安全生产_工频电场测量方法及安全警示系统设计研究

工频电场测量方法及安全警示系统设计研究重庆大学硕士学位论文(学术学位)学生姓名：刘聪汉指导教师：何为教授专 业：电气工程学科门类：工学重庆大学电气工程学院二0一二年五月Researchon Measurement MethodandSafety Warning SystemDesignofPower Frequency ElectricFieldA Thesis SubmittedtoChongqing Universityin Partial Fulfillment of the RequirementfortheMasterS Degree of EngineeringBy_LiuConghanSupervised byProfHe WeiSpecialty：Electrical EngineeringCollegeof ElectricalEngineeringof ChongqingUniversity，Chongqing，ChinaMay,2012重庆大学硕士学位论文一主茎塑墨_I_-_-_-l_-_-_-_-一一摘 要电场是表征输电线路及电力设备状态的一个重要电气参量，通过一定的理论研究和实测验证，电场测量技术可作为输电线路故障状态诊断及带电作业安全距离确定的辅助分析工具。实时准确的测量电场，可为输电线路状态诊断、电力设备绝缘状态评估、电力系统电磁兼容及电磁环境测评等领域研究提供有力的数据支持，在探讨电场对作业人员健康的长期影响、保障高强度电场环境下人身安全、研究高压输电线路非接触式测量及保证电力系统安全稳定运行等方面起着至关重要的作用。推导球型传感器测量一维交变电场的数学原理，讨论引入传感器对电场造成的畸变，并提出减小其造成测量误差的解决方案；建立合理的高压输电线路下工频电场计算模型，对线路缺相及相位异常时电场分布情况做了仿真并得到了相应参考数据，提出根据输电线路故障前后工频电场不同分布规律判断输电线路状态的理论方法；介绍带电作业中确定安全距离重要性，分析电场强度表征带电作业安全距离的可行性，讨论现有确定安全距离的理论和技术方法，针对现有技术方法的缺陷提出基于电场过限确定安全距离的思路，通过仿真计算得到不同电压等级输电线路安全距离的临界电场。分析平行板电容传感器测量电场的可行性并完成传感器的设计，采用平板电容传感器代替球型传感器实现测量；根据系统各个模块的具体需要，选择合适器件完成系统的硬件设计，根据测量需要完成系统的软件调试，最终完成基于C8051F410单片机的便携式高压工频电场测量与警示仪的整体设计；对传感器进行工频电场校正实验，用自制的仪器与国外电磁场测量仪进行对比测量，对系统进行校准；分析人体存在对测量电场的影响，在数据处理引入增强因子对人体造成的测量误差进行了校正。测试结果表明，平行板电容传感器可用于工频电场测量，在工频电场作用下的刻度因数为1 8 kV聊-。mV，设计的电场测量系统能够对输电线附近的工频电场进行准确测量及实现电场过限报警的功能，测量相对误差在10左右。系统整体测量性能良好，与国外仪器的测量结果对比相关度很高，可满足工程测量需要。关键词：电场传感器，工频电场测量，故障判断，安全距离AbstractThe electric field isanimportantelectricalparameter characterizingstatus oftransmission lines and power devices，bysome theoretical studies and experimentalveriftcationthe electricfield measurement technique can be usedas anauxiliaryanalysistoolfor transmission line fault condition diagnosis and determiningsafedistance in liveworkingItwillprovide strongdatasupportto transmission lines statediagnosis，electrical equipmentinsulation conditionassessment，power systemelectromagnetic compatibility，electromagneticenvironmentassessment and otherstudies by realtime and accurately measuring electric fieldIt has great significance forinvestigatingelectric field effectsto thelongtermhealth ofworkers，protectingpersonal