本发明涉及电学物理量测量领域，并且更具体地，涉及一种测量工频电场强度的方法和系统。
背景技术：
：导体带电条件下，表面附着的电荷在周围空间中就会产生电场分布。通常在用电设备周围都会存在电场。我国交流电网的工作频率为50hz，交流输变电工程的工频电场既可以由交流输电线路产生，也可以由变电站内各类带电设备产生。高压输变电工程电磁环境参数之一就是工频电场，是输变电工程环境影响评价指标之一。为了获得高压输变电工程设施设备的工频电场强度，通常采用电场传感器进行测量。如变电站工频电场测量、输电线路电场测量、故障诊断、电场环境测量等采用工频电场传感器检测电气设备周围电场的分布及其变化，对电力设备的设计及安全运行具有十分重要的意义。目前，电场测量仪器主要包括悬浮体型、地参考型和光电型，悬浮体型是目前市场上商用最多的型式。悬浮体场强仪的工作原理是测量引入到被测电场的一个孤立导体的两部分之间的工频感应电流和感应电荷。它用于在地面以上的地方测量空间电场，并且不要求一个参考地电位，它通常做成携带式，用一绝缘手柄或绝缘体引入电场。但是，任何一种导体处在某一电场中，电场就会引起该导体表面电荷的移动。同样导体上所带的电荷也产生一个场，这个电场叠加在原来的电场上，改变了导体附近的整个电场，这时导体周围的场称为“畸变场”。在电场测量中由于悬浮体型传感器的引入势必将引起电场的畸变，即便采用光纤作为电场传感器传输媒介，虽然光纤的隔离作用使得采集信号不会产生较大畸变，但其没有考虑到测量探头处于测量域中，将会影响场域电场的均匀度和原场域电力线的分布变化，从而产生畸变电场，影响测量精度。对于民房畸变电场而言，其周围电场往往是不均匀的，而离被畸变物体一定距离处存在一定程度的均匀区域，且此均匀区域的大小是有限的，从畸变电场计算结果看出，一般在平台四周直立栏杆周围场强存在畸变，但是远离栏杆一定距离后，场强又变得均匀。为了避免探头引入被测电场时带来的畸变影响，我国国家标准gb/t12720-91《工频电场测量》仅仅指出解决的原则：进行电场强度测量时观察者必须离探头足够远，以避免使探头处的电场有明显的畸变，探头的尺寸应使得引入探头进行测量时，产生电场的边界面(带电或接地表面)上的电荷分布没有明显的畸变。实际上，对于电场探头的校准与标定也是基于这样一个事实：探头的尺寸足够小，以确保校准时不对均匀电场带来影响。也就是说，校准用的均匀场域尺寸比探头大得多，通常在10倍以上。实际上针对不同尺寸、不同材质的探头，在测量某些狭小区域的电场场域时(如输电线路下方民房女儿墙处)，探头尺寸与场域的尺寸关系不再满足探头校准时的试验条件，此时探头带来的畸变影响将导致结果的巨大偏差，如何将畸变影响消除目前没有切实可行的解决方法。技术实现要素：为了解决
背景技术：
存在的当探头尺寸与场域的尺寸关系不再满足探头校准时的试验条件时探头带来的畸变影响将导致工频电场测量结果的巨大偏差这一技术问题，本发明提供一种测量工频电场强度的方法，所述方法用于消除工频电场探头对被测电场造成的畸变以测量真实工频电场强度，所述方法包括：步骤1、测量工频电场的探头的最大对角线长度l；步骤2、建立n组具有不同半径r，且上下完全一样的水平布置的金属圆形极板的三维仿真模型，其中极板半径r至少是测量探头最大对角线长度l的4倍以上；步骤3、定义不超过理论工频电场计算值m％的电场场域范围是均匀电场区域，对每一组半径为r金属圆形极板，在上下极板间施加电压u，则计算其在不同极板间距h时定义的均匀工频电场理论强度e0的公式为：e0＝u×(1±m％)/h；步骤4、根据步骤3计算得出的每一组半径为r的金属圆形极板在不同极板间距h的条件下的均匀工频电场理论强度e0，建立n组(r，h)至(r，h)的映射，其中，所述均匀电场区域是底半径为r，高度为h的圆柱体区域；步骤5、制作与步骤2中金属圆形极板的仿真模型的半径r完全一致的n组金属圆形极板，并