工频电场测量方法及安全警示系统设计研究

年5月29日工频电场测量方法及安全警示系统设计研究文档仅供参考工频电场测量方法及安全警示系统设计研究⑧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ResearchonMeasurementMethodandSafetyWarningSystemDesignofPowerFrequencyElectr．icField⑧AThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’SDegreeofEngineeringBy_LiuConghanSupervisedbyProf．HeWeiSpecialty:ElectricalEngineeringCollegeofElectricalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,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,经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,经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18kV．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AbstractTheelectricfieldisanimportantelectricalparametercharacterizingstatusoftransmissionlinesandpowerdevices,bysometheoreticalstudiesandexperimentalveriftcation．theelectricfieldmeasurementtechniquecanbeusedasanauxiliaryanalysistoolfortransmissionlinefaultconditiondiagnosisanddeterminingsafedistanceinliveworking．Itwillprovidestrongdatasupporttotransmissionlinesstatediagnosis,electricalequipmentinsulationconditionassessment,powersystemelectromagneticcompatibility,electromagneticenvironmentassessmentandotherstudiesbyreal．timeandaccuratelymeasuringelectricfield．Ithasgreatsignificanceforinvestigatingelectricfieldeffectstothelong—termhealthofworkers,protectingpersonalsafetyofpeopleinhigh—strengthelectricfieldenvironment,studyingonnon．contactmeasurement,ensuringthesafeandstableoperationofpowersystems,andSOOn．Itisdeducedthemathematicalprincipleofmeasuringone—dimensionalaltematingelectricfieldusingsphericalsensor．TheelectricfielddistortionwhensensoriSintroductiontothefieldisdiscussed,andasolutionforreducingmeasurementerrorcausedbysensorisproposed;arationalcalculationmodelofpowerfrequencyelectricfieldunderhighvoltagetransmissionlineisestablished,distributionofelectricfieldwhenlineisphaselossandabnormalissimulated,andtheccorrespondingreferencedataisgot．Theoreticalmethodforestimatingthestateofthetransmissionlinebasedonelectricfielddistributionlawbeforeandafterthetransmissionlinefaultisproposed;Itisintroducedtheimportanceofdeterminingsafedistanceandanalyzedthefeasibilityoftheelectricfieldcharacterizingsafedistancewhenliveworking,thedefectsofexistingtheoreticalandtechniquemethodsfordeterminingsafetydistanceisdiscussed,andanewideafordeterminingsafedistancebasedonelectricfieldoverlimitisproposed,thecriticalelectricfieldsfortransmissionlineswithdifferentvoltagelevelsinsafedistanceiscalculatedbysimulation．Itisanalyzedandverifiedthefeasibilityofmeasuringtheelectricfieldflatplatecapacitancesensorandcompletedsensordesign．Theflatcapacitancesensorisusedtomeasureelectricfieldinsteadofballsensor．Accordingtothespecificneedsofeachmodule,hardwaredesignofthesystemiscompletedbyselectingappropriatecomponents,andsoftwaredebuggingofthesystemiscompletedaccordingtoIImeasurememsneed,theoveralldesignoftheportablehigh。