safetyofpeopleinhighstrengthelectricfieldenvironment，studyingonnoncontact measurement，ensuring the safe andstableoperationof power systems，andSO OnIt is deduced the mathematical principle of measuringonedimensionalaltematingelectric fieldusing sphericalsensorThe electric field distortion whensensor iSintroduction to the field is discussed，and a solution for reducing measurementerrorcausedbysensor isproposed；arational calculation model of power frequency electricfield underhigh voltagetransmission line is established，distribution of electric fieldwhen line is phase loss and abnormal is simulated，andtheccorrespondingreferencedata isgotTheoreticalmethod for estimating the state of the transmission line based onelectric field distribution law before and after the transmission line fault is proposed；Itis introduced the importance of determining safe distance and analyzed the feasibility ofthe electric fieldcharacterizingsafe distance when liveworking，thedefects ofexistingtheoretical andtechniquemethods fordetermining safetydistance isdiscussed，andanew idea for determining safe distance based on electric field over limit isproposed，thecritical electric fields for transmission lines with different voltage levelsin safe distanceis calculated by simulationItisanalyzedand verified thefeasibility of measuringthe electric field flatplatecapacitancesensor andcompletedsensordesignTheflat capacitance sensor is used tomeasure electric field instead of ball sensorAccording to the specific needs of eachmodule，hardwaredesignofthesystemiscompleted by selecting appropriatecomponents，andsoftwaredebuggingof thesystemiscompleted accordingtoIImeasuremems need，theoveralldesignof theportable high。voltage powerfrequencyelectric field measurementand caution apparatus with C805 1F41 0 MCUas the core isfinished：Sensoris calibratedinpower frequencyelectric field，Thecomparisonmeasurement and calibration experimentbetween homemade instrumentandforeignelectromagneticfield measurement instrument is proceeded；theeffect on measuringelectric field with human existence is analyzed，and theenhanced factors is introducedtocorrecting for measurementerror