定义工频电场强度的理论计算结果e与探头读数之比为修正系数α，针对每一组半径r的极板，在极板间施加标准电压u，改变探头与下极板间的距离h，获得不同高度h下的修正系数α，并根据修正系数函数α(r，h，h)确定对应于最大对角线长度l的探头的最小的可准确测量的均匀工频电场区域的底半径r0，其中，h＝a*h，0＜a＜1，所述修正系数α是r、h和h的函数，表示为α(r，h，h)，计算工频电场强度的理论计算结果e的公式为：e＝u/h；步骤6、根据在步骤5中得到的h＝h/2处的探头读数k，以及步骤3中计算得到的均匀工频电场理论强度e0定义标定系数β＝e0/k，由于均匀工频电场理论强度e0与极板间高度h有关，得到β(h)的曲线；步骤7、实际测量工频电场时，基于民房实际尺寸和实际介质的电气参数，通过有限元计算方法，计算被测电场均匀区域沿表面方向的宽度r1和垂直表面方向的高度h1，当r1＞r0时，跳转到步骤8，当r1＜r0时，更换最大对角线长度小于l的探头，重复步骤1至步骤6以获得新探头的标定系数曲线β(h)；步骤8、读取在h＝h1/2处的探头读数k1，根据步骤6中的标定曲线，查找标定系数曲线β(h)在h1处对应的标定系数β1，并通过探头读数k1和标定系数β1计算真实工频电场强度e1，其中，计算真实工频电场强度e1的公式为：e1＝k1*β1。根据实际条件进行电场有限元仿真的具体做法是，按照民房实际尺寸、实际介质的电气参数，建立三维模型，将三维空间物体进行剖分，使计算场域划分为大量小区域，通过有限元计算方法，在施加边界条件下，将电场的微分或积分方程转化为一组近似的代数方程，并联立求解，从而获得该场域中微分或积分方程的近似数值解，从而得到物体表面的电场分布，对于物体表面，通常都存在一个近似均匀的区域，其电场矢量垂直物体表面且均匀分布，通过仿真即可得到靠近物体表面的均匀区域的范围，即均匀域沿表面方向的宽度为r1、垂直表面方向的高度为h1。优选地，所述探头的最大对角线长度l，在平板探头中是平面几何图形的对角线长度，在球形探头中是球形的直径，在立方体探头中是两最远对角顶点之间长度，在圆柱体探头是底面圆的直径。优选地，建立不少于2组的金属圆形极板的三维仿真模型，即n≥2。优选地，所述m的值根据实际测量工频电场时需要达到的精确程度确定，所述m的值的范围为-100至+100。优选地，制作的所述金属圆形极板的下极板接地。根据本发明的另一方面，本发明提供一种测量工频电场强度的系统，所述系统用于消除工频电场探头对被测电场造成的畸变以测量真实工频电场强度，所述系统包括：探头确定单元，其用于测量工频电场的探头的最大对角线长度l；三维仿真模型建立单元，其用于建立n组具有不同半径r，且上下完全一样的水平布置的金属圆形极板的三维仿真模型，其中极板半径r至少是测量探头最大对角线长度l的4倍以上；均匀工频电场理论强度确定单元，其用于定义不超过理论工频电场计算值m％的电场场域范围是均匀电场区域，对每一组半径为r金属圆形极板，在上下极板间施加电压u，则计算其在不同极板间距h时定义的均匀工频电场理论强度e0的公式为：e0＝u×(1±m％)/h；模型均匀电场确定单元，其用于根据均匀工频电场理论强度确定单元计算得出的每一组半径为r的金属圆形极板在不同极板间距h的条件下的均匀工频电场理论强度e0建立n组(r，h)至(r，h)的映射，其中，所述均匀电场区域是底半径为r，高度为h的圆柱体区域；修正系数确定单元，其用于制作与三维仿真模型建立单元中建立的具有不同半径r的仿真模型完全一致的n组金属圆形极板，并定义工频电场强度的理论计算结果e与探头读数之比为修正系数α，针对每一组半径r的极板，在极板间施加标准电压u，改变探头与下极板间的距离h，获得不同高度h下的修正系数α，其中，h＝a*h，0＜a＜1，所述修正系数α是r、h和h的函数，表示为α(r，h，h)，计算工频电场强度的理论计算结果e