預警裝置電場測量中濕度影響分析

荀道玉 劉青 朱聰 葛韋廷 南京工程學院

引言

隨著輸電線路覆蓋面不斷擴大和輸送的電壓等級的不斷提升。社會各界對輸變電設施電磁環境問題廣泛關注。現在居民區的輸電方式主要還是空中架線，但隨著用電遍及度越高，輸電線路離居民的住所就越近，這會引起大多數居民對高壓輸電線路工頻電場和工頻磁場對其生活或身體的擔憂。

為了減少人們對電力環保問題的投訴和消除人們的擔憂，線路架設驗收部門把工頻電場強度作為電力工程環保驗收評價的重要指標，對于電力工程環境保護工作的評判具有重要的意義。

在工頻電場強度的現場測量過程中發現，同一輸電線路在相同運行工況、同一測點使用同一測量設備在不同環境濕度下測試時，工頻電場強度測量結果會有很大的差別，且與國際大電網會議推薦方法的計算值相差甚遠。據研究發現，環境濕度從兩個方面使測量結果與正常情況差別較大。一是影響測量設備的電場強度傳感器；二是改變輸電線路對地電場的強度分布。但現有研究對此分歧較大，并沒有詳細說明影響電場強度測量值的主要原因。本文主要是對兩者進行影響程度的評定，確定濕度影響電場強度測量的主要原因。

1、工頻電場強度的測量與濕度的關系

首先對測量對象進行科學合理的假設。由于水平架空線路中電壓與電流的頻率都為50Hz，相對應的波長λ為6000km，根據天線理論可知，只有發射天線的物理尺寸達到或接近，才能使得電磁波空間發射能力最強，目前任何一條高壓輸電線路均遠遠小于此尺寸，因此電力線路向周圍的電磁波發射能力是極弱的，稍遠距離的電磁場強度幾乎檢測不到存在。對于距電力線路數米或數百米的距離r處而言，由于r＜＜λ，故架空電力線路附近的電場和磁場呈現典型的“近場區”特征。此特征為：（1）似穩場，即區內電磁場與源（導線處）的相位差小到可以忽略的程度，基本沒有空間移動的跡象，不會呈現向空間傳送電磁波的現象。（2）準靜態場，即區內電場與磁場的特征與靜態場幾乎完全相同，可用靜態場來求解，電場與磁場基本相互獨立。（3）感應場，即區內磁場隨距離呈1/r2規律、電場以1/r3規律迅速衰減，電磁輻射能量極小。

1.1 工頻電場的理論計算模型

依據相關文獻和資料，可計算得出電力線路附近電場強度水平和垂直分量的近似計算公式：

式中，y為電力線對地投影到觀測點的距離，I為電力線中的交變電流，h為電力線平均架設高度，z為觀測點高度，，σ為大地的視在電導率，為角頻率，為大地傳播常數，為特征參數，為第1 類0 階貝塞爾函數。

1.2 線路工頻電場的理想模型及其分布與濕度的關系

輸電線路電場相對于下方地面是一個對地電容。在靜電場下，容易得到：

電容表達式：

輸電線路電場強度表達式：

其中，Q 表示線路表面的電荷量；U 表示線路的施加電壓，d 為電容極板的距離，p 為電荷密度，k 則是靜電力常量，

我們可以推算出：

L 為單位輸電線路長度。

從式(5)可以看出，輸電線路在空間某點所產生的空間電場只與線路的施加電壓和該點的空間位置有關，而與空間介質無關。

由理論分析得：輸電線路下方工頻電場強度的分布與空間濕度的大小并無直接關系，濕度大小也只是僅僅改變實際介電常數得大小。但是，根據在實際的測試過程中發現，隨著濕度的增大，所測點處工頻電場也隨之增大。根據研究發現，當空氣的相對濕度較小時，工頻電場隨環境相對濕度的變化較小，而當相對濕度較大時，工頻電場隨環境相對濕度的變化較大，且近似呈指數增加。

1.3 濕度對檢測設備得測量的影響

目前，在我國根據中華人民共和國國家標準《工頻電場測量》考慮了三種類型的測量電場強度的儀器：（1）懸浮體型（2）地參考型（3）光電型。然而國內外環評監測所采用的工頻電場測量儀器大多都是懸浮體場強儀。懸浮體場強儀的工作原理主要是測量引入到被測電場的一個孤立導體兩部分之間的工頻感應電流和感應電荷。它用于在地面以上的地方測量空間電場，并且不要求一個參考電位，且便于攜帶。在實際的測量電路中，由這兩部分之間的電容和取樣電阻形成回路，測量出電阻上的電壓，從而獲得工頻感應電流。而后利用電場與電流的關系式得出所測工頻電場值的大小。

所有的探頭考慮為偶極子，當球型探頭位于勻強電場內，分開兩半球的平面垂直于電場，在一個半球上的感應電荷有效值Q 為：

在環境濕度較大時，水蒸氣充斥著整個空間，使得設備整體對地電導增大，從而降低了探頭到線路以及探頭到大地之間的阻抗。而探頭外殼不透水，使其內部的感應電極仍只有電容存在，其在線路探頭上極板、探頭上極板 探頭下極板、探頭下極板 大地的分壓比例增大，從而能使測量讀數變大。同時，在高濕度條件下，可能在場強儀的 2 個傳感電極之間形成凝結層，產生較大的泄漏電流，使內部的測量回路局部短路，從而使得所測出的感應電流較大，測出的電場值偏大。

1.4 濕度對絕緣設備的影響

目前廣泛使用的工頻電磁場測量儀，其絕緣支架大都是木支結構。木制支架長時間處于大濕度環境下會在很大程度上變成了一個突出地面的導電體，木棒中的水分子會在電場強度較大時發生電離現象，且水分子濃度越高，電離現象越明顯，所以其介電常數隨著濕度的增大在一定范圍內呈指數形式增大，導致探頭所在位置的電場強度也呈指數形式增大，從而導致儀器的表頭讀數增大非常明顯，且這種增大方式在一定范圍內也近似呈指數形式增長。

2、實驗室測試

由于外界環境濕度很難控制，為了更加準確的定性分析濕度對測量讀數的影響，我們將在實驗室濕度控制器的幫助下，對濕度進行等額提升。通過試驗分析，當3 種儀器在相對濕度＜60%時，測量值與標準值均相差較小，當相對濕度＞60%時，測量值與標準值相差較大，測量值失真明顯。因此應盡量采用憎水性有機絕緣材料或在支架涂抹疏水化合物(硅脂),減小支架絕緣性能受濕度的影響程度，可以有效減少濕度測量數據的影響。

3、結語

本小組竭力研究為高壓絕緣近電預警裝置的電場測量的主要研究在相對固定的電磁場的計算區域，及激勵源的特性，求其場域中場量隨時間、空間分布的規律（與場分布），從而得出其與電源的距離。我們研究發現濕度的變化并不會對工頻電場本身發生較大的變化。此項研究一旦測出電場的具體數據，將為高壓試驗桿提供極大的幫助。此研究方法具有較強的實用價值。