caused by the human body duringdata processingThe test results show that the fiat plate electricfield sensors can use to measureDower frequency electric field，thescale factor underpower frequencyelectric field is1 8七ymm V，and the measurement systemis ableto measurepower frequencyelectricfield aroundpowerlines accurately and finish the warningfunction whenelectric field is over limit，measurementdata relative errors are about 1 0The wholesystemhasgoodmeasurementperformanceThemeasurementresults havehighcorrelationcomparedwith theforeign instrument，SOit can meet theneeds ofengineering measurementKeywords：electricfieldsensor，power frequencyelectric field measuremem，faultdiagnosis，safe distanceIII重庆大学硕士学位论文目 录目 录中文摘要I英文摘要II1绪论111课题背景和意义1111测量电力设备工频电场1112测量瞬态电场2113工频电磁环境测评2114工频电场测量的意义312工频电磁场环境及人体暴露限值标准3121工频电磁场对人体的影响4122各国工频电场人体暴露限值标准513电场测量技术国内外研究现状614本文的内容72工频电场测量方法一921引言922交变电场测量方法9221球型传感器测量一维交变电场的原理分析10222球型传感器引起电场畸变分析1 323本章小结1 53输电线路电场仿真分析及安全距离确定1631引言1632模拟电荷法计算输电线路下方工频电场16321计算模型与方法17322 500kV输电线下方电场计算实例19323故障状态电场计算2033输电线路安全距离22331最小安全距离23332最小对地安全距离23333最小相间安全距离23334最小安全作业距离24335最小组合间隙24IV重庆大学硕士学位论文 目 录34安全距离确定24341安全距离确定的理论方法59-6024342安全距离确定的技术方法25343电场过限确定安全距离2635本章小结一284工频电场测量警示系统的硬件和程序设计2941系统功能分析及总体设计2942系统硬件设计29421电场传感器设计30422前置放大电路的设计33423可编程增益放大电路34424 C8051F410单片机处理器35425人机交互电路36426电源延时开关电路36427其他模块37428 PCB电路板整体设计67137429测量仪器实物图3843系统的程序设计39431主程序流程39432测量参数的设置40433 AD转换程序41434液晶显示程序42435场强过限报警程序4344本章小结445工频电场测量警示系统的试验研究4551引言4552电场传感器线性度的校正4553系统测试性能的比较47531实验室高压试验平台单相电场测量47532 500kV输电线下方电场测量5054人体对测量电场的影响5255本章小结一566总结与展望5861研究内容总结58V重庆大学硕士学位论文目 录62后续工作展望58致 谢60参考文献61附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录66VI重庆大学硕士学位论文1绪论1绪论11 课题背景和意义电场测量在诸多学术和工程研究领域都占有至关重要的技术地位。国防科技核爆脉冲电场的测量、航空航天领域雷电瞬态电场的实时监测、医学行业中医学设备的电场检测、通信领域天线近场测量、生物学电场生物效应研究【l J等，都离不开电场测量技术的有力支持。在电力工业中，电场测量更是一种十分有效的实验研究手段。随着我国输电电压等级的不断提高，除了输电线路周围及电力设备内部的电场分布成为研究的重点，有关电力系统电磁兼容及电场生态效应的问题也越来越受到人们的关注【zJ。目前电场测量技术不仅广泛用于测量高压输电线路附近及变电站周围的电场强度，还为研究人员了解和测量劣化绝缘子、变压器绕组、高压电缆终端、操作开关等高压设备附近的电场分布【3】提供了技术手段。通过实际测量输电线路附近、变电站周围及电力设备内部的工频电场或者瞬态电场的大小，获取更多有价值的电场数据，为研究输电线路运行状态监测、电力设备绝缘状态评估、电力设备设计制造工艺优化及电力系统电磁兼容等领域提供了有力的数据支持，对整个电力行业的健康稳定运行具有重要的意义。