的公式为：e＝u/h；标定系数曲线确定单元，其用于根据修正系数确定单元得到的修正系数函数α(r，h，h)，确定对应于最大对角线长度l的探头的最小的可准确测量的均匀工频电场区域的底半径r0，并根据在修正系数确定单元中得到的h＝h/2处的探头读数k，以及均匀工频电场理论强度确定单元中计算得到的均匀工频电场理论强度e0定义标定系数β＝e0/k，由于均匀工频电场理论强度e0与极板间高度h有关，得到β(h)的曲线；探头校验单元，其用于在实际测量工频电场时，基于民房实际尺寸和实际介质的电气参数，通过有限元计算方法，计算被测电场均匀区域沿表面方向的宽度r1和垂直表面方向的高度h1，当r1＞r0时，在真实工频电场强度确定单元计算得到被测电场的真实工频电场强度，当r1＜r0时，探头确定单元将探头更换为最大对角线长度小于l的探头；真实工频电场强度确定单元，其用于读取在h＝h1/2处的探头读数k1，根据标定系数曲线确定单元中的标定曲线，查找标定系数曲线β(h)在h1处对应的标定系数β1，并通过探头读数k1和标定系数β1计算真实工频电场强度e1，其中，计算真实工频电场强度e1的公式为：e1＝k1*β1。优选地，所述探头确定单元得到的最大对角线长度l，在平板探头中是平面几何图形的对角线长度，在球形探头中是球形的直径，在立方体探头中是两最远对角顶点之间长度，在圆柱体探头是底面圆的直径。优选地，三维仿真模型建立单元建立不少于2组的金属圆形极板的三维仿真模型，即n≥2。优选地，均匀工频电场理论强度确定单元中的所述m值根据实际测量工频电场时需要达到的精确程度确定，所述m的值的范围为-100至+100。优选地，修正系数确定单元制作的所述金属圆形极板的下极板接地。综上所述，本发明采用有限元数值方法进行准静态场的电磁方程求解，模拟计算不同半径上下水平布置金属圆形极板之间，不同极板间距条件下的均匀电场区域的尺寸，然后制作与上述仿真条件下完全一致的金属极板并进行电场探头校准试验，以及根据试验结果结合仿真结果制定一条理论场强和探头读数之比与金属极板间距之间的标定曲线，最后在实际测量时，先对被测电场进行仿真估计，然后根据标定曲线，获得真实电场水平。本发明所提供的技术方案可针对不同尺寸的工频电场探头，明确得出适于其测量的电场范围的尺寸，且通过本发明的方案，消除了该探头的引入带来的对被测电场的畸变影响，可以给出适于该电场探头测量的区域内的准确电场测量结果。附图说明通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：图1是本发明具体实施例一的测量工频电场强度的方法的流程图；图2是本发明具体实施例一建立的金属圆形极板的三维仿真模型图；图3是本发明具体实施例一的测量工频电场强度的系统的结构图；图4是本发明具体实施例二中仿真计算获取的均匀电场的云图的示意图；图5a，图5b和图5c是本发明具体实施例二在不同极板半径和高度时探头在不同高度下的修正系数曲线图；图6是本发明具体实施例二的标定系数曲线图。具体实施方式现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属
技术领域：
的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属
技术领域：