voltagepowerfrequencyelectricfieldmeasurementandcautionapparatuswithC8051F410MCUasthecoreisfinished:Sensoriscalibratedinpowerfrequencyelectricfield,Thecomparisonmeasurementandcalibrationexperimentbetweenhomemadeinstrumentandforeignelectromagneticfieldmeasurementinstrumentisproceeded;theeffectonmeasuringelectricfieldwithhumanexistenceisanalyzed,andtheenhancedfactorsisintroducedtocorrectingformeasurementerrorcausedbythehumanbodyduringdataprocessing．ThetestresultsshowthatthefiatplateelectricfieldsensorscanusetomeasureDowerfrequencyelectricfield,thescalefactorunderpowerfrequencyelectricfieldis18七y．m～．mV～,andthemeasurementsystemisabletomeasurepowerfrequencyelectricfieldaroundpowerlinesaccuratelyandfinishthewarningfunctionwhenelectricfieldisoverlimit,measurementdatarelativeerrorsareabout10％．Thewholesystemhasgoodmeasurementperformance．Themeasurementresultshavehighcorrelationcomparedwiththeforeigninstrument,SOitcanmeettheneedsofengineeringmeasurement．Keywords:electricfieldsensor,powerfrequencyelectricfieldmeasuremem,faultdiagnosis,safedistanceIII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⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．1课题背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．1．1测量电力设备工频电场⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．1．2测量瞬态电场⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21．1．3工频电磁环境测评⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21．1．4工频电场测量的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31．2工频电磁场环境及人体暴露限值标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31．2．1工频电磁场对人体的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41．2．2各国工频电场人体暴露限值标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51．3电场测量技术国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．61．4本文的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72工频电场测量方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一92．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．2交变电场测量方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．2．1球型传感器测量一维交变电场的原理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．102．2．2球型传感器引起电场畸变分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．132．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．153输电线路电场仿真分析及安全距离确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．163．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．163．2模拟电荷法计算输电线路下方工频电场⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．163．2．1计算模型与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．173．2．2500kV输电线下方电场计算实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．193．2．3故障状态电场计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．203．3输电线路安全距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．223．3．1最小安全距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．233．3．2最小对地安全距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．233．3．3最小相间安全距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．233．3．4最小安全作业距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．243．3．5最小组合间隙⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．24IV重庆大学硕士学位论文目录3．4安全距离确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．