111 测量电力设备工频电场邵方殷4】对跨越房屋的500kV交流输电线路的电磁环境进行了实测，测试结果表明：房屋和树木对邻近房屋周围的电场有很明显的屏蔽作用，实测电场数值都小于2kVm；室内工频电场一般都小于家用电器产生的电场，不会给住户的身体健康带来不良影响。文中认为适当提高输电导线对地距离，并对房屋采取简易屏蔽措施后，500kV线路是允许少量跨越民房的。实测得到的工频电场数据为人们了解500kV交流输电线路跨越房屋时电场是否会对人体健康造成威胁及电场限值确定提供了可靠的数学依据。电力系统中变压器的故障率较高，而这些事故主要是由变压器铁心线圈的外围屏距离过短引起沿面爬电造成的。为此，西安交通大学蒋国雄等人【5 J为深入了解一些关键部位在变压器带电情况下的电场分布，对变压器线圈的外围屏电场分布进行实际测量。实验获得的数据为变压器优化设计和可靠运行提供富有价值的数学依据。重庆大学杨帆等人6采用非接触方式完成对绝缘子串附近某些特定点的工频电场实地测量，这些点的选取都控制在绝缘子一定距离范围内。根据实际测量得到的电场强度，运用绝缘子工频电场逆问题计算出绝缘子串的实际分布电压值，重庆大学硕士学位论文1绪论同时将国家给定的正常绝缘子标准电压分布值与实际计算的电压分布值进行比较，从而对是否有劣质绝缘子片和它所在的具体位置做出判断，从而完成绝缘子的预防性检测，避免电力事故发生。112测量瞬态电场在变电站内进行开关操作时，会产生频率和幅值都极高的瞬态电场，它将会对变电站保护室内的保护及控制设备产生严重的电磁干扰。由于复杂的现场环境，难以通过工程电磁场数值计算方法获得变电站开关设备电场分布情况，因此有必要对变电站瞬态电场进行直接测量，以获取相应的数据，为电力设备的电磁兼容研究提供可信的数据【7 J。瑞士JMeppelink等人【8在1989年为了解隔离开关操作时的暂态电场分布，采用球形电场测量系统对开关操作时GIS出线母线附近电场进行了现场测量。他们分别测量了室外出线母线的径向电场分布、室内和室外母线相同距离的轴向电场分布。测量数据表明： GIS变电站中高频瞬态电场可以采用电荷感应式电场传感器实现准确地测量，从而为变电站内的绝缘问题以及高频瞬态现象的研究提供了有效技术方法。2003年华北电力大学卢斌先等人9率先对500kV变电站内隔离开关分合空载母线、断路器合空载长线及投空载变压器等开关操作产生的瞬态电场进行了现场测量，对测量的数据进行分析获得了一些有关变电站内隔离开关和断路器操作产生的高频暂态电场的重要特征。这些结果对变电站电磁干扰分析和保护与控制设备抗扰度研究具有重要的理论价值和实用意义。113工频电磁环境测评近年来，研究人员运用工频电场测量仪器对高压输电线路附近及地面、变电站周围等作业场所的工频电磁场强度进行了实地测量，根据测量数据对这些作业场所的工频电磁环境实现科学预测和评估，为工频电磁场防护提供了有力的依据。陈青松等人【10】对涵盖电力、汽车制造、石油化工、电子、橡胶、港务等10多个领域的50家不同企业的作业场所工频电磁场作了现场测量及统计分析，探究和讨论目前职业人群在工频电磁场的暴露现状。调查结果表明，电厂主变及各种高压变电站近20的测量点电场强度大于5 kVm，最高达1746kVm。因此，应合理安排作业人员在高压变电站及电厂主变巡检路线的时间，以减少人体在工频电场的暴露。部分电厂还应对主变出线进行屏蔽并选择地下出线，以便有效降低工频电场强度。王庆文11对某市不同电厂发电机组等工作场所附近的工频电场强度进行了现场测量，并按照工频电场职业接触限值评价实际测量的电场强度。测评表明，集控室、发电机、主变压器进出线及110、220 kV变电站测量结果均符合工作场所重庆大学硕士学位论茎1_丝工频电场职业接触限值，330、500 kV变电站室内测量点电场强度有超标点，且500kV变电站超标点较多。测量结果为作业场所工频电磁防护提供了数据支持，促使作业人员遵守相关电磁防护原则，并采取相应的防护措施，从而有效地控制工频电场的职业危害。114工频电场测量的意义随着计算机技术的发展，目前国内外学者通过计算机，采用模拟电荷法、边界元法、及有限差分法等数值计算方法来计算高压电场问题【12-14。但是很多电力设备由于结构比较复杂，并且可能存在表面电晕、表面污秽、预放电过程等相对复杂的问题，使得其周围空间的电场分布难以通过计算机仿真计算得到，或者由于计算机仿真时间过长使计算出来的电场值无法满足实时性的需要；同时，一些电力设备数学模型的电场仿真结果也需要通过实际测量来验证。因此，通过直接测量工频电场获得直观准确的数据，不仅有助于对计算结果进行验证，而且对于一些特殊场合更是解决问题的唯一有效手段【1 5I。