的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。具体实施例一图1是本发明具体实施方式的测量工频电场强度的方法的流程图。如图1所示，本发明所述的测量工频电场强度的方法100从步骤101开始。在步骤101，测量工频电场的探头的最大对角线长度l；在步骤102，建立n组具有不同半径r，且上下完全一样的水平布置的金属圆形极板的三维仿真模型，其中极板半径r至少是测量探头最大对角线长度l的4倍以上；图2是本发明具体实施方式建立的金属圆形极板的三维仿真模型图。如图2所示，所建立的金属圆形极板的三维仿真模型中，极板半径为r，上极板为高压极板，下极板为接地极板，极板间间距为h，探头上表面与接地极板之间的距离为探头高度h。在步骤103，定义不超过理论工频电场计算值m％的电场场域范围是均匀电场区域，对每一组半径为r金属圆形极板，在上下极板间施加电压u，则计算其在不同极板间距h时定义的均匀工频电场理论强度e0的公式为：e0＝u×(1±m％)/h；在步骤104，根据步骤103计算得出的每一组半径为r的金属圆形极板在不同极板间距h的条件下的均匀工频电场理论强度e0，建立n组(r，h)至(r，h)的映射，其中，所述均匀电场区域是底半径为r，高度为h的圆柱体区域；在步骤105，制作与步骤102中金属圆形极板的仿真模型的半径r完全一致的n组金属圆形极板，并定义工频电场强度的理论计算结果e与探头读数之比为修正系数α，针对每一组半径r的极板，在极板间施加标准电压u，改变探头与下极板间的距离h，获得不同高度h下的修正系数α，并根据修正系数函数α(r，h，h)确定对应于最大对角线长度l的探头的最小的可准确测量的均匀工频电场区域的底半径r0，其中，h＝a*h，0＜a＜1，所述修正系数α是r、h和h的函数，表示为α(r，h，h)，计算工频电场强度的理论计算结果e的公式为：e＝u/h；在步骤106，根据在步骤105中得到的h＝h/2处的探头读数k，以及步骤103中计算得到的均匀工频电场理论强度e0定义标定系数β＝e0/k，由于均匀工频电场理论强度e0与极板间高度h有关，得到β(h)的曲线；在步骤107，实际测量工频电场时，基于民房实际尺寸和实际介质的电气参数，通过有限元计算方法，计算被测电场均匀区域沿表面方向的宽度r1和垂直表面方向的高度h1，当r1＞r0时，跳转到步骤108，当r1＜r0时，更换最大对角线长度小于l的探头，重复步骤101至步骤106以获得新探头的标定系数曲线β(h)；在步骤108，读取在h＝h1/2处的探头读数k1，根据步骤106中的标定曲线，查找标定系数曲线β(h)在h1处对应的标定系数β1，并通过探头读数k1和标定系数β1计算真实工频电场强度e1，其中，计算真实工频电场强度e1的公式为：e1＝k1*β1。优选地，所述探头的最大对角线长度l，在平板探头中是平面几何图形的对角线长度，在球形探头中是球形的直径，在立方体探头中是两最远对角顶点之间长度，在圆柱体探头是底面圆的直径。优选地，建立不少于2组的金属圆形极板的三维仿真模型，即n≥2。优选地，所述m的值根据实际测量工频电场时需要达到的精确程度确定，所述m的值的范围为-100至+100。优选地，制作的所述金属圆形极板的下极板接地。图3是本发明具体实施方式的测量工频电场强度的系统的结构图。如图3所示，本发明所述的测量工频电场强度的系统300包括：探头确定单元301，其用于测量工频电场的探头的最大对角线长度l；三维仿真模型建立单元302，其用于建立n组具有不同半径r，且上下完全一样的水平布置的金属圆形极板的三维仿真模型，其中极板半径r至少是测量探头最大对角线长度l的4倍以上；均匀工频电场理论强度确定单元303，其用于定义不超过理论工频电场计算值m％的电场场域范围是均匀电场区域，对每一组半径为r金属圆形极板，在上下极板间施加电压u，则计算其在不同极板间距h时定义的均匀工频电场理论强度e0的公式为：e0＝u×(1±m％)/h；模型均匀电场确定单元304，其用于根据均匀工频电场理论强度确定单元计算得出的每一组半径为r的金属圆形极板在不同极板间距h的条件下的均匀工频电场理论强度e0建立n组(r，h)至(r，h)的映射，其中，所述均匀电场区域是底半径为r，高度为h的圆柱体区域；修正系数确定单元305，其用于制作与三维仿真模型建立单元中建立的具有不同半径r的仿真模型完全一致的n组金属圆形极板，并定义工频电场强度