243．4．1安全距离确定的理论方法[59-60]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．243．4．2安全距离确定的技术方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．253．4．3电场过限确定安全距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．263．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一284工频电场测量警示系统的硬件和程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．294．1系统功能分析及总体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．294．2系统硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．294．2．1电场传感器设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．304．2．2前置放大电路的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．334．2．3可编程增益放大电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．344．2．4C8051F410单片机处理器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～354．2．5人机交互电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．364．2．6电源延时开关电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．364．2．7其它模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．374．2．8PCB电路板整体设计‘671⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．374．2．9测量仪器实物图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．384．3系统的程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．394．3．1主程序流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．394．3．2测量参数的设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．404．3．3AD转换程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯414．3．4液晶显示程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．424．3．5场强过限报警程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．434．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯445工频电场测量警示系统的试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．455．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．455．2电场传感器线性度的校正⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．455．3系统测试性能的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．475．3．1实验室高压试验平台单相电场测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．475．3．2500kV输电线下方电场测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．505．4人体对测量电场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．525．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一566总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．586．1研究内容总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．58V重庆大学硕士学位论文目录6．2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1．1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【lJ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。随着中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。当前电场测量技术不但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。经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。1．1．1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2kV／m;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【5J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。1．1．2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,难以经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【7J。瑞士J．Meppelink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。她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能够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。