预警装置电场测量中湿度影响分析

荀道玉 刘青 朱聪 葛韦廷 南京工程学院

引言

随着输电线路覆盖面不断扩大和输送的电压等级的不断提升。社会各界对输变电设施电磁环境问题广泛关注。现在居民区的输电方式主要还是空中架线，但随着用电遍及度越高，输电线路离居民的住所就越近，这会引起大多数居民对高压输电线路工频电场和工频磁场对其生活或身体的担忧。

为了减少人们对电力环保问题的投诉和消除人们的担忧，线路架设验收部门把工频电场强度作为电力工程环保验收评价的重要指标，对于电力工程环境保护工作的评判具有重要的意义。

在工频电场强度的现场测量过程中发现，同一输电线路在相同运行工况、同一测点使用同一测量设备在不同环境湿度下测试时，工频电场强度测量结果会有很大的差别，且与国际大电网会议推荐方法的计算值相差甚远。据研究发现，环境湿度从两个方面使测量结果与正常情况差别较大。一是影响测量设备的电场强度传感器；二是改变输电线路对地电场的强度分布。但现有研究对此分歧较大，并没有详细说明影响电场强度测量值的主要原因。本文主要是对两者进行影响程度的评定，确定湿度影响电场强度测量的主要原因。

1、工频电场强度的测量与湿度的关系

首先对测量对象进行科学合理的假设。由于水平架空线路中电压与电流的频率都为50Hz，相对应的波长λ为6000km，根据天线理论可知，只有发射天线的物理尺寸达到或接近，才能使得电磁波空间发射能力最强，目前任何一条高压输电线路均远远小于此尺寸，因此电力线路向周围的电磁波发射能力是极弱的，稍远距离的电磁场强度几乎检测不到存在。对于距电力线路数米或数百米的距离r处而言，由于r＜＜λ，故架空电力线路附近的电场和磁场呈现典型的“近场区”特征。此特征为：（1）似稳场，即区内电磁场与源（导线处）的相位差小到可以忽略的程度，基本没有空间移动的迹象，不会呈现向空间传送电磁波的现象。（2）准静态场，即区内电场与磁场的特征与静态场几乎完全相同，可用静态场来求解，电场与磁场基本相互独立。（3）感应场，即区内磁场随距离呈1/r2规律、电场以1/r3规律迅速衰减，电磁辐射能量极小。

1.1 工频电场的理论计算模型

依据相关文献和资料，可计算得出电力线路附近电场强度水平和垂直分量的近似计算公式：

式中，y为电力线对地投影到观测点的距离，I为电力线中的交变电流，h为电力线平均架设高度，z为观测点高度，，σ为大地的视在电导率，为角频率，为大地传播常数，为特征参数，为第1 类0 阶贝塞尔函数。

1.2 线路工频电场的理想模型及其分布与湿度的关系

输电线路电场相对于下方地面是一个对地电容。在静电场下，容易得到：

电容表达式：

输电线路电场强度表达式：

其中，Q 表示线路表面的电荷量；U 表示线路的施加电压，d 为电容极板的距离，p 为电荷密度，k 则是静电力常量，

我们可以推算出：

L 为单位输电线路长度。

从式(5)可以看出，输电线路在空间某点所产生的空间电场只与线路的施加电压和该点的空间位置有关，而与空间介质无关。

由理论分析得：输电线路下方工频电场强度的分布与空间湿度的大小并无直接关系，湿度大小也只是仅仅改变实际介电常数得大小。但是，根据在实际的测试过程中发现，随着湿度的增大，所测点处工频电场也随之增大。根据研究发现，当空气的相对湿度较小时，工频电场随环境相对湿度的变化较小，而当相对湿度较大时，工频电场随环境相对湿度的变化较大，且近似呈指数增加。

1.3 湿度对检测设备得测量的影响

目前，在我国根据中华人民共和国国家标准《工频电场测量》考虑了三种类型的测量电场强度的仪器：（1）悬浮体型（2）地参考型（3）光电型。然而国内外环评监测所采用的工频电场测量仪器大多都是悬浮体场强仪。悬浮体场强仪的工作原理主要是测量引入到被测电场的一个孤立导体两部分之间的工频感应电流和感应电荷。它用于在地面以上的地方测量空间电场，并且不要求一个参考电位，且便于携带。在实际的测量电路中，由这两部分之间的电容和取样电阻形成回路，测量出电阻上的电压，从而获得工频感应电流。而后利用电场与电流的关系式得出所测工频电场值的大小。

所有的探头考虑为偶极子，当球型探头位于匀强电场内，分开两半球的平面垂直于电场，在一个半球上的感应电荷有效值Q 为：

在环境湿度较大时，水蒸气充斥着整个空间，使得设备整体对地电导增大，从而降低了探头到线路以及探头到大地之间的阻抗。而探头外壳不透水，使其内部的感应电极仍只有电容存在，其在线路探头上极板、探头上极板 探头下极板、探头下极板 大地的分压比例增大，从而能使测量读数变大。同时，在高湿度条件下，可能在场强仪的 2 个传感电极之间形成凝结层，产生较大的泄漏电流，使内部的测量回路局部短路，从而使得所测出的感应电流较大，测出的电场值偏大。

1.4 湿度对绝缘设备的影响

目前广泛使用的工频电磁场测量仪，其绝缘支架大都是木支结构。木制支架长时间处于大湿度环境下会在很大程度上变成了一个突出地面的导电体，木棒中的水分子会在电场强度较大时发生电离现象，且水分子浓度越高，电离现象越明显，所以其介电常数随着湿度的增大在一定范围内呈指数形式增大，导致探头所在位置的电场强度也呈指数形式增大，从而导致仪器的表头读数增大非常明显，且这种增大方式在一定范围内也近似呈指数形式增长。

2、实验室测试

由于外界环境湿度很难控制，为了更加准确的定性分析湿度对测量读数的影响，我们将在实验室湿度控制器的帮助下，对湿度进行等额提升。通过试验分析，当3 种仪器在相对湿度＜60%时，测量值与标准值均相差较小，当相对湿度＞60%时，测量值与标准值相差较大，测量值失真明显。因此应尽量采用憎水性有机绝缘材料或在支架涂抹疏水化合物(硅脂),减小支架绝缘性能受湿度的影响程度，可以有效减少湿度测量数据的影响。

3、结语

本小组竭力研究为高压绝缘近电预警装置的电场测量的主要研究在相对固定的电磁场的计算区域，及激励源的特性，求其场域中场量随时间、空间分布的规律（与场分布），从而得出其与电源的距离。我们研究发现湿度的变化并不会对工频电场本身发生较大的变化。此项研究一旦测出电场的具体数据，将为高压试验杆提供极大的帮助。此研究方法具有较强的实用价值。