的理论计算结果e与探头读数之比为修正系数α，针对每一组半径r的极板，在极板间施加标准电压u，改变探头与下极板间的距离h，获得不同高度h下的修正系数α，其中，h＝a*h，0＜a＜1，所述修正系数α是r、h和h的函数，表示为α(r，h，h)，计算工频电场强度的理论计算结果e的公式为：e＝u/h；标定系数曲线确定单元306，其用于根据修正系数确定单元得到的修正系数函数α(r，h，h)，确定对应于最大对角线长度l的探头的最小的可准确测量的均匀工频电场区域的底半径r0，并根据在修正系数确定单元中得到的h＝h/2处的探头读数k，以及均匀工频电场理论强度确定单元中计算得到的均匀工频电场理论强度e0定义标定系数β＝e0/k，由于均匀工频电场理论强度e0与极板间高度h有关，得到β(h)的曲线；探头校验单元307，其用于在实际测量工频电场时，基于民房实际尺寸和实际介质的电气参数，通过有限元计算方法，计算被测电场均匀区域沿表面方向的宽度r1和垂直表面方向的高度h1，当r1＞r0时，在真实工频电场强度确定单元计算得到被测电场的真实工频电场强度，当r1＜r0时，探头确定单元将探头更换为最大对角线长度小于l的探头；真实工频电场强度确定单元308，其用于读取在h＝h1/2处的探头读数k1，根据标定系数曲线确定单元中的标定曲线，查找标定系数曲线β(h)在h1处对应的标定系数β1，并通过探头读数k1和标定系数β1计算真实工频电场强度e1，其中，计算真实工频电场强度e1的公式为：e1＝k1*β1。优选地，所述探头确定单元301得到的最大对角线长度l，在平板探头中是平面几何图形的对角线长度，在球形探头中是球形的直径，在立方体探头中是两最远对角顶点之间长度，在圆柱体探头是底面圆的直径。优选地，三维仿真模型建立单元302建立不少于2组的金属圆形极板的三维仿真模型，即n≥2。优选地，均匀工频电场理论强度确定单元303中的所述m值根据实际测量工频电场时需要达到的精确程度确定，所述m的值的范围为-100至+100。优选地，修正系数确定单元305制作的所述金属圆形极板的下极板接地。具体实施例二步骤1、测量工频电场探头直径3cm，对所述探头进行标定校准。步骤2、建立半径r分别为30cm和40cm，且上下完全一样的水平布置的2组金属圆形极板的三维仿真模型，其中，极板半径r满足是测量探头直径的4倍以上的条件。步骤3、计算每一组半径为r的金属圆形极板在不同极板间距h的条件下的均匀工频电场理论强度e0，建立(r，h)至(r，h)的映射；设r＝30cm，h＝10cm，施加电压480v，理论计算场强e＝480/0.1＝4800v/m，按照±3％的范围定义均匀区域，即在场强为4800×(1±3％)(v/m)的区域算作均匀区域。图4是本发明具体实施例二中仿真计算获取的均匀电场的云图的示意图。如图4所示，当极板半径为30cm时，由于仿真计算获取的均匀电场轴对称，故示意图中仅显示均匀电场的一半，其中2号区域为均匀电场区域，计算得出其范围为π×20cm2×10cm的圆柱体区域，即均匀电场圆柱体区域底半径r＝20cm，高h1＝10cm，于是建立了(30cm，10cm)→(20cm，10cm)的映射关系。相应地，当极板半径r＝30cm，h＝15cm时，理论计算场强e＝480/0.15＝3200v/m，将场强为3200×(1±3％)(v/m)的区域视作均匀区域，计算得到其范围为π×15cm2×15cm的圆柱体区域，即均匀电场圆柱体区域底半径r＝15cm，高h＝15cm，于是建立了(30cm，15cm)→(15cm，15cm)的映射关系；同样地，当极板半径r＝30cm，h＝20cm时，理论计算场强e＝480/0.20＝2400v/m，将场强为2400×(1±3％)(v/m)的区域视作均匀区域，计算得到其范围为π×5cm2×20cm的圆柱体区域，即均匀电场圆柱体区域底半径r＝5cm，高h＝20cm，于是建立了(30cm，20cm)→(5cm，20cm)的映射关系。