基于等效電容的高壓輸變電工程工頻電場測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.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072；2.中國測試技術研究院，四川 成都 610021)

基于等效電容的高壓輸變電工程
工頻電場測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.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072；2.中國測試技術研究院，四川 成都 610021)

為研究環境濕度造成高壓輸變電工程工頻電場測量系統產生較大誤差的機理，降低在高濕度環境下（相對濕度＞50%)測量系統的誤差，該文通過分析測量等效電路結合現場實測數據的方法，研究測量系統介入前后等效電路的變化與實測結果的關系。發現在高濕度環境下工頻電場測量系統介入后，傳感器支架等效電容的改變是導致該電場測量誤差的主要原因。工頻電場的測量結果與傳感器支架等效電容成正比，并實驗驗證了可以通過改善支架電性能的方法提高測試系統的準確性。該研究對高濕度環境下現有輸變電工程工頻電場強度測量方法的改進和推進相關標準的制定和修訂具有參考意義。

輸變電工程；工頻電場測量；誤差分析；濕度

0 引 言

高壓輸變電工程工頻電場是環評和環保驗收工作中的一項重要指標[1]，眾多學者通過仿真、計算等方式對其計算方法、測量方法、抑制措施等方面進行了研究[2-12]，對用于工頻電場測量的設備性能進行了規定[13]，并制定了詳細的測量方案[14-17]。但在部分天氣狀況下實際測量結果仍存在較大的誤差，尤其是在高濕度（相對濕度＞50%)環境下，已有的研究發現[18-24]環境濕度對工頻電場測量值影響很大，測得值最高可達正常值的8倍。但對于導致測量系統產生較大誤差的機理仍然不清楚。

為了分析誤差來源，確定誤差因素，研究其機理，提出降低測量系統誤差的措施，本文通過分析測量等效電路的方法剖析測量過程產生誤差的原因，通過高濕度環境下的實測數據來印證理論分析的合理性，以期探尋改善工頻電場測量誤差的相應措施。

1 線路參數和測試系統

1.1 線路參數

在四川某500kV線路下進行現場測試，分別選擇低濕度、高濕度天氣條件進行多次測試，相對濕度范圍為29.1%～64.5%，環境溫度范圍為23.2～39.3℃。線路參數與測點位置示意圖見圖1。

圖1 線路參數與測點位置示意圖

圖中，P點為測量點，將其布置在A相導線（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，運行電壓為525 kV，輸電線路導線型號為LGJ-500/45。

1.2 工頻電場測量系統

目前，用于高壓輸變電工程工頻電場測量的設備一般情況下每年要進行量值校準，但多數開展此類設備校準的單位在對其進行校準時并不會將實際測量中用到的傳感器支架包含在被校準系統中。這可能導致設備校準時測量結果是準確的，而使用包含了傳感器支架的測量系統在現場測量時測量結果不準確。

工頻電場測量系統包含測量傳感器、數據顯示單元、數據傳輸線（光纖)和傳感器支架。采用narda公司生產的EHP-50系列傳感器，它是目前國內使用較為廣泛的用于輸變電工程工頻電場監測的傳感器。傳感器支架為其配套的專用測量支架，主要材質為木質,表面有透明涂層。

傳感器內部電場強度測量電容結構如圖2所示，亮色金屬部分為3個正交布置的測量電容。

圖2 傳感器電場強度測量電容（x、y、z 3個方向)

2 等效電路

2.1 未進行測量時的等效電路

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

圖3 未進行測量時的等效電路

2.2 測量系統介入時的等效電路

進行測量時的等效電路如圖4所示，高壓輸電線路、測量傳感器測量電容上下極板、傳感器支架、大地組成了3個電容，這3個電容上的分壓和等于U。

C1是測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，近似無窮大；C2是測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，近似無窮大；C3是測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；傳感器懸空時的等效電路與圖3相同，但其間的變化是從支架變為空氣。

