2. 中国电力科学研究院高电压所, 北京 100192;
3. 国网山西省电力公司检修分公司, 太原 030000
2. High Voltage Department, China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;
3. Maintenance Branch, State Grid Shanxi Electric Power Company, Taiyuan 030000, China
发展建设特高压直流输电线路作为国家重要战略政策,得到了快速的发展[1, 2].而特高压直流输电线路周边的电磁问题日益得到人们的重视,在线路的建造、调试和运行阶段,都需要对线路的电磁环境进行检测.可听噪声、无线电干扰、合成电场等物理量被用来衡量电磁水平[3, 4, 5].
场磨式电场传感器大量地被用于测量输电线路下方的地面合成电场[6, 7, 8, 9, 10].除此之外,场磨式电场传感器在航空航天、大气电场测量与监测[11, 12, 13]、高电压非接触式测量[14]等其他领域也得到了广泛应用.根据IEEE Std 1227TM—1990(R2010)[15]标准的规定,场磨式电场传感器放置在由两个平行电极产生的均匀场中,由于需要产生均匀电场,同时考虑到传感器具有一定的体积,因而需要较大的平行板面积和足够尺寸的平行板间距.两极板间距的增加,一方面使标定装置体积变大,另一方面要求产生电场用的直流电源能输出较高电压,这都会使标定装置整体变得庞大,不适合移动标定的使用[16].直流输电线路下地面合成电场的测量,经常需要电场传感器在偏远地区野外长时间地工作.传感器经过长时间运输或长时间连续工作后,再次使用前,需要对其进行重新标定.为此,传统的大尺寸标定装置存在着诸多不便,给合成电场的准确测量会带来不利影响.因此,非常需要有一种能够便于携带、适用于在野外对相应电场传感器进行准确标定的装置.基于此,本文研发出一种适合于便携使用的小型电场传感器标定装置.
1 设计原理场磨式电场传感器标定装置由两块上下相互平行的金属极板组成,如图 1所示.
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| 图 1 场磨式电场传感器的标定装置Fig. 1 Calibration device for field mill type electric field sensor |
在上、下极板间施加一定的电压U(由外接的直流电源提供),两极板间的电场强度可表征为
根据式(1),可以计算出两极板间电场强度E0的理论值.将被检的电场传感器放入该标定装置中,施加不同大小的直流电压U,可以获得不同的电场强度的理论值,如此,就建立了输出电压与电场强度理论值E0的关系,从而可计算出电场传感器的灵敏度.尽管式(1)中,电场强度的理论值E0仅与极板间距H有关,但由于电场会在上、下极板边缘处发生畸变,使得电场传感器在标定装置中感应到的电场强度的实际值与电场值之间有一定的差距.只有当极板长度与极板间距满足一定条件时[15],放置在两极板中心处的电场传感器测得的电场强度才最接近电场强度的理论值.
本文工作中设计的便携式电场传感器标定装置,其基本结构由两个平行极板构成,标定装置的下极板开有圆孔,并采用特殊夹具固定被检电场传感器.被检电场传感器的动片与标定装置的下极板平齐,使得被检电场传感器无需进入标定装置的上、下极板之间的空间,即可感应到其电场.
2 结构参数的有限元分析基于有限元的相关理论,首先对标定装置的机械结构建立模型,如图 2所示.然后,对几何模型进行单元剖分、加载,可求解出标定装置两极板间的电场分布情况,如图 3和图 4所示.根据求得的电场分布情况,可进行标定装置结构参数的设计.在计算求解过程中,改变加载在两极板间的电压,使两极板间形成的电场强度的理论值始终为20 kV/m.被标定的场磨式电场传感器外壳直径8 cm,感应片直径6 cm,传感器外壳与标定装置的下极板接触.
