兰新生，丁登伟，王志高，马轲瀛，周易谦，王 巍，何 良，王 杰

（1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072；2.中国测试技术研究院，四川 成都 610021)

基于等效电容的高压输变电工程
工频电场测量误差分析及改善措施研究

兰新生1，丁登伟1，王志高1，马轲瀛2，周易谦1，王 巍2，何 良1，王 杰1

（1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072；2.中国测试技术研究院，四川 成都 610021)

为研究环境湿度造成高压输变电工程工频电场测量系统产生较大误差的机理，降低在高湿度环境下（相对湿度＞50%)测量系统的误差，该文通过分析测量等效电路结合现场实测数据的方法，研究测量系统介入前后等效电路的变化与实测结果的关系。发现在高湿度环境下工频电场测量系统介入后，传感器支架等效电容的改变是导致该电场测量误差的主要原因。工频电场的测量结果与传感器支架等效电容成正比，并实验验证了可以通过改善支架电性能的方法提高测试系统的准确性。该研究对高湿度环境下现有输变电工程工频电场强度测量方法的改进和推进相关标准的制定和修订具有参考意义。

输变电工程；工频电场测量；误差分析；湿度

0 引 言

高压输变电工程工频电场是环评和环保验收工作中的一项重要指标[1]，众多学者通过仿真、计算等方式对其计算方法、测量方法、抑制措施等方面进行了研究[2-12]，对用于工频电场测量的设备性能进行了规定[13]，并制定了详细的测量方案[14-17]。但在部分天气状况下实际测量结果仍存在较大的误差，尤其是在高湿度（相对湿度＞50%)环境下，已有的研究发现[18-24]环境湿度对工频电场测量值影响很大，测得值最高可达正常值的8倍。但对于导致测量系统产生较大误差的机理仍然不清楚。

为了分析误差来源，确定误差因素，研究其机理，提出降低测量系统误差的措施，本文通过分析测量等效电路的方法剖析测量过程产生误差的原因，通过高湿度环境下的实测数据来印证理论分析的合理性，以期探寻改善工频电场测量误差的相应措施。

1 线路参数和测试系统

1.1 线路参数

在四川某500kV线路下进行现场测试，分别选择低湿度、高湿度天气条件进行多次测试，相对湿度范围为29.1%～64.5%，环境温度范围为23.2～39.3℃。线路参数与测点位置示意图见图1。

图1 线路参数与测点位置示意图

图中，P点为测量点，将其布置在A相导线（三相中高度最低)地面投影线上，传感器中心位置距地面高度约为155 cm；线路为同塔双回逆相序排列，运行电压为525 kV，输电线路导线型号为LGJ-500/45。

1.2 工频电场测量系统

目前，用于高压输变电工程工频电场测量的设备一般情况下每年要进行量值校准，但多数开展此类设备校准的单位在对其进行校准时并不会将实际测量中用到的传感器支架包含在被校准系统中。这可能导致设备校准时测量结果是准确的，而使用包含了传感器支架的测量系统在现场测量时测量结果不准确。

工频电场测量系统包含测量传感器、数据显示单元、数据传输线（光纤)和传感器支架。采用narda公司生产的EHP-50系列传感器，它是目前国内使用较为广泛的用于输变电工程工频电场监测的传感器。传感器支架为其配套的专用测量支架，主要材质为木质,表面有透明涂层。

传感器内部电场强度测量电容结构如图2所示，亮色金属部分为3个正交布置的测量电容。

图2 传感器电场强度测量电容（x、y、z 3个方向)

2 等效电路

2.1 未进行测量时的等效电路

未进行测量时的等效电路如图3所示。C0是输电线路与大地组成的电容，大小约为皮法级，电容的电压等于U；R0为等效电阻，近似无穷大。

图3 未进行测量时的等效电路

2.2 测量系统介入时的等效电路

进行测量时的等效电路如图4所示，高压输电线路、测量传感器测量电容上下极板、传感器支架、大地组成了3个电容，这3个电容上的分压和等于U。

C1是测量传感器上极板与输电线路组成的电容，其间是空气，R1是等效电阻，近似无穷大；C2是测量传感器上极板与下极板组成的电容，其间是填充物，估值为200～300pF，R2是等效电阻，近似无穷大；C3是测量传感器下极板与大地组成的电容，其间主要是支架，一般绝缘材料制作的支架等效电容大约为0.1～10 pF之间，R3是等效电阻，近似 100 GΩ；传感器悬空时的等效电路与图3相同，但其间的变化是从支架变为空气。