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。1．1．3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,探究和讨论当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5kV／m,最高达17．46kV／m。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、220kV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、500kV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。1．1．4工频电场测量的意义随着计算机技术的发展,当前国内外学者经过计算机,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]。可是很多电力设备由于结构比较复杂,而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经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经过实际测量来验证。因此,经过直接测量工频电场获得直观准确的数据,不但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【15I。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,由于条件的限制一般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。经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,经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。1．2工频电磁场环境及人体暴露限值标准中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【l6|。1．2．1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2．98倍,患癌症的概率要高2．25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,而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,特别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⋯。可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年报道了她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【22|。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,当人体处于中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。随着中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,己成为制约中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。1．2．2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,可是由于当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【26’31J,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1．1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1．1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p2f。表1．1一些国家和国际机构工频电场暴露限值Table1．1Powerfrequencyelectricfieldexposurelimitsinsomenationalandinternationalinstitutions重庆大学硕士学位论文1绪论由表1．1可知,中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,当前中国采用的工频电场曝露环境影响评价标准是足够安全的。1．3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K．Feser等人133J对该大学现有的球型传感器进行了技术改进,研制了一种能够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EM．Thomson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0．1％I31。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,能够同时测量两个正交方向的电场,光纤长20m其最大测量频率带宽可达到20MHz,可测场强范围为0．2～10kV／cmp5J。1994年美国J．Ramirez．Nino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、100kV／m,测量误差可控制在1％以内。经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。当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HI．3604工频电磁场强度测试仪及法国C．A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,而且价格都比较昂贵。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12．5mm,可测电场量程为0．11～10kV／cm,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O．01-100kV／m,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0．