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| 图 2 标定装置和被检电场传感器的几何模型Fig. 2 Geometric model of calibration device and tested electric field sensor |
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| 图 3 标定装置的剖分图Fig. 3 Mesh diagram of calibration device |
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| 图 4 标定装置极板间电场分布图Fig. 4 Distribution diagram of electric field between two plates of calibration device |
在标定装置的设计上,受限于被检电场传感器的尺寸,以及要考虑标定装置的便携性,把标定装置的极板直径L固定为16 cm.在L固定的条件下,分析H对E的影响,并以此确定极板间距H.依照图 2所建立的模型,取H值分别为1、2、3、4和5 cm,可得到如图 5所示的结果.由图 5可以看出,在极板尺寸(L=16 cm)、以及电场强度理论值20 kV/m不变的条件下,随着极板间距H的增加,极板间电场强度的实际值逐渐接近电场强度的理论值20 kV/m.同时,在感应片的敏感范围(x < 0.03 m)内,电场强度并非恒定值,而是随着与标定装置中心距离的增加发生了畸变.图 6为极板间电场强度实际值的畸变情况.理想情况下,在感应片的敏感范围内,电场强度应保持不变,但由于标定装置中极板边缘效应的存在,使得感应片敏感区域内的电场不是一个恒定值,距离电场传感器的外壳越近,畸变程度越大.定义在感应片敏感范围(x < 0.03 m)内各个位置处电场强度的平均值与理论值之比为电场强度的畸变率,并用该值来衡量电场强度的变化程度.畸变率越小,说明所产生的电场越接近均匀分布.从图 6可以看出,在两极板间距离H=5 cm时,电场的畸变最小.综合图 5和图 6可以看出,H=5 cm时,电场强度的实际值更接近理论计算值,同时电场的畸变率也较低.
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| 图 5 不同H下的标定装置极板间的电场分布Fig. 5 Distribution of electric field between two plates of calibration device with different H |
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| 图 6 不同H下电场传感器感应片上方电场的畸变Fig. 6 Distortion of electric field over sensing plate between two plates of calibration device with different H |
如果固定极板间距H=5 cm不变,使极板直径L分别等于16 cm和32 cm时,感应片上方的电场分布情况如图 7所示,可以看出L的增加对降低极板间电场畸变的作用是微弱的.这与通常认为的H/L的比值越小,极板间电场的畸变越小似乎有所矛盾.这是因为,如果在H/L小于0.5或更小的范围内,电场强度的畸变率都非常小,可认为H/L在此范围内的变化不会对电场造成影响.在上述仿真中,H/L的范围为0.031~0.156(5/16~5/32),远小于0.5.因而L变化造成的H/L的比值变化对电场畸变的影响基本可以忽略.这就解释了图 7中改变H/L比值后的两条曲线基本重合的原因.
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| 图 7 H=5 cm时不同直径极板的电场分布Fig. 7 Distribution of electric field with different L when H=5 cm |
综上,在极板直径固定为16 cm、极板间距为5 cm时,电场强度的实际值与理论值最为接近,且在电场传感器感应片感应区域内电场的畸变最小.同时,在保证H/L小于0.5的条件下,极板直径L对实际电场的影响非常小.
2.2 传感器外壳与标定装置的相对位置当标定装置与被检电场传感器配合不好时,容易使被检电场传感器相对于标定装置发生倾斜,标定装置相对传感器倾斜时的几何模型如图 8所示.模型中,极板直径为16 cm,极板间距为1 cm,倾斜角度为1.5°.标定装置的倾斜,会对被检电场传感器感应片上方的电场分布造成较大影响.图 9是基于图 8的倾斜模型计算得到的感应片上方的电场强度的横向分布.由于相对倾斜后,模型不再对称,因此分析了整个感应片上方(-3~3 cm)的电场强度的横向分布,并将结果与没有相对倾斜时的感应片上方电场分布作了比较.由图 9可以看出,被检电场传感器与标定装置在相对倾斜角为1.5°时的电场的畸变情况,比没有相对倾斜时严重.有相对倾斜时,感应片上方电场分布更加不均匀,因而被检电场传感器与标定装置间的相对倾斜会对标定结果产生较大影响.在标定装置设计中,应使标定装置与被检电场传感器的外壳的直径尽可能接近(极限情况是外径与孔径的差值为零),以使得两者紧密结触,从而保证被检电场传感器与标定装置之间不会发生相对倾斜.