对于公众和一般电力作业场所的工作人员，需要研制一种廉价、耐用的便携式高压工频电场测量警示系统，能对工频电场进行有效的测量，给与直观的数值显示，及时反映当时当下的电场强度，并结合国家有关人体在工频电场暴露限值或现场实际情况设定限值，当作业人员所处区域的工频电场超过设置的阈值，系统会及时给与警示标志，提醒作业人员及时撤离电场强度超标等不适合进行长时间作业的区域，让作业人员做到防患于未然，保证人身安全和电力系统的正常运行；对于在电力行业进行特种作业(输电线路带电作业等)的人员，由于条件的限制通常依靠人眼目测确定安全距离，这样可能由于存在人为因素及环境干扰，安全距离都会存在一定误差，从而增加了带电作业的危险系数。基于电场过限警示确定安全距离的设想为解决这一问题提供了新的思路。通过实时监测作业人员所在位置的工频电场的大小，并与安全距离临界电场相比较，及时提醒作业人员采取相应的健康防护措施，提高带电作业的安全系数。输电线路如果出现故障(缺相或相位异常等)时，往往会引起输电线路原来的电场发生变化，如果对故障后的电场进行重新测量计算并与正常状态的电场进行比对，通过故障前后电场的变化规律来判断超高压输电线路的运行状态，从而实现输电线路状态地非接触式判断，对于保障输电线路长期、安全、稳定运行具有重要的意义。12工频电磁场环境及人体暴露限值标准我国把交流输变电设施产生的作50Hz周期变化的电磁场明确地称为工频电磁场。随着社会进步、电网建设事业的发展和人民生活水平的显著提高，人们对重庆大学硕士学位论文1绪论高压输电线路走廊及变电站周围工频电磁环境给予了更多的关注【l 6|。121 工频电磁场对人体的影响关于输变电工程的工频电磁场对人体健康是否存在潜在影响一直是公众和研究人员长期关注和争论的焦点问题。前苏联的研究人员首先开始对该问题进行专门研究，随即引起了国际上的广泛关注。国内外学者开展了多方面的研究，范围从微生物到动物实验，从跟踪带电作业人员到人体直接处于高压电场的试验室试验【17】，研究人员都做了大量实验测试工作，进行了广泛深入的流行病学调查研究。1972年，前苏联专家Kcrobkova等人8J在国际大电网会议上发表的电场对人体有直接影响的研究报告指出：经常暴露在400kV、500kV等级的变电站工作人员中有部分人会出现食欲不振、脉搏加快、血压偏高等症状，还有部分人员患有神经衰弱、心血管系统异常和血象轻微变化等疾病。美国瓦尔特哈马博士在1979年的有关研究指出：出生在高压输电线路及变电站周围的婴儿，其患白血病的概率要比正常环境中出生的婴儿高298倍，患癌症的概率要高225倍【l圳。瑞士研究人员在1992年对50万名居民进行医学跟踪调查。这些调查对象的共同点都是在200kV到400kV电压等级的输电线路周围500米范围内居住的居民，并且居住时间都在一到二十五年。调查结果表明癌症、脑瘤的发病率，尤其是儿童患白血病的几率与高压电磁场对人体的作用有着直接关系12。但是同时也有很多权威报告指出，以前关于电场对人体及环境的不利影响的评估有些夸大，缺乏有效的医学检查结果，也不具备统计学的意义，现在的输电线路下方电场不会对人体造成伤害，离允许的电场限值还有很大的安全裕度【21|。由法国、英国、意大利三国共同组成的科研协作组在1986年报道了他们关于工频电场引起的生物效应的研究结果，结果表明一般健康状况与电磁场暴露条件没有显著关系，即使有些生物、生理学参数的改变，也是非病理性的【2 2|。为了解工频电场对生态环境的影响，由武汉高压研究所、同济医科大学及湖北省电力局三家单位牵头组成科研协作组，在筹建500kV平武线之初，就开展了历时10多年的研究工作。这些研究工作主要有：在生态试验室内对置于由平行板电容构建的电场中的动物进行了暴露试验；对经常接触电场作业人员的健康情况进行了历时8年多的动态观察；对沿线的小学生智力进行测定，研究500kV输电线路产生的电磁场是否对其造成影响等【2引，研究结果表明，当人体处于我国现有等级的超高压线路下方时，并未因为其产生的电场作用而造成特异性变化。国内外学者对工频电磁场是否对人体健康产生影响一直存在异议和争论，目前仍没有一致准确的结论【2训。这种争论反而使得公众加深了对工频电磁场的误解，从而产生很强的抵触情绪。随着我国输电线路电压等级不断提高，输电线路及变电站周围电磁环境问题日益受到社会大众地广泛关注，人们极力阻挠、抵制在自重庆大学硕士学位论文1绪论己生活和居住的环境周围进行架线、建站等电力建设工作，己成为制约我国特高压输电建设事业快速发展的主要因素之一。因此，需要加强对工频电磁环境的监测，将其控制在合理的范围内，消除大众的顾虑，保证电力建设事业的顺利开展。122各国工频电场人体暴露限值标准数十年来，各国研究人员对人类健康是否会因为工频电磁场的作用而产生影响做了大量卓有成效的研究，这些研究成果为相关的国际电磁防护机构制订人体暴露在工频电磁场的限值提供了真实有效的依据。为了协调世界各国和相关组织的电磁场标准，为全世界人民提供一致或相似的电磁场健康保护水平，世界卫生组织(WHO)关于极低频健康防护的一系列最终结论性文件，例如“环境健康准则”、“电磁场标准框架”、“电磁场法律范本”等，都己正式获得批准发布12川。