一种交直流混合电场测量方法及系统与流程

本发明涉及一种交直流混合电场测量方法及系统，属于直流和工频强电感应测量技术和高压工程安全生产领域。

背景技术：

随着我国国民经济的高速发展，电力需求与俱增；同时我国负荷中心与能源中心的逆向分布，使得我国电网建设承担着大范围优化资源配置的重要作用。经济发达地区土地资源稀缺，负荷集中，环境保护压力大，因此将一次能源在能源中心转化为清洁二次能源，再输送到这些区域是缓解这些区域环境压力的主要途径经济发达地区电网密集，使得线路路径越来越紧张，电网建设也逐渐受到线路路径选择的制约，输电用地的拆迁等费用更是日益昂贵，在线路投资中比例越来越大，甚至出现拆迁费远远大于工程造价的情况。而且，华东等局部区域由于线路走廊趋紧张，目前已采取了交流特高压、直流特高压、直流线路极导线垂直配列，双回直流线路同塔架设等工程和技术措施以改善环境和减小对走廊的占用；但输电线路路径选择仍然十分闲难，改造现有输电线路走廊或在线路设计时，使多条超特高压交直流线路同塔架设，有效提高单位走廊输送容量，可有效节省土地资源，减小输电线路环境影响，是线路走廊紧张地区的线路设计的最优选择。

工程上已经提出了特高压交直流线路泡合同塔架设的需求。而输电线路交直流混合架设时，交直流线路导线间距离较小，相互影响使得导线表面电位梯度不同程度的变大，混合线路的电磁环境较单回路交流或直流更为复杂，影响范刚较单回路交、直流线路大。虽然交直流电晕模式不尽相同，但由其产生的电晕噪声、无线电干扰的环境影响、测量方法、评价依据基本相同。而混合架设线路的交流电场和直流合成电场相互影响，形成了一个变化的混合电场。且由于交流电场和直流场对周围环境的影响机理不尽相同，测量仪器、测量方法不同，如何测量、评价混合电场的影响，避免工程运行后出现投诉和纠纷，同时，强电磁场环境中的感应电触电，作业人员轻者造成麻痛，重者造成伤亡。还有就是直接误触高压带电设备触电，这种情况下一定会造成作业人员重伤或死亡。以往人们对于感应电触电的防护采取的主要措施是通过穿绝缘手套和绝缘鞋的方法防止触电，由于感应电电压往往很高，超过普通绝缘手套和绝缘鞋的耐压水平，起不到绝缘效果，而绝缘水平高的手套和鞋，因为太笨拙穿着时无法工作，所以目前对感应电的防护还没有好的办法，导致一线员工在作业过程中经常被感应电伤害。对于现场工作的一线员工误走带电间隔和带电线路造成的直接触电事故的防护，传统的防护方法只是通过加强管理的手段来避免，技术上没有任何措施，一旦发生触电，肯定要造成触电人员的伤亡，是急需解决的制约工程建设的重大问题。因此研究混合架设线路的混合电场具有重大的社会效益和重要的技术经济意义。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种交直流混合电场测量方法及系统。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种交直流混合电场测量方法，包括以下步骤，

步骤1，构建交流电场模型E_AC，构建直流电场模型E_DC；

步骤2，将交流电场模型E_AC和直流电场模型E_DC进行叠加，得到交直流混合电场模型E_h＝E_AC+E_DC；

步骤3，利用交直流混合电场模型计算交直流混合电场。

交流电场模型E_AC通过借助麦克斯韦方程组对交流电场进行垂直和水平方向分别进行投影变换后获得；直流电场模型通过使用多元变量微分方程并进行N项假设后，采用逐步镜像法或模拟电荷法获得。

N＝6，6项假设为：

a)空间电荷只影响场强幅值，不影响其方向；

b)导线表面附件发生电离后，导线表面场强保持在起晕场强值；

c)正负极导线起晕电压相等；

d)不考虑离子的扩散作用；

e)双极线路下正负离子迁移率相同；

f)离子迁移率与电场强度无关，为一常数。

交直流混合电场模型仅考虑了导线表面电场强度的变化，即认为交流电场和直流电场的相互作用仅仅表现在表而电位梯度的影响上；当计算直流分量时，交流导线电位为0，计算交流分量时，直流导线电位为0。

一种交直流混合电场测量系统，包括交流电场传感器、直流电场传感器、第一高倍仪用放大电路、第二高倍仪用放大电路、检波滤波电路、带通滤波电路、第一信号调理电路、第二信号调理电路和单片机；