基于相同的方法，计算极板半径r＝40cm，极板高度h为不同数值时的电场均匀区域，可得到如表1所示的不同极板下均匀区域一览表。表1不同极板下均匀区域一览表h＝10cmh＝15cmh＝20cmh＝25cmr＝30cmπ×20cm2×10cmπ×15cm2×15cmπ×5cm2×20cmr＝40cmπ×30cm2×10cmπ×26cm2×15cmπ×20cm2×20cmπ×11.5cm2×25cm步骤4、建立与三维仿真模型一致的金属圆形极板，采用底面圆直径3cm、高3cm的圆柱体的探头，在不同探头高度h下进行实验以获取探头在不同高度h下的修正系数α，其中，金属圆形极板的半径r＝30、40cm，极板间施加的电压为480v，极板间距h＝10、15、20cm，修正系数α是电场强度的理论计算结果与探头读数之比。图5a、图5b和图5c是本发明具体实例二在不同极板半径和高度时探头在不同高度下的修正系数曲线图。其中图5a是极板半径r＝30、40cm，极板间距h＝10cm，极板间施加的电压为480v时，探头在不同高度h下的修正系数α的曲线图，图5b是极板半径r＝30、40cm，极板间距h＝15cm，极板间施加的电压为480v时，探头在不同高度h下的修正系数α的曲线图，图5c是极板半径r＝30、40cm，极板间距h＝20cm，极板间施加的电压为480v时，探头在不同高度h下的修正系数α的曲线图。分析图5a、图5b和图5c可知，在π×5cm2×20cm(对应于极板r＝30cm)狭长的圆柱区域内，与π×20cm2×20cm(对应于极板r＝40cm)这个扁平的圆柱区域内相比，修正系数α随探头离地面高度h的变化关系几乎一致，说明该探头对于原电场的感受能力仅与该区域的高度有关，而与该均匀区域的宽度关系不大。这也从侧面说明，即使小到π×5cm2×20cm的区域，探头对原电场的感受能力是可以利用等高度更大的均匀区域的试验得到标定系数的，因此，当所述探头直径为3cm时，对应于该探头的最小的可准确测量的均匀工频电场区域的底半径r0＝5cm，且对应于探头直径为3cm时，π×5cm2×20cm的区域底面直径为2×r0＝10cm，也就是说，只要在约4倍于探头直径以上宽度的区域内场强能够保持一定程度的均匀，就可以使用该探头进行电场的有效测量。另外，对于不同极板半径r、不同高度h，探头在h＝h/2处，修正系数α的大小基本维持在1.48左右，这也说明当探头位于上下极板中间位置时，各种大小的极板标定的结果一致；步骤5、根据在步骤4中得到的h＝h/2处的探头读数k，以及步骤3中计算得到的均匀工频电场理论强度e0定义标定系数β＝e0/k，由于均匀工频电场理论强度e0与极板间高度h有关，得到β(h)的曲线，所述β(h)曲线如图6所示。步骤6、当采用该探头测量实际被测电场时，若采用仿真手段预计的被测电场周围的近似均匀场区域(畸变率在±3％内)的高度(指相对于被测物的高度)为h，且在约4倍于探头直径以上宽度的区域内场电场近似均匀，则采用该探头进行测量，此时的探头须位于h/2的位置处进行测量，并根据图6曲线进行标定。如被畸变后的场域内有h＝1m近似均匀区域，则在距离被畸变物体(或面)0.5m处进行测量，再根据查曲线h＝1对应标定系数为0.1625，即将读数乘以0.1625得到此处未引入探头时的电场值，于是消除了电场探头引入时带来的畸变影响。通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在
技术领域：
的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该【装置、组件等】”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。当前第1页12