1～10kV／cm,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,她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。该系统能够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:100V／m～48kV／m,测量带宽为15Hz～100MHz,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】。,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62．5cm,光纤长为50m,系统的量程为0．01～100kV／m,测量带宽范围为40Hz～100MHz[4⋯,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。当前国内常见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、而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。1．4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:①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;②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,分析经过工频电场实现对输电线路状态非接触式检测的可能性;经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;③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;④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2．1引言测量交变电场利用的是静电感应原理,经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,经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。2．2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。当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,能够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[151。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,并经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2．1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能够忽略不计,能够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2．1球型传感器一维结构图Fig．2．1One—dimensionchartofsphericalsensor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)2jGs(f)搬r2．1)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)(2．2)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)／cMf2．3、将式(2．2)代入式(2．3)可得:％(f)=kEo(t)／Q(2．4)该式反映了电场传感器的基本变换特性。经过得到测量电容上的电压UM(t)就能够计算出电场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经过数学推导加以分析。2．2．1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2．2所示。假设存在一个点电荷,电量为g(f),位于点Q(O,0,d)。球型传感器的球心与坐标原点0重合,传感器半径为R。根据镜像法可得,在点电荷g(f)与坐标原点0的连线上的点B(0,0,b)处将有一个与点电荷g(f)极性相反的镜像电荷g。(f);在原点0处将有一个与点电荷g(f)极性相同的镜像电荷g:(f)。在测量球壳外表面上任取一点A(R,0,①),它与点电荷g(,)、q。(,)和92(,)的距离分别为_、吃和R,‰是真空介里鏖奎堂堡主兰垡笙茎．——————二L三塑皇堑型坠电常数。图2．2球型传感器等效坐标系Fig．2．2Equivalentcoordinatesystemofsphericalsensor若令c:R／d,b:cR=R2肠,位于球壳外表面点A(R,0,①)处的电场强度可以经过叠加原理能够得到,具体为:圳=去I半"掣"半龟]B5,根据球面镜像法可知式(2．5)中:91(f)=一cq(t)f2．6、q2(f)=cq(t)(2．7)1=√d2+尺2—2Rdcos臼=d√1+c2—2ccos臼f2．8、您=√62+R2—2R6cos臼=尺√1+c2—2ccos0f2．91式(2．8)～(2．9)中,d是坐标原点到点电荷g(f)的距离,R为坐标原点到A点距离,即球半径,R、0、①是球壳外表面A点的三个坐标参数。因此,式(2．5)可化简为:哪)=嚣1+fl+c2_2ccos0)互(2．10)重庆大学硕士学位论文2工频电场测量方法根据点电荷的电场计算公式,当传感器未被引入电场中时,的产生的未畸变电场强度[421Eo(f)为:·圳=茹将式(2．11)代入(2．10),能够得到传感器表面A点的电场为:幺(f)=1Eo(rt)d1+c2—1(1+c2-2ccos0)j电荷g(f)在点O处(2．11)r2．12)传感器表面A(R,0,①)点的电荷面密度仃爿与场强E一的数学关系能够经过高斯定理求得,具体为:％(R,0,①,f)=岛E(f)(2．13)将式(2．12)代入(2．13),可将传感器表面么点电荷面密度仃爿(f)表示为:盯爿(f):—EOEO—(t)C1+c2—1(1+c2-2ccos0)i(2．14)当半径R专0或者d专。。,都会使cj0,这时传感器表面的电场可近似为均匀场。由式(2．14)求得此时球型传感器电极的面电荷密度o"A(f)的极限值【46】为:1+=——3％Eo(t)cos0c2—1(1+c2-2ccos0)i(2．15)沿传感器上半表面对盯4(f)进行积分,可得到上半球面电极在均匀电场作用下的感应电荷极限值【42】[461Q(f):Q(f)=f『仃爿(fp=尊丌0／20-A(f)R2sinOdOd①=一3万尺2￡。E。