所述交流电场传感器的输出端与第一高倍仪用放大电路的输入端连接，所述第一高倍仪用放大电路的输出端与检波滤波电路的输入端连接，所述检波滤波电路的输出端与第一信号调理电路的输入端连接，所述第一信号调理电路的输出端与单片机连接，所述直流电场传感器的输出端与第二高倍仪用放大电路的输入端连接，所述第二高倍仪用放大电路的输出端与带通滤波电路的输入端连接，所述带通滤波电路的输出端与第二信号调理电路的输入端连接，所述第二信号调理电路的输出端与单片机连接。

交流电场传感器包括上感应极板、下感应极板、并联电容、上极板接线端子和下极板接线端子；所述上感应极板和下感应极板之间绝缘，所述上感应极板和下感应极板的内侧相对，并且相对的内侧之间设置有并联电容，所述上极板接线端子与上感应极板的内侧连接，所述下极板接线端子与下感应极板的内侧连接，所述上极板接线端子和下极板接线端子为交流电场传感器的输出端。

所述上感应极板和下感应极板均为球面型，凹陷的一侧为内侧。

直流电场传感器包括旋转片、静止片、旋转轴、信号拾取电阻和驱动装置，所述旋转片和静止片同轴平行设置，所述旋转片和静止片之间绝缘，所述旋转片在旋转轴的带动下转动，所述驱动装置驱动旋转轴，所述旋转片接地，所述静止片固定不动，所述静止片通过信号拾取电阻接地。

所述静止片的中心处设置有通孔，所述旋转轴的端部穿过通孔与旋转片连接。

所述旋转片和静止片结构一致，均为每隔一定角度设有扇形孔的圆片。

本发明所达到的有益效果：本发明实现了一种交直流混合电场测量方法及系统，具有具有较高的工程应用及科学研究的使用价值。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明系统的结构框图。

图3为交流电场传感器的结构示意图。

图4为直流电场传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种交直流混合电场测量方法，包括以下步骤：

步骤1，构建交流电场模型E_AC，构建直流电场模型E_DC。

(1)交流电场模型E_AC；

交流电场模型E_AC通过借助麦克斯韦方程组对交流电场进行垂直和水平方向分别进行投影变换后获得；具体思路是：求解三维空间中的麦克斯韦微分方程组，基于水平长导线情况，电磁场仅有水平和垂直两个方向的分量，进一步借助投影变换得到计算公式。

对于水平架空线路来说，产生交流电场的源为线路中的电流，属工频正弦激励，此时在线性媒质、正弦激励且稳态条件下，一般形式的麦克斯韦方程组可归结为不显含时间的复相量表示形式，即任何一个电、磁场量都可以用一个复相量表示，因此正弦稳态情况下的时变电场也简称为时谐电磁场，麦克斯韦方程组可以写成相量形式：

式中，H为磁场强度，J为电流密度，ω为正弦激励角频率，D为电位移矢量，E为电场强度，B为磁感应强度，ρ为电荷密度；以相量形式表征的各场量和源量均仅为空间坐标的函数，其模值为相应正弦量的有效值。例如，实际的时变电场E(t)可由E在时域表示为：

该式为一正弦交变模型，|E|为交流电场峰值，为初相位；

通过解此方程组，可得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，E_x、E_z分别为交流电场水平和垂直分量，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，μ₀＝4π×10^-7H/m，ω为角频率，γ₁为大地传播常数，μ为特征参数，J₀()为第1类0阶贝塞尔函数。

(2)直流电场模型E_DC；

直流电场模型通过使用多元变量微分方程并进行6项假设后，采用逐步镜像法或模拟电荷法获得；理论上是由二维非线性微分方程组及边界条件进行求解，实际上这种合成场强方程无法求解，只有借助于一些合理的假设(6项)将复杂的二维场问题转为沿电力线求解一维的非线性微分方程组的边界值问题进行进一步的求解，使用逐次镜像法维持导线表面成等位面为边界条件，将镜像电荷逐次放置在导线内，导线表面在每一次镜像后都向等电位面趋近一步，在某次镜像后的结果精度满足时，即镜像结束，这个过程即为求解方法，其实质是通过计算机编程方法对电场采用的数值迭代计算。

