工頻電場測量儀支架材質對空間電場影響研究

， ，(.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 6004；2.陜西省智能電網重點實驗室，陜西 西安 70049；3.西安交通大學，陜西 西安 70049)

0 引 言

隨著社會的發展，高壓輸變電設備附近所產生的電場和磁場日益受到關注[1-3]。因為電磁環境問題引起的糾紛常有報道，準確測量電力設備的電磁場具有重要的意義[4]，它關系到設備選擇、設計優化和司法鑒定等方面。

工頻電場測試儀是測量電力設備運行電壓對地表1.5 m高度處電場強度的設備，通常由主機、測量探頭、支撐架等部件組成。其中支撐架頂端距離地面1.5 m，測量探頭固定在支撐架的頂端。帶電體所在空間的電場分布與其所處空間的介質分布情況有關。為測量空間電場，人為增加了支撐架、測量探頭等與空氣介電常數不一致的物體，這將會改變空間電場，尤其是探頭所在區域的電場[5]。下面通過建立電場測試儀支架的有限元仿真模型，計算不同介電常數的支架對電場測試的影響，分析表明電場測試儀及其附件應取介電常數與空氣接近的材料制作，且應盡量減小材料重量。

圖1 工頻電場測試儀實物

1 有限元分析方法原理

有限單元法(finite-element method，簡稱有限元法)是一種解決工程物理場問題的常用方法[6]。

有限元法求解的基本步驟[7]如下：

1)結構離散化：對整個結構進行離散化，將其分割成若干個單元，單元間彼此通過節點相連。

2)求出各單元的剛度矩陣[K](e)：[K](e)是由單元節點位移量[Φ](e)求單元節點力向量[F](e)的轉移矩陣，其關系式為

[F](e)=[K](e)[Φ](e)

(1)

3)集成總體剛度矩陣[K]并寫出總體平衡方程：[K]是由整體節點位移向量[Φ]求整體節點力向量[F]的轉移矩陣，其關系式為

[F]=[K][Φ]

(2)

這就是總體平衡方程。

如把電極表面取作邊界A，電極以外的空間稱作場域，則當場域中電位φ滿足拉普拉斯方程▽·▽δφ)=0時，場的計算問題成為求取函數φ的邊界值問題。設三維電場區域內，電位函數φ滿足拉普拉期方程：

(3)

對電場測試儀所在場域進行網格剖分，場域分成許多小單元，指定材料相對介電常數ε，并施加邊界條件。

2 有限元分析模型的建立

采用ANSYS MAXWELL建立電場測試儀支架材質對空氣電場影響的分析模型，模型由支架底座、支撐桿、導線組成(為簡化分析，不包括探頭部分)，如圖2所示。

圖2 分析模型三維視圖

圖3 觀察面位置示意

圖4 觀察線位置示意(垂直于地面，穿過支撐桿)

模型中導線電壓為10 kV(對地幅值)，支撐架由底座和支撐桿兩部分組成，支撐桿長度為0.9 m，外徑為20 mm。為了方便對計算結果進行分析，模型選取了一個觀察面和一條觀察線，觀察面及觀察線的相對位置如圖3和圖4所示。

當導線下方未放置電場測試設備及其附件時，空間電場未受到干擾，為標準電場。將此種情況下的電場作為基準與改變支撐桿材質情況下的電場做比較，相關計算結果如圖5所示。

圖5 無電場測試儀情況下的基準計算結果

3 材質改變對空間電場分布影響

采用不同材質的支撐桿進行研究。首先選定底座的材質為環氧樹脂(相對介電常數為3.6)，支撐桿的材質在后續分析中將分別修改為PVC(相對介電常數為2.7)、玻璃(相對介電常數為5.5)和鋁合金(相對介電常數默認為∞)，得到不同材質的支撐桿對空間電場分布的影響。

3.1 PVC

當支撐桿為PVC時，對應的空間電場計算結果如圖6所示。

比較圖5(c)和圖6(c)可知，由于電場測試儀支架的存在，導致觀察線上的電場強度發生了明顯變化，在觀察線由低到高穿越支撐桿的過程中，當其穿越底座下方和穿出支撐桿上方時，電場強度發生了跳變。

圖6 當支撐桿材質為PVC時空間電場計算結果

3.2 玻璃

當支撐桿為玻璃時，對應的空間電場計算結果如圖7所示。

圖7 當支撐桿材質為玻璃時空間電場計算結果

比較圖7(c)和圖6(c)可知，由于支撐桿材料由PVC變化為玻璃，其相對介電常數變大，導致了在介質交界面兩次電場跳變的幅值更大。

3.3 鋁合金

當支撐桿為鋁合金時，對應的空間電場計算結果如圖8所示。

圖8 當支撐桿材質為鋁合金時空間電場計算結果

從圖8可知當支撐桿為鋁合金時，介質交界面上的電場強度發生了最為劇烈的變化(相比支撐桿為玻璃和PVC的情況)，此種情況下支撐桿對空間電場的影響最為嚴重。

4 支撐桿優化設計方案

從上面的分析可知，3種材質的支撐桿中，PVC材質對空間電場分布的影響最小。對于同類型的PVC材質支撐桿，一定還能找到更優化的結構方案。這里采用中空結構的PVC，管外徑保持20 mm不變，管內徑為16 mm，進一步考察空心支撐桿對空間電場的分布影響。計算得到電場分布情況如圖9所示。與圖6相比，采用相同外徑的空心PVC管對空間電場分布影響較小。

圖9 當支撐桿材質為空心PVC時空間電場計算結果

5 結 語

1)電場測試儀支架的材質與空氣有很大差異，兩者交界面處會發生電場跳變。

2)電場測試儀支架材質的介電常數越大，對空間電場強度影響越大，所以應該選用介電常數接近空氣(相對介電常數為1)的材質做為支撐架材料。

3)當采用相對介電常數較低的絕緣材料作為電場測試儀支架時，空心管對空間電場分布影響小于實心棒。

[1] 張晉寅，蔣龍生，趙淼，等.數字式無線工頻電場測量儀的研制[J].高壓電器，2011，47(8): 22-27.

[2] 張婷，方志，陳陶陶，等.球形電場測量系統在高壓測量領域中的應用[J]. 電測與儀表，2007，44(11):11-16.

[3] 李永明，范與舟，徐祿文．超高壓輸電線路鐵塔附近地面工頻電場仿真分析[J]．電網技術，2013，37(3)：782-787.

[4] 黃子璇，席黎明，樊夢旭，等．高壓輸電線下有建筑物時工頻電場計算中模擬電荷設置方法的改進[J]．電網技術，2013，37(3)：788-793．

[5] Thomas A， Bag inski. Hazard of Low-frequency Electromagnetic Coupling of Overhead Power Transmission Lines to Electroexplosive Devices[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,1989,31(4):393-395.

[6] 王澤忠，金玉生，盧斌先．工程電磁場[M]．北京：清華大學出版社，2010：46-48．

[7] Lee B Y，Myung S H，Min S W．An Effective Modeling Method to Analyze Electric Field Around Transmission Lines and Substation Using a Generalized Finite Line Charge[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12(3)：1143-1149．