(f)(2．16)若己知两个电极间的测量电容大小为CM,由U=Q／C可知均匀场下传感器的测量电压UM(r)为:、●●●●●●●●●●、r●●●●●●●J半r●●●●●●●0●●C、●●●●●●●●●＼m加证专1上C=f413重庆大学硕士学位论文2工频电场测量方法uM(f):一—3刀:—R2i％一Eo(t)(2．17)LM因此,由式(2．17)能够看出,当使用球型传感器测量一维均匀电场时,测量电容两端的电压与被测点的电场强度成正比。因此,要知道到待测电场En(f)的大小,只需经过测量测量电容上的电压U。,(,)便可得到。同时能够证明,任意类型的工频电场,无论是在均匀电场还是在非均匀电场中,球形结构的交变电场传感器都可以对其实现测量,都会得到与式(2．17)类似的数学关系,只是UM(f)与Eo(f)之间的比例系数有所变化【431。2．2．2球型传感器引起电场畸变分析电场中引入任何一个金属导体时,该导体的表面电荷都会在电场作用下发生移动。导体上的感应电荷也会产生一个电场,使导体附近的电场发生了改变,造成导体周围电场的畸变。这个畸变电场是原始场和感应电荷产生的新场的叠加。因此,电场测量的关键之一是如何降低由于传感器引人被测场后对被原来场的畸变影响。将金属球型传感器置于一个无限大的均匀电场中,如图2．3所示。未受畸变的均匀电场为En,无限大空间的介电常数占,,传感器内部填充的绝缘物质的介电常数为￡,,传感器的半径为％,传感器外点M与原点O距离为r,与电场方向的夹角为臼。—————————◆％—_————————◆图2．3位于均匀电场的球型传感器Fig．2．3Sphericalsensorinauniformelectricfield图2．3中,假设未放入传感器时均匀电场在O点产生的原始电位妒o,9。,为球型传感器内部的感应电位,妒:,为球外的感应电位。因此,当测量传感器被引入电场中时,传感器内部电位经和外部电位缈:都是由原始电位和感应电位两部分叠加而成[471,即:J仍。(Po+仍,Ⅲ81<I／l^●I妒2=％+妒2,兰一l仆重庆大学硕士学位论文2工频电场测量方法当取球型传感器中心0处电位作为参考零电位时,则均匀电场的原始电位为‰=一易rcos0。由于球型传感器的电位具有轴对称性,电位分布与厂和臼有关,不依赖于方位角[471。因此,空间任意一点的电位满足球坐标系的拉普拉斯方程:旦fr2塑1+上·旦(sin0翌):0(2．19)ar7．西sin0c30c30因此,球内、外感应电位的典型解【48】能够根据分离变量法求出:妒,=(彳。r”+B。r叫”u)P．(cos0)(2．20)其中么。、B。是待定常数,只(cos0)为胛阶第一类勒让德函数。考虑到感应电位妒,还应满足下列极限条件【48]:传感器内部感应电位仍,必须处处有限;r>o。时,传感器外感应电位p,,=0。因此,传感器内、外的合成电位的表示式为:6Pl(r,臼)=一％rcos臼+∑彳。r”P．(cos0)”?(2．21)。。(02(r,臼)=一％rcos乡+∑B。r巾”’／'．(cos0)n=O为了简化计算,只考虑胛=1的勒让德多项式,此时只(COS0)=cos0。同时考虑到球型传感器分界面电位、电位移的法向分量连续的边界条件:rI仍2(02{毛亟％亟(222)l1咖‘咖因此求得两个待定常数分别为:仁嚣％亿23,骂=一簪％疗ZS．+S,将A。、B。代人式(2．21)便可得到球型传感器内、外合成电位的具体表示式:们,耻一熹％Kos臼‘。(2．24)毗俨_(1+嚣弘⋯妇如果只考虑球型传感器外部电场畸变的情况,则砒铲也⋯m鬟吾即刚(2．25)又因为E=一Vtp,因此球型传感器外的叠加电场表示式为:14重庆大学硕士学位论文2工频电场测量方法三=聃娥,+嚣等)孑由sin叩一嚣莎(2．26)-÷_+式中e,、e日分别为r和0的单位向量,ro<r<oO。由式(2．26)可知,引人测量传感器后使得其周围的电场强度发生了畸变。由于引人球型传感器造成的畸变电场为:云=％cos臼罴等孑。1．(2．27)云啦)Sin囔告笋乏当0=0时,畸变电场达到最大值:E=％筹等(2．28)由式(2．28)能够看出,电场最大畸变值与空间及传感器内部材料的介电常数、传感器的半径,测量点与传感器的距离有关。在介电常数一定的情况下,传感器的尺寸越小,测量点距离越远,畸变的效果就越不明显。因此,只要最大的畸变值小于设定的畸变误差,就可将畸变程度控制在允许误差范围内‘引。下面给出了传感器内外介质介电常数不同时,给定误差万下％与r的关系:鱼<r(2．29)在球型传感器半径一定的情况下,要想电场畸变越小,测量点必须要距传感器越远,。可是实际测量中,测量点与传感器的距离,一般会被限制在某一值,因此,为了将电场畸变造成的误差控制在指定范围内,应该尽量采用小尺寸的测量传感器。2．3本章小结本章对简要介绍了交变电场测量的方法,推导了球型电场传感器测量一维交变电场的基本原理,分析由于引入测量传感器对电场的畸变情况,提出了经过控制传感器的大小将电场畸变造成的测量误差控制在指定范围内的解决方案,为工频电场测量警示系统的研制奠定了理论基础。重庆大学硕士学位论文3输电线路电场仿真分析及安全距离确定3输电线路电场仿真分析及安全距离确定3．1引言工频电场对周围环境、居民健康和设备安全等是否产生影响及影响的程度长期以来都是一个备受关注的问题,亟待解决。本文采用模拟电荷法作为高压输电线下方工频电场强度的计算方法。经过计算得到高压输电线下方电场分布规律,为输电线路工频电场环境测评提供有效的工具,对输电线路的整体规划设计有着重要的意义。故障电压信号的获取是输电线路状态监测的关键。现有的技术手段主要是从电容分压器、电压互感器、光纤电压传感器等装置获得相应的信号,这些装置均存在局限性【491。考虑到故障电压波在输电线路上的传播,实质是电磁场在导线周围空间逐步建立的过程,导线电压的变化能够经过线路周围空间电磁场有效地反映出来【50]。因此,对线路故障电压的直接监测可转化为对其在周围空间产生的电磁场的实时测量【51]。本文提出了经过对比故障前后输电线下方工频电场的分布来实现线路状态监测的方法。带电作业作为电力设备监测、线路改造和状态检修的重要技术手段,为保证输电线路及电力设备安全、不间断运行,提高电力系统供电可靠性做出了重要贡献。但同时带电作业也是一项高风险、专业性很强的特种作业。因此,作业人员必须严格遵循安全操作规程,在进行带电作业时采用正确的作业方法和必要的安全防护措施。在输电线路带电作业中,安全距离的确定是保证带电作业人身和设备安全的关键,同时必须采取安全措施对作业人员进行电场和感应电流防护【52I。根据工频电场强度大小和安全距离之间的关系,本文提出了基于电场过限确定输电线路安全距离的思路。3．2模拟电荷法计算输电线路下方工频电场模拟电荷法(ChaurgeSimulationMethod,CSM)于1969年由H．Steinbigler提出,是当前应用于静电场计算的主要方法之一。电磁场的唯一性定理是模拟电荷法计算的理论基础。