与交流电场计算相比，直流电场的计算方法相对复杂。直流输电线路的合成电场可以由两部分组成，即输电导线所带电荷产生的静电场和电晕的空间电荷产生的电荷电场，前后两者分别称作标称场和离子流场。所提到的空间电荷是指直流导线表面电位梯度超过电晕场强后，导线发生电晕所产生的电荷，这些电荷在电场力的作用下，向极间区运移，使正负导线之间，正负极导线与大地之间充满了空问电荷。空间电荷密度是牟位体积空间电荷的带电量，是个标量，只有大小，没有方向。合成电场是静电场和电荷电场的迭加，是个矢量，既有大小又有方向，合成场强表征合成电场的大小。合成场强的大小主要取决于导线电晕放电的严重程度，最大合成电场有可能比标称电场(静电场)大很多因而合成电场的大小与导线表面电场强度、电晕起始电场强度有关。当线路的杆塔、导线尺寸确定之后，导线表面电位梯度越高，或电晕起始电场强度越小，导线电晕越严重导致地而合成电场越大。直流输电线路的电场是个复杂的问题，杆塔附近和远离杆塔的导线附近的电场分布不同。在计算分析线路档距中央六成电场时，为简化计算，与交流电场计算相似，假定输电线路导线无限长直，且与地面平行，并取导线最大弧垂点高度为导线对地高度；从而将其产生的电场简化为平面电场问题。

其中标称场的计算是一个二维静电场问题，可以从相关研究中得出下面的标称场强的计算公式：

其中，E_e为标称场强，U是相导线对地电压，单位为kV；h₁为导线对地高度，单位为m；p为极导线间距，单位为m；d_eq为分裂导线等效直径，单位为m；x为距线路中心垂直线路方向的距离，单位为m。

而电荷电场的求解方法较为复杂，需要经过非常繁琐的公式推导，需要建立和求解偏微分方程或积分方程。精确求解偏微分方程的方法是分离变量法；精确求解积分方程的方法是变换数学法。其解是己知函数的显示表达式，可得出精确数值；解可作为近似解和数值解的检验标准；容易找到各参数对结果的影响；改变参数不需要重新推导。有分离变量法精确解法、格林函数法(精确、半解析、数值解法)、保角变换法(精确解法)、积分变换法。这里简单介绍公式推导方法和结论。由于离子流场的存在和空间电荷分布非线性，使得合成电场强度也呈现非线性，需进行一些合理的假设以便计算电场强度的精确解。合成电场E_s、空间电荷密度ρ和离子电流密度J满足以下求解合成电场基本的三个公式：

▽·E_s＝-ρ/ε

J＝KρE_s

▽·J＝0

式中，ε为介电常数；K为平均离子迁移率。

由于所描述的有空间电荷的合成场强方程是非线性的，这利合成场强方程无法求解，做出以下假设：

a)空间电荷只影响场强幅值，不影响其方向；

b)导线表面附件发生电离后，导线表面场强保持在起晕场强值；

c)正负极导线起晕电压相等；

d)不考虑离子的扩散作用；

e)双极线路下正负离子迁移率相同；

f)离子迁移率与电场强度无关，为一常数。

在以上6个假设成立的条件下，可以对上述电荷电场强度公式进行求解，此时该电场的求解方法很多，可以采用逐步镜像法或模拟电荷法进行求解，求解过程不作赘述。

步骤2，将交流电场模型E_AC和直流电场模型E_DC进行叠加，得到交直流混合电场模型E_h＝E_AC+E_DC。

交直流混合电场模型仅考虑了导线表面电场强度的变化，即认为交流电场和直流电场的相互作用仅仅表现在表而电位梯度的影响上；当计算直流分量时，交流导线电位为0，计算交流分量时，直流导线电位为0。

步骤3，利用交直流混合电场模型计算交直流混合电场。

基于上述方法设计了一种交直流混合电场测量系统，具体如图2所示，包括交流电场传感器、直流电场传感器、第一高倍仪用放大电路、第二高倍仪用放大电路、检波滤波电路、带通滤波电路、第一信号调理电路、第二信号调理电路、单片机和显示屏。

交流电场传感器的输出端与第一高倍仪用放大电路的输入端连接，第一高倍仪用放大电路的输出端与检波滤波电路的输入端连接，检波滤波电路的输出端与第一信号调理电路的输入端连接，第一信号调理电路的输出端与单片机连接，直流电场传感器的输出端与第二高倍仪用放大电路的输入端连接，第二高倍仪用放大电路的输出端与带通滤波电路的输入端连接，带通滤波电路的输出端与第二信号调理电路的输入端连接，第二信号调理电路的输出端与单片机连接，所述显示屏与单片机连接。

如图3所示，交流电场传感器包括上感应极板1、下感应极板2、并联电容3、上极板接线端子4和下极板接线端子5；上感应极板1和下感应极板2均为球面型，凹陷的一侧为内侧，上感应极板1和下感应极板2之间绝缘，上感应极板1和下感应极板2的内侧相对，并且相对的内侧之间设置有并联电容3，上极板接线端子4与上感应极板1的内侧连接，下极板接线端子5与下感应极板2的内侧连接，上极板接线端子4和下极板接线端子5为交流电场传感器的输出端。

交流电场传感器测量交流电场的原理如下：

测量交流电场利用的是静电感应原理，通过在待测电场中引入交流电场传感器获得电场信号，并将该信号转换成与电场强度大小成正比的电压信号，通过后续电路处理求出待测电场强度。