尽管世界卫生组织极力要求各成员国采用其推荐的电磁场曝露标准，但是由于目前各个国家和相应国际组织对工频电磁场对人体健康的影响程度持有不同的观点，没有统一、准确的结论，因此，世界上许多国家都有一份与自身具体国情相关的电磁场暴露标准【2631 J，同时类似国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)、欧盟委员会(CEU)等一些国际组织为了给各个国家提供参考建议，也建立了自己的电磁场暴露导则。不同国家根据本国具体的国情制订的人体暴露在工频电磁场的最高临界值也不尽相同，表11给出了一些国际组织及国家的工频电场职业暴露和公众暴露导出限值。表11中的所列的电场数值为工频正弦电压作用下的有效值，未包括时间受限、局部暴露或针对特殊地点等的场强值p 2f。表11一些国家和国际机构工频电场暴露限值Table 11 Powerfrequencyelectric field exposure limits in some national and internationalinstitutions重庆大学硕士学位论文1绪论由表11可知，我国工频电场强度的环境影响评价标准的最高允许值比大多数国家推荐的公众暴露标准限值都要小，对工频电场职业和公众暴露要求更为严厉。因此，目前我国采用的工频电场曝露环境影响评价标准是足够安全的。13 电场测量技术国内外研究现状20世纪六十年代研究人员提出了电荷感应式电场传感器用于测量高压工频电场的方法。随后国内外对电荷感应式电场测量领域的研究热情持续增加，并取得了丰硕的成果。1984年，德国斯图加特大学的KFeser等人133J对该大学现有的球型传感器进行了技术改进，研制了一种可以测量二维瞬态电场的新型系统。该系统球形传感器半径为20mm，测量频率带宽高到10MHz，信噪比为32dB。该新型系统的动态响应范围在原系统的基础上得到了大幅度提高。在用于测量固定频率的交变电场和频率成分比较丰富的瞬态电场时，系统表现出了快速的响应性能，测量效果非常理想【3】。1986年美国EMThomson等人【34】研制的三维球形瞬态电场测量系统的球形传感器半径为225mm，系统测量频率带宽为3Hz-4MHz，光纤长度为100m。该测量系统具有良好的动态响应特性和较高的测量精度，用于测量远距离的雷电冲击电压产生的瞬态电场时，误差小于01I 31。瑞士Haefely公司的研究人员在1992年研制出了采用光电传输的二维球形电场强度测量仪，该仪器的球形传感器直径为8cm，可以同时测量两个正交方向的电场，光纤长20 m其最大测量频率带宽可达到20MHz，可测场强范围为0210kVcmp5J。1994年美国JRamirezNino等人【36】成功研制了高精度的二维球型电场测量系统，该系统测量电场强度范围为O、100kVm，测量误差可控制在1以内。通过利用该系统对电流互感器分布在中轴向的电场强度进行了测量，取得了非常理想的实验效果。目前国外工频电场测量仪器中性能较优的主要有意大利PMM公司生产的PMMS053A综合场强测量分析仪、德国Narda公司生产的EFA300低频电磁分析仪、美国HOLADAY公司生产的HI3604工频电磁场强度测试仪及法国CA公司生产的CA42工频电磁场分析仪等。这些仪器都提供了很宽的测量范围和频带，但受光纤长度的限制，有些特殊点(如杆塔上)的数据无法测量，并且价格都比较昂贵。在国内，电荷感应式电场测量技术的研究也受到非常高的重视。西安交通大学蒋国雄等人在1985年研制了一维球型电场测量系统，其球型传感器半径为125mm，可测电场量程为01110kVcm，如果用于均匀电场测量，精度可控制在2内【37。该系统成功应用于测量球板电极之间的电场分布，实验表明实际测重庆大学硕士学位论文1绪论量值与理论计算值的符合程度是令人满意的。1987年中国电科院高压所研制成功了高灵敏度工频场强表，它的主要特点是灵敏度高，测量范围可从O01-100kVm，可满足低、中、高各类工频电场测量，该场强表已多次成功用于现场测试，准确度为5。1993年华北电力大学李成榕等人研制出一维球形暂态电场的测量系统，该系统探头半径为30mm，量程为0110kVcm，在均匀工频电场测量中，系统的精度可达到1【38。该系统具有良好的线性度和测量精度，他们利用此系统验证了棒板电极间电场分布，取得了良好的效果。华北电力大学王泽忠等人在2002年成功研制了宽频带三维电场测量系统。系统的电场传感器采用了该校从德国斯图加特大学引进的三维球型传感器。该系统可以对三维工频电场和暂态电场实现测量，工频电场的有效测量范围为：100Vm48 kVm，测量带宽为15 Hz100 MHz，在用于测量变电站工频电场分布时，获得的测量数据与仿真计算数据十分吻合【39】。2004年，张卫东等人成功开发了一个采用球型传感器的瞬态电场测量装置。该装置的球型传感器直径为625cm，光纤长为50m，系统的量程为001100kVm，测量带宽范围为40Hz100MHz4，该测量系统具有很高的测量精度、灵敏度及良好的时频特性，成功应用于测量高压变电站内操作开关动作时产生的暂态电场分布，获得了大量有用数据和良好的实验效果。