因为导体含有大量连续分布的自由电荷,同时电介质也存在连续分布的束缚电荷,因此,如果存在这么一组离散化的模拟电荷,能够用它们等效替代上述连续分布电荷,这样,根据这些模拟电荷的电场强度的解析计算公式,将它们在空间所产生的电场强度经过叠加定理得到一个合成场,即可获得导体电极原来连续分布电荷所产生的空间电场分布【53|。当前常见的有点、线、环等类型的模拟电荷,在数值处理和工程使用中,选择合适的模拟电荷的类型及个数,重庆大学硕士学位论文3输电线路电场仿真分析及安全距离确定使得等效结果更为逼真,从而能准确地计算出电场。3．2．1计算模型与方法中国规定的工频输电频率为50Hz,其波长为旯=6000km,远远大于架空输电线路自身长度,根本达不到有效辐射的能量条件。因此,输电线产生的电场完全符合准静态的特征,可采用准静态场的方式来处理,‘因此输电线路周围电场分布的情况能够应用模拟电荷法来完成【53|。忽略输电线的弧垂和端部效应以及杆塔、绝缘子的影响,能够用无限长直平行导线等效实际输电线路,并规定实际计算高度为输电线弧垂最低点与地面的距离,计算平面取为导线横截面【5圳,因此输电线周围电场能够看作成二维场。同时考虑大地的影响,根据镜像原理可知,大地表面上感应电荷能够用设置在输电导线与大地成镜像关系位置上的镜像模拟电荷等效代替【53】。采用无限长线电荷等效输电导线的电荷。由于导线距离地面高度h远远大于输电导线半径r,可认为模拟电荷位于导线的中心位置。设聆根单位长度导线的相电压分别为／,t,,甜2,．一,甜。,则对应等效电荷r,,f’,．一,r。的大小可由以下矩阵方程求得:rl丁2●:●:f,7丑1⋯^胛如1⋯心肝厶1⋯九胛”1扰2●:●:”"(3．1)式中:M一一等效电荷大小矩阵;M一一导线对地电压矩阵;J五I一～胛根输电线的刀阶电位系数方阵。输电线的电位系数矩阵由自电位系数矩阵和互电位系数矩阵组成,可由镜像法求出。令地面作为参考0电位平面,用i,,表示相互平行的实际导线,用i’,,表示它们的镜像,尸(x,Y)点为空间任一点坐标,如图3．1所示。重庆大学硕士学位论文3输电线路电场仿真分析及安全距离确定互,一一一一一●_l一一一一。R,囊一∥:＼＼竺≤善丁≥亢兀7乒。威、:DoN＼＼-,’＼＼图3．1输电导线电位系数计算示意图Fig．3．1Schematicdiagramofthecalculationofpotentialcoefficientfortransmissionline假定空间任一点P(x,Y),则第i根导线上单位等效线电何44-"f,在该点产生的电场强度可经过高斯定理求得:E,2丽"ffi(3·2)式中:d妒一一导线i到P点的距离。如果考虑大地效应时:E2去27rec去d一专B3,E．=上(二一二-)(3．3)。、,。D,。7式中:D。一一导线i的镜像位置与点P的间距。因此船根导线在空间任意点尸产生的合成电场强度能够根据叠加原理求出:E2喜去c古一瓦1)B4,在计算设定的二维直角坐标系中,假设X轴与地面平行,Y轴与地面垂直,则电场强度E,的水平和垂直分量分别表示为:驴去豁三二苎+y)2+(x,一x)2万满X+而(yf—y)‘+(,一x)‘(y+Y+YiYi)2+(xi—x)2(3．5)(3．6)式(3．5)～(3．6)中X,为导线i的横坐标,相应的Y,为导线i的纵坐标。考虑到计算中是用复数形式表示导线上所带电荷,因此也要用复数形式表示电场强度的水平分量E,和竖直分量E一重庆大学硕士学位论文3输电线路电场仿真分析及安全距离确定●”Ex=ExR+jEd=∑喊xR+甄I、)o-、)『-1●"E,=E加+．iE∥=∑(岛_R+jE们)‘(3．8)『_1式(3．7)～(3．8)中,R、1分别表示复数的实部和虚部。因此空间任一点P点的合成场强E的为:●●●_÷-+E=E+E。=(Exe+互”)x+(E馏+Ev,)Y(3．9)式(3．9)中x,Y分别为x、Y轴的单位矢量。3．2．2500kV输电线下方电场计算实例根据上述分析,以500kV三相输电线路为例,计算输电线下方电场分布,如图3．2所示。该线路采用水平排列的单回线方式,其中导线相间距离D=15m,避雷线与中相的间距D,=12m,导线中心距地高度日=18m,避雷线离地高度H。=24m,导线采用4分裂结构,分裂导线间距R=0．45m,次分裂导线半径r=0．0148m,避雷线的半径为r’=0．0054m。根据前文建立的数学计算模型,利用模拟电荷法对输电线下方电场分布进行仿真计算,取离地高度为1．5m处作为考察范围。图3．2500kV单回水平排列线路示意图Fig．3．2Modelof500kVsingleloopandhorizontalarrangementline输电线下方电场分布仿真结果如图3．3所示。重庆大学硕士学位论文3输电线路电场仿真分析及安全距离确定(a)水平方向场强分布,。’、～,’弋／jj?、＼～．厂x(m)(b)竖直方向场强分布、夕‘j、;／一、＼卜x(m)(c)合成场强分布图3．3500kV单回水平排列线路下方电场分布Fig．3．3Electricfielddistributionunder500kVsingleloopandhorizontalarrangementline由图3．3计算结果可知,在x=±23m时,合成电场E≈3．9kV／m,因此距离中心导线左右各23m以外的区域,电场符合国家关于人体在工频电场曝露限值4kV／m的要求;由于电压对称的特点,单回水平排列输电线路地面附近电场是对称分布的;竖直方向场强分量在地面附近的合成电场强度中占主导地位;在输电导线边相外侧1-2m正下方附近出现电场强度的峰值,此后电场将沿着边相导线以外则呈明显的下降趋势。这些分析为工频电场环境影响评估提供了数学依据。以上分析都是基于输电线路电压对称的情况考虑的。如果线路出现故障,将会造成电压不对称。经过采用模拟电荷法对高压输电线路下方工频电场的分布规律重新进行计算,能够为高压或特高压输电线路状态诊断提供有效的工具。3．2．3故障状态电场计算①输电线路缺相时电场的分布根据上述分析,我们能够经过对比故障前后电场的变化规律的来判断超高压输电线路的运行状态,实现对故障判断的非接触式测量l”1。下面针对输电线缺相现象进行分析。计算A、B、C三相分别缺相与正常状态时各自电场的分布情况,取离地面1．5m处为判断位置,将缺相情况的电场分布与线路正常时的电场分布进行对比,经过判断出它们之间存在差异,从而逆向判断输电下运行状态。输电线路缺相时电场分布仿真结果如图3．4所示。重庆大学硕士学位论文3输电线路电场仿真分析及安全距离确定(a)水平方向场强分布)((m)(b)竖直方向场强分布)((m)(c)合成场强分布型!!|¨⋯一A相接地⋯⋯一B相接地⋯c相接地一电压正常}图3．4输电线路缺相与正常状态电场对比图Fig．3．4Electricfieldcomparisonchartoftransmissionlineswithphaselossandnormalstate由图3．4能够看出在同一高度,场强分布是连续且对称分布的,从．10m～10m范围内水平方向的故障相电场与正常状态相比变化比较明显。