线路近场区电场具有准静态场的特征，其电场的特征与静电场的特征基本完全相同，唯一的不同就是交流电场强度按照交流频率缓慢变化而已，因此可借助静电场来完成近场区交流电场的分析。静电场中的导体有个重要特征就是要达到静电平衡，导体中的电荷受静电场的影响产生静电感应而重新分布，达到平衡，导体内任何一点都要达到电场强度为零。基于此，处于交流电场中的导体内部的电荷也将受到交流电场的影响达到所谓的静电平衡，在导体表面沿电场线方向进行正负电荷的重新分布而达到内部电场为零，由于交流电场强度随时间变化，电场强度值按cos(ωt)的三角函数规律变化，造成了导体表面分布的正负电荷也按此三角函数随时间的变换而缓慢变化。产生了导体中电荷左右的移动，产生感生的交变电流。此电流的变化频率反应了电场强度的变化频率，电流的大小反应了电场强度的大小。

设需要测量的交流电场E_AC，当把交流电场传感器放入空间电场中时，球面型的上感应极板1和下感应极板2在空间电场静电感应下产生感应电荷，球面表面积为S，并联电容3为C，感应电荷的面密度为σ(t)，则上感应极板1和下感应极板2的感应电荷计算公式为：

Q(t)＝∫σ(t)dS

式中，Q(t)为感应极板上的感应电荷。

上感应极板1和下感应极板2之间的感应电压U_M与交流电场E_AC有以下关系：

E_AC＝CU_M

该式反应了交流电场传感器的基本变换特性，通过测量极板间的电压值就可以计算出交流电场强度。

交流电场传感器由上感应极板1和下感应极板2对交流电场强度进行感应，产生相应的感应电荷，通过上极板接线端子4和下极板接线端子5输出感应电荷与并联电容3转换出的感应电压。

如图4所示，直流电场传感器包括旋转片6、静止片7、旋转轴8、信号拾取电阻10和驱动装置9，旋转片6和静止片7结构一致，均为每隔一定角度设有扇形孔的圆片，旋转片6和静止片7同轴平行设置，旋转片6和静止片7之间绝缘，静止片7的中心处设置有通孔，旋转轴8的端部穿过通孔与旋转片6连接，旋转片6在旋转轴8的带动下转动，驱动装置9驱动旋转轴8，这里采用电机，旋转片6接地，静止片7固定不动，静止片7通过信号拾取电阻10接地。

直流电场传感器测量直流电场的原理如下：

由于直流电场无法在电容上感应出交变的电荷，在固定导体上只能在进场源和远场源测感应出相应的正负电荷，使得导体内部保持静电平衡，因此对直流电场的传感导体直接测量是无法实现的，这里直流电场测量思路是将导体中直流电场感应的电荷变换为交变的交流感应电流，并对感应的反应直流电场大小特征的电流进行放大、采样、变换、分析与计算，得出直流电场强度值。通过旋转电场测试仪将地面直流电场转换成交流量，使传感组件上接受到的电力线总数量周期的变化，与之相应的感应电荷也随之周期性的变化。利用周期性变化的电荷所形成的电流即可测出相应的场强。

设场直流电场传感器于均匀恒定的电场E_DC之中，电机带动旋转片6作定速旋转，下部的静止片7暴露于直流电场中的面积呈周期性变化，静止片7暴露于直流电场时，为了维持其对地面电位，其上面会积聚相应的电荷，当直流电场指向地面时积聚的是负电荷，当直流电场指向上空时积聚的是正电荷。当静止片7被动片遮蔽时，其上的电荷会流散于负极中。电荷的积聚与流散都是通过信号拾取电阻10进行的，通过测量信号拾取电阻10上的压降即可测得其所在位置的电场强度。积聚的电荷量Q_DC(t)为：

Q_DC(t)＝ε₀E_DCA(t)

式中，A(t)为静止片7暴露与电场中的面积，其大小与变化率由电机转速和静止片7总面积确定，为已知量，ε₀为荷电常数。

信号拾取电阻10上的电压U_MDC(t)为：

式中，R为信号拾取电阻10的阻值，通过测量信号拾取电阻10上的电压值就可以计算出当前直流电场强度值。

直流电场传感器由于静止片7在旋转片6转动时曝露与直流电场中的面积不同，因而就可在信号拾取电阻10上形成一个周期性变化的交变电流，该电流与被测直流电场大小成正比，通过信号拾取电阻10产生压降，可确定被测直流电场的大小。

上述发明实现了一种交直流混合电场测量方法及系统，具有具有较高的工程应用及科学研究的使用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。