3 理论分析和实测验证

3.1 工频电场测量原理

从图2可以看出，传感器电场测量部分主要是由3个正交的电容组成，以测量3个方向（x、y、z)的电场强度。基本原理是测量电容上下极板间的电压Ui以计算出各方向的电场强度Ei，Ui的数值正相关于对应方向的电场大小。其中垂直于地面的电场强度为Ez，对应测得的电压为图4中C2电容两端的电压。

3.2 等效电容电路分析

设定图4中C1、C2、C3电容上的分压分别为U1、U2、U3，根据电压分压原理可得：

图4 进行测量时的等效电路

可以看出，传感器测量电容C2上的分压U2与电容C3正相关，即在测量系统介入时，传感器支架的电容越大，传感器测量电容测得的分压越大，电场强度测得值越高。

3.3 高压输电线路下电场分析

根据本课题组以及已有的研究发现，高湿度环境下（相对湿度＞50%)输变电工程工频电场强度测得值会因环境湿度增长而明显增大，最高可达正常值的8倍。彭继文等[19]根据静电场理论分析了输电线路下空间电场与空间介质无关，与线路电压和空间位置有关；国际大电网会议第36.01工作组推荐的等效电荷法计算高压送电线路下空间工频电场强度的方法，也表明了输电线路下空间电场与空间介质无关。工频电场测量设备传感器经过校准证明测量误差与传感器本身无关。从图3和图4的等效电路来看，进行测量时相对于未进行测量时的等效电路发生了较大变化，测得值变大的原因也有可能是因为测量系统的介入造成了电场的畸变。

3.4 实测数据验证

为了验证高湿度环境下工频电场测得值的变化与测量系统介入前后的相关性，本文分别在不同环境湿度条件下，利用原测量系统在500kV输电线路下平坦地形上同一地点、同一运行电压工况下进行了现场测量。同时采用传感器悬空的方式进行对比测量，并将二者的测量结果与理论计算值（理论计算值是利用参考文献[16]中的计算方法，根据图1中的线路参数、传感器高度155cm、运行电压525 kV计算得到)进行对比。测量结果与计算结果如表1所示。

表1 不同方式测量工频电场强度测得值与理论值对比

从表中数据可以看出，传感器悬空实测的数据与环境湿度无明显关系，考虑到线路空间坐标参数的测量误差，该实测的数据与理论计算值较为接近。这一实测结果验证了输电线路下空间电场与空间介质无关的结论。根据对图4的等效电路分析，传感器悬空时与用支架支撑时的区别在于增加了支架这一介质而导致电容C3变化，结合对表中原系统测得值与悬空传感器测得值数据分析表明，支架是高压输电线路工频电场测量中重要的误差因素。

3.5 实验室电场强度和支架电容对应测试

为了验证支架电容对工频电场强度测得值的影响，本课题组在实验室测试了支架的等效电容，并利用支架在交流电场中进行了工频电场测试。不同支架的等效电容与电场强度的对应测试结果见表2。

表2 不同支架等效电容测得值及对应电场强度测得值

表中的试验数据很好地表明了支架电容对工频电场测得值的影响趋势，支架电容越大，工频电场测得值越大，这对下一步研究用于工频电场测量的支架性能提供了一种思路。

4 结束语

1)高压输电线路下空间电场不会因环境湿度的变化而变化，但会因测量系统的介入（主要是支架)在湿度的影响下而导致工频电场分布发生变化。

2)工频电场测量设备传感器支架的电容随湿度的增加而增大，传感器测量电容上测得的分压亦变大，从而导致工频电场测得值变大。

3)实验证实可以通过降低支架的等效电容而降低高压输电线路下工频电场的测量误差。

因此，改善支架性能，研究低电容且适合高湿度环境下的支架，是降低工频电场测量结果受环境湿度影响的重要目标之一。

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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

兰新生（1979-)，男，河南郑州市人，高级工程师，硕士，主要从事电力环境测量及治理工作。

（编辑：商丹丹）