)量系統(tǒng)的介入造成了電場(chǎng)的畸變。

3.4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證高濕度環(huán)境下工頻電場(chǎng)測(cè)得值的變化與測(cè)量系統(tǒng)介入前后的相關(guān)性，本文分別在不同環(huán)境濕度條件下，利用原測(cè)量系統(tǒng)在500kV輸電線路下平坦地形上同一地點(diǎn)、同一運(yùn)行電壓工況下進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。同時(shí)采用傳感器懸空的方式進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，并將二者的測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算值（理論計(jì)算值是利用參考文獻(xiàn)[16]中的計(jì)算方法，根據(jù)圖1中的線路參數(shù)、傳感器高度155cm、運(yùn)行電壓525 kV計(jì)算得到)進(jìn)行對(duì)比。測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同方式測(cè)量工頻電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)得值與理論值對(duì)比

從表中數(shù)據(jù)可以看出，傳感器懸空實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與環(huán)境濕度無(wú)明顯關(guān)系，考慮到線路空間坐標(biāo)參數(shù)的測(cè)量誤差，該實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值較為接近。這一實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了輸電線路下空間電場(chǎng)與空間介質(zhì)無(wú)關(guān)的結(jié)論。根據(jù)對(duì)圖4的等效電路分析，傳感器懸空時(shí)與用支架支撐時(shí)的區(qū)別在于增加了支架這一介質(zhì)而導(dǎo)致電容C3變化，結(jié)合對(duì)表中原系統(tǒng)測(cè)得值與懸空傳感器測(cè)得值數(shù)據(jù)分析表明，支架是高壓輸電線路工頻電場(chǎng)測(cè)量中重要的誤差因素。

3.5 實(shí)驗(yàn)室電場(chǎng)強(qiáng)度和支架電容對(duì)應(yīng)測(cè)試

為了驗(yàn)證支架電容對(duì)工頻電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)得值的影響，本課題組在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了支架的等效電容，并利用支架在交流電場(chǎng)中進(jìn)行了工頻電場(chǎng)測(cè)試。不同支架的等效電容與電場(chǎng)強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同支架等效電容測(cè)得值及對(duì)應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)得值

表中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地表明了支架電容對(duì)工頻電場(chǎng)測(cè)得值的影響趨勢(shì)，支架電容越大，工頻電場(chǎng)測(cè)得值越大，這對(duì)下一步研究用于工頻電場(chǎng)測(cè)量的支架性能提供了一種思路。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)高壓輸電線路下空間電場(chǎng)不會(huì)因環(huán)境濕度的變化而變化，但會(huì)因測(cè)量系統(tǒng)的介入（主要是支架)在濕度的影響下而導(dǎo)致工頻電場(chǎng)分布發(fā)生變化。

2)工頻電場(chǎng)測(cè)量設(shè)備傳感器支架的電容隨濕度的增加而增大，傳感器測(cè)量電容上測(cè)得的分壓亦變大，從而導(dǎo)致工頻電場(chǎng)測(cè)得值變大。

3)實(shí)驗(yàn)證實(shí)可以通過(guò)降低支架的等效電容而降低高壓輸電線路下工頻電場(chǎng)的測(cè)量誤差。

因此，改善支架性能，研究低電容且適合高濕度環(huán)境下的支架，是降低工頻電場(chǎng)測(cè)量結(jié)果受環(huán)境濕度影響的重要目標(biāo)之一。

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Research on error analysis and improvement measure of the power frequency electric field measurement in high voltage power transmission and transformation projects based on equivalent capacitance approach

LAN Xinsheng1， DING Dengwei1， WANG Zhigao1， MA Keying2， ZHOU Yiqian1，WANG Wei2， HE Liang1， WANG Jie1
（1.State Gird Sichuan Electric Power Company Research Institute，Chengdu 610072，China；2.National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China)

In order to study the power frequency electric field measurement results in high voltage power transmission and transformation projects mechanism of the large measurement errors in the test system caused by environment humidity，and to reduce the errors of the test system under high humidity environment （relative humidity＞50%)，this paper investigates the relationship between the change and the measured results of the equivalent circuit before and after the intervention of the test system，by the method of analysing and measuring equivalent circuit and combining with field test data.It is found that the change of the equivalent capacitance of the sensor support is the main cause of the measurement error of the electric field measurement system in the high humidity environment after the intervention of the power frequency field measurement system.Measurement result of the power frequency electric field is proportional tothe equivalent capacitance of the sensor stent，and it can improve the accuracy of the test system by the means of improving electric performance of stent verified by the test.This study is of great significance in improving power frequency electric field strength measuring method in current power transmission and transformation projects under high humidity environment and in preparation and revision of relevant measurement standards.

power transmission and transformation projects；power frequency electric field measurement； error analysis； humidity

A

1674-5124（2017）10-0024-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.005

2017-02-03；

2017-03-15

蘭新生（1979-)，男，河南鄭州市人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事電力環(huán)境測(cè)量及治理工作。

（編輯：商丹丹）