如果我们依次从左到右测量几点,经过测得的场强与正常状态的场强进行比较,就能够判断出来高压输电线是否处于缺相状态。②输电线路相位异常时电场的分布下面针对输电线相位异常现象进行分析。计算A、B、C三相相位分别异常时与正常状态时各自电场的分布情况,取离地面1．5m处为判断位置,将相位异常时的电场分布与线路正常时的电场分布进行对比,经过判断出它们之间存在差异,从而逆向判断输电下运行状态。输电线相位异常时电场分布仿真结果如图3．5所示。重庆大学硕士学位论文3输电线路电场仿真分析及安全距离确定(a)水平方向场强分布)((m)(c)合成场强分布)((m)|¨一A相相位异常⋯⋯一B相相位异常⋯c相相位异常——相位正常图3．5输电线路相位异常与正常状态电场对比图Fig．3．5Electricfieldcomparisonchartoftransmissionlinewithabnormalphaseandnormalstate由图3．5中能够看出在同一高度,场强分布是连续且对称分布的,从．10m～10m范围内竖直方向的故障相电场对比正常状态变化比较明显。我们如果依次从左往右分别测量几个点的电场,然后经过这几点场强的变化规律就能够判断出来高压输电线电压相位是否异常。经过测量高压输电线下方的工频电场,根据在不同故障条件下工频电场强度的相应特点,从而判断出输电线路的运行状态。这种非接触式测量方法为判断输电线故障状态提供了一种新的思路,对在故障检修中保障作业人员的人身安全起到重要作用,经过必要的理论研究和实验验证,能够推广至超高压输电线路电压非接触式测量领域或者是作为高压输电线路故障状态判断的辅助分析工具,对线路状态监测具有重要的理论意义。3．3输电线路安全距离安全距离是指作业人员在确保安全的前提下,与带电体之间所应保持的各种最小空气间隙距离的总称,具体地说安全距离主要包括5种,分别为:最小安全距离、最小对地安全距离、最小相间安全距离、最小安全作业距离和最小组合间隙距离【56I。中国对于架空线路带电作业安全距离及组合间隙的计算方法的依据准则为GB／T19185．交流线路带电作业安全距离计算方法【57|,相应的计算过程如下:最小电气安全距离D”重庆大学硕士学位论文3输电线路电场仿真分析及安全距离确定D『,=2．17le‰”108锨”一1(3．10)最小安全距离D:D=D,,+D,(3．11)最小组合间隙S:S=krq,+F(3．12)其中:U,。％一90％统计耐受冲击电压的峰值。k,一各种影响间隙绝缘强度因素的综合系数。D。一人体在带电作业中的活动范围,一般其取值范围为0．2～1．0m。k,一中间电位导体对间隙放电的影响系数,一般其取值范围为1．0～1．2。,一带电作业中间电位导体占位长度,一般其取值范围为O．2～1．0m。对五种安全距离的大小,国标DL409．91<电业安全工作规程(电力线路部分)>分别作了如下相应的规定[58]。3．3．1最小安全距离带电作业最小电气距离与作业人员允许活动范围之和称为最小安全距离。<电业安全工作规程(电力线路部分)>对最小安全距离规定如表3．1所示。表3．1人与带电体的安全距离Table3．1Asafedistanceofhumanandchargedbody3．3．2最小对地安全距离作业人员在进行等电位作业时,为了提高带电作业安全系数,与最近接地导体之间应保持的临界距离称为最小对地安全距离。<电业安全工作规程(电力线路部分)>规定,等电位作业中最小对地安全距离与地电位作业人员对带电导体的最小安全距离相等。3．3．3最小相间安全距离等电位作业时,在保证安全裕度的前提下,作业人员与相邻带电导线之间应保持的最d,TE离称为最小相间安全距离。<电业安全工作规程(电力线路部分)>中,对最小相间安全距离规定如表3．2所示。重庆大学硕士学位论文3输电线路电场仿真分析及安全距离确定表3．2最小相间安全距离Table3．2Aminimumsafedistanceofadjacentphaseconductor3．3．4最小安全作业距离在进行地电位作业时,为了保证人身安全,作业人员与带电导体之间应保持的最小距离称为最小安全作业距离。这个距离是在充分考虑人体在工作中要有必要活动范围的基础上规定的。在保证最小安全距离的前提下,增加一个约为0．5m的人体合理活动范围是确定最小安全作业距离的基本原则。3．3．5最小组合间隙当作业人员在组合间隙中作业时,如果处于最低的50％操作冲击放电电压位置,这时人体相对带电导体与接地导体都存在一定距离,这两个距离的总和称为最小组合间隙。<电业安全工作规程(电力线路部分)>中,对最小组合间隙距离的规定如表3．3所示。表3．3最小组合间隙Table3．3Aminimumsafedistanceofcomplexgap3．4安全距离确定3．4．1安全距离确定的理论方法[59。60】当前常见的确定安全距离的理论方法有惯用法与统计法两种判断方法。以前都是采用惯用法对不同电压等级的安全距离进行确定。惯用法是以绝缘的最低耐受强度是否大于系统最大过电压作为判断依据。选择合理的裕度系数是惯用法研究的关键问题,往往安全裕度过大会使得判断数据过于保守,相反安全裕度太小又有可能出现安全问题。国际电工委员会绝缘配合导则中指出,采用惯用法确定安全距离是很武断的,因为最低耐压强度和最大过电压都是经过估计来确定它们的具体数值,可是它们都是随机变量,没有一个严格数学表示式能够遵循,因此无法准确的估算。统计法是按数理统计的规则,将绝缘在过电压下发生放电的概率作定量描述。统计法将危险率定义成一个能够用来表示放电的概率的参数,同时制定出一个能被普遍接受的危险率指标,用它作为衡量安全水平的高低和选择绝缘尺寸的安全重庆大学硕士学位论文3输电线路电场仿真分析及安全距离确定指标;建立在具有正态分布特征的统计法,是个两全其美的好办法,既安全又节约材料。它与了惯用法不同,它使一系列极端情况不会同时出现,避免绝对安全这种虚假的情况的发生,因此,在选择合适绝缘尺寸的情况下,用统计法确定高压输电线路的带电作业安全距离,会获得更加合理的技术和经济效果。在带电作业中,有关安全距离和组合间隙,一般使用危险率R。来检验其安全性,危险率B可由下式计算求得:R=i1f蜀(u)易(u)如(3．13)式(3．13)中,R(U)表示操作过电压幅值的概率密度分布函数,B(∽表示空气间隙在幅值U的操作过电压下击穿的概率密度分布函数‘611,它们分别为:1一三(!生兰生)zPo(U)=÷·P2吼’(3．14)黔￡赤i掣du(3．15)其中:U。一操作过电压的平均值;仃。一操作过电压标准偏差,一般取仃。=0．12;(3-,,一绝缘放电电压标准偏差,一般取O-。=0．06;U;。一空气间隙50％放电电压;U。一最大相电压。近些年来国内许多相关论文相继从不同角度对惯用法和统计法加以论证,均认为采用统计法能够更为合理地确定安全距离,并认为有关部门提出的对危险率指标采用R≤10。作为判据是合理的。这个问题也在带电作业专委会二届二次学术会议上得到了讨论,会议基本取得一致意见:采用统计法确定带电作业安全距离时,能够把R≤10。5作为危险率指标的判断判据。3．4．2安全距离确定的技术方法确保输