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| 图 8 标定装置相对传感器倾斜时的几何模型Fig. 8 Geometric model when calibration device inclined relative to sensor |
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| 图 9 标定装置与传感器间有相对倾斜时与没有相对倾斜时的电场分布对比Fig. 9 Electric field distribution when calibration device and sensor with and without relative incline |
此外,被检电场传感器的感应片与标定装置下极板的相对位置必须固定.为方便设计,可使被检电场传感器旋转的动片与标定装置下极板处于同一平面.如果两者位置不固定,则感应片所感应的电场也会发生变化,这对标定结果也会产生影响.对被检电场传感器动片(屏蔽片)与下极板平齐,被检电场传感器动片向上偏离下极板1 mm(高度误差1 mm),以及被检电场传感器动片向下偏离下极板1 mm(高度误差-1 mm)这3种情况下,被检电场传感器感应片上方的电场分布进行仿真,3种模型中,极板直径均为16 cm,极板间距均为1 cm.电场传感器与标定装置相对位置变化时感应片上方电场分布的变化仿真结果如图 10所示.由图 10可以看出,传感器动片与下极板位置的改变,会对电场的分布造成影响,位置误差1 mm和位置误差-1 mm所引起的电场强度的最大变化分别为7.3%和5.9%.仿真结果表明,标定装置对位置误差比较敏感.这是因为被检电场传感器的动片是与下极板一起接地的,动片与开有孔的下极板共同构成了标定装置的下极板.被检电场传感与下极板相对位置的变化相当于标定装置极板的间隔发生了变化.因此,在设计标定装置时,必须保证被检电场传感器动片与下极的相对位置保持不变.
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| 图 10 电场传感器与标定装置相对位置变化时感应片上方电场分布的变化Fig. 10 Change of electric field distribution over sensing plate with different relative location between electric field sensor and calibration device |
基于前述仿真分析,本文工作中设计的标定装置的参数如下:L=16 cm,H=5 cm,极板材料为钢,便携式电场传感器标定装置实物如图 11所示.
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| 图 11 便携式电场传感器标定装置Fig. 11 Portable calibration device for electric field sensor |
当输出为-3~+3 kV的可调直流电源加在两极板上时,两极板间的电场强度理论值的范围为-60~+60 kV/m.使用在标准电场标定装置如图 12所示,图中标定好的电场传感器测量本文所设计的便携式标定装置中的实际电场,便携式标定装置产生的实际电场值结果如图 13所示.从图 13中可以看出,实测电场强度与所加电源电压之间有良好的线性关系,同时,实测电场小于理论电场,两者的比值约为0.92,这与图 5给出的仿真结果吻合.在野外的实际标定过程中,保持被检电场传感器与标定装置的位置不变,使得电场强度理论值与实际值的比值保持不变,在此基础上,可以通过加在两极板间的电压计算出电场强度的理论值,进而可根据图 13所示关系,计算出电场强度的实际值.然后,通过电场强度实际值与被检电场传感器输出值两者间的关系,计算出被检电场传感器的灵敏度,实现对被检电场传感器的标定.
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| 图 12 标准的电场传感器标定装置Fig. 12 Standard calibration device for electric field sensor |
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| 图 13 便携式标定装置产生的实际电场强度Fig. 13 Real electric field strength of portable calibration device |
经过较长时间的现场使用,所研发的便携式标定装置能够方便、快捷地对场磨式电场传感器进行校准.目前,该校准装置已经应用于中国电力科学研究院特高压直流实验基地中特高压直流输电线路地面合成电场测量系统中,并已取得了良好的效果.
4 结 论1) 本文给出了标定装置及电场传感器的有限元模型,基于该模型,采用有限元方法对电场传感器标定装置进行了结构参数的分析和设计,所设计的标定装置克服了传统标定装置体积大、不便于移动的缺点.
2) 标定装置两极板间距和极板直径对电场的影响较大,当两极板间距离为5 cm时,产生的电场的畸变率较小.
3) 被检电场传感器与标定装置的相对位置对标定结果影响较大,在实际使用中,两者的相对位置必须固定.
本文工作的研究成果,可为野外长时间地面合成电场测量和监控工作提供良好的基础条件和保障.
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