3 理論分析和實測驗證

3.1 工頻電場測量原理

從圖2可以看出，傳感器電場測量部分主要是由3個正交的電容組成，以測量3個方向（x、y、z)的電場強度。基本原理是測量電容上下極板間的電壓Ui以計算出各方向的電場強度Ei，Ui的數值正相關于對應方向的電場大小。其中垂直于地面的電場強度為Ez，對應測得的電壓為圖4中C2電容兩端的電壓。

3.2 等效電容電路分析

設定圖4中C1、C2、C3電容上的分壓分別為U1、U2、U3，根據電壓分壓原理可得：

圖4 進行測量時的等效電路

可以看出，傳感器測量電容C2上的分壓U2與電容C3正相關，即在測量系統介入時，傳感器支架的電容越大，傳感器測量電容測得的分壓越大，電場強度測得值越高。

3.3 高壓輸電線路下電場分析

根據本課題組以及已有的研究發現，高濕度環境下（相對濕度＞50%)輸變電工程工頻電場強度測得值會因環境濕度增長而明顯增大，最高可達正常值的8倍。彭繼文等[19]根據靜電場理論分析了輸電線路下空間電場與空間介質無關，與線路電壓和空間位置有關；國際大電網會議第36.01工作組推薦的等效電荷法計算高壓送電線路下空間工頻電場強度的方法，也表明了輸電線路下空間電場與空間介質無關。工頻電場測量設備傳感器經過校準證明測量誤差與傳感器本身無關。從圖3和圖4的等效電路來看，進行測量時相對于未進行測量時的等效電路發生了較大變化，測得值變大的原因也有可能是因為測量系統的介入造成了電場的畸變。

3.4 實測數據驗證

為了驗證高濕度環境下工頻電場測得值的變化與測量系統介入前后的相關性，本文分別在不同環境濕度條件下，利用原測量系統在500kV輸電線路下平坦地形上同一地點、同一運行電壓工況下進行了現場測量。同時采用傳感器懸空的方式進行對比測量，并將二者的測量結果與理論計算值（理論計算值是利用參考文獻[16]中的計算方法，根據圖1中的線路參數、傳感器高度155cm、運行電壓525 kV計算得到)進行對比。測量結果與計算結果如表1所示。

表1 不同方式測量工頻電場強度測得值與理論值對比

從表中數據可以看出，傳感器懸空實測的數據與環境濕度無明顯關系，考慮到線路空間坐標參數的測量誤差，該實測的數據與理論計算值較為接近。這一實測結果驗證了輸電線路下空間電場與空間介質無關的結論。根據對圖4的等效電路分析，傳感器懸空時與用支架支撐時的區別在于增加了支架這一介質而導致電容C3變化，結合對表中原系統測得值與懸空傳感器測得值數據分析表明，支架是高壓輸電線路工頻電場測量中重要的誤差因素。

3.5 實驗室電場強度和支架電容對應測試

為了驗證支架電容對工頻電場強度測得值的影響，本課題組在實驗室測試了支架的等效電容，并利用支架在交流電場中進行了工頻電場測試。不同支架的等效電容與電場強度的對應測試結果見表2。

表2 不同支架等效電容測得值及對應電場強度測得值

表中的試驗數據很好地表明了支架電容對工頻電場測得值的影響趨勢，支架電容越大，工頻電場測得值越大，這對下一步研究用于工頻電場測量的支架性能提供了一種思路。

4 結束語

1)高壓輸電線路下空間電場不會因環境濕度的變化而變化，但會因測量系統的介入（主要是支架)在濕度的影響下而導致工頻電場分布發生變化。

2)工頻電場測量設備傳感器支架的電容隨濕度的增加而增大，傳感器測量電容上測得的分壓亦變大，從而導致工頻電場測得值變大。

3)實驗證實可以通過降低支架的等效電容而降低高壓輸電線路下工頻電場的測量誤差。

因此，改善支架性能，研究低電容且適合高濕度環境下的支架，是降低工頻電場測量結果受環境濕度影響的重要目標之一。

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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，高級工程師，碩士，主要從事電力環境測量及治理工作。

（編輯：商丹丹）