国内还有许多单位如复旦大学、清华大学、武汉高压研究所等也从事了相关研究工作。目前国内常用的工频电场测量仪器主要以中高端进口产品为主，国产的低端测量仪器仍存在些缺点，例如响应速度慢、测量精度过低、设备不易携带、难于推广等【41|。因此，研制-300体积小、便于携带、价格适中、并且能有效监测高压输电线路及电力设备附近的工频电场的电场测量警示仪具有广泛的实用价值。14本文的内容本文相关研究内容及完成的主要工作包括以下4个部分：推导球型电场传感器测量一维电场的基本原理；分析引入球型传感器对测量电场造成的畸变效应，研究畸变量与传感器外形大小、介电常数等参数的具体数学关系，探讨将畸变影响降低到合理范围的方法；建立简单合理的输电线路计算工频电场的数学模型；分别计算出线路故障前后工频电场，对其分布规律进行比较，分析通过工频电场实现对输电线路状态非接触式检测的可能性；通过仿真得到输电线路安全距离范围的临界电场，提出基于电场过限确定安全距离的非接触式判断方法；分析平行板电场传感器测量交变电场的数学原理，完成传感器的制作；根据系统的具体需要，设计合理的电路原理图和选择合适器件，完成系统的硬件设重庆大学硕士学位论文1绪论计；根据测量需要实现系统的软件功能；对平行板电场传感器的测量线性度及精度进行验证；用自制测量仪器与国外仪器进行对比测量，检验系统的工作性能；介绍人体位于电场空间引起周围电场发生扰动的原理及畸变电场分布，建立合理的人体模型对畸变情况进行仿真分析，提出校正畸变电场的解决方案。重庆大学硕士学位论文2工频电场测量方法2工频电场测量方法21引言测量交变电场利用的是静电感应原理，通过在待测电场中引入传感器获得电场信号，并将该信号转换成与电场强度大小成正比的电压信号，通过后续电路处理求出待测电场强度。本章分析了采用交变电场探头对工频电场实现测量的数学原理及其引入后对原电场的畸变情况，并提出解决畸变影响的相应方案。22交变电场测量方法传感器在交变电场的作用下，其金属电极表面会感应出与待测电场同频率变化的感应电荷2，对此感应电荷进行相应的处理，得到与待测电场中成比例关系的电场测量信号，根据相应的数学关系计算出待测点的电场强度，从而实现电场测量。目前能反映交变电场测量信号主要是感应电荷在交变电场传感器两个电极间产生的感应电流或感应电压【5J：当传感器的两个电极在内部经一个电阻短接时，感应电压在电阻上产生感应电流即可作为测量信号；当传感器的两电极间接入一个测量电容时，感应电荷在电容上产生的感应电压也可作为测量信号。本文所设计的电场测量系统，其传感器部分采用后者的方式制作而成，即传感器的两个电极内部经一个测量电容连接。交变电场传感器有球型、平行板型、盒型、天线型、圆柱型等结构，相对于平行板型、盒型等结构的电场传感器，球型结构的电场传感器具有可准确计算其表面电荷与电场的关系，可以粗略计算出引入传感器对原来电场的畸变影响，电场畸变相对较小等优点1 51。因此为了便于分析，本文采用球型传感器模型分析交变电场传感器测量一维电场的原理，推导出感应电压与待测电场的数学关系，为后续的计算提供数学依据。将一个金属导体球壳沿中心轴线切割分成上下两部分，分隔后的上下半球为传感器的两个电极，并通过一个测量电容与它们相连。空心球壳内部填充绝缘物质，使上下半球彼此绝缘(42。若在空间电场内引入该传感器时，传感器两个电极将感应出电荷，从而在测量电容两端将产生感应电压，该电压便可作为测量信号【43。球型传感器的一维模型结构如图21所示。由于传感器是放在高压强场环境下进行测量的，所处位置的空间电位很高，因此上下两半球之间的微小电位差可以忽略不计，可以假设两个半球是等电位mJ，这种情况就等效于放置在电场中完整的金属球。重庆大学硕士学位论文一!三塑皇堑型量查鲨一-一一P土jr图21球型传感器一维结构图Fig21Onedimension chart of sphericalsensor假设传感器未放入该点前的未畸变电场为E门(f)，当把传感器放入空间电场中时，传感器两半球电极表面将在空间电场静电感应的作用下在产生感应电荷。设传感器上半球壳表面积为S，感应电荷的面密度为仃则上半球壳的面电荷大小为【45】Q(r)2 jGs(f)搬r21)电场中放入球型传感器后，传感器表面电荷量与未畸变电场Eo(f)成正比【2J：o(t)=(t)(22)其中k为变换系数。感应电荷Q(，)作用在测量电容C0上将产生一个电压UM(t)，其大小为：(f)=O(t)cMf23、将式(22)代入式(23)可得：(f)=kEo(t)Q(24)该式反映了电场传感器的基本变换特性。通过得到测量电容上的电压UM(t)就可以计算出电场E门(f)，这就是球型传感器测量一维电场的基本原理【45。下面将对球型传感器测量一维交变电场的原理通过数学推导加以分析。221 球型传感器测量一维交变电场的原理分析在分析之前，首先建立一个球型传感器等效坐标系，如图22所示。假设存在一个点电荷，电量为g(f)，位于点Q(O，