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工频电场测量方法及安全警示系统设计研究

158
2020年5月29日
文档仅供参考
工频电场测量方法及安全警示系统设计研究
⑧
重庆大学硕士学位论文
(学术学位)
学生姓名:刘聪汉
指导教师:何为教授
专 业:电气工程
学科门类:工学
重庆大学电气工程学院
二0一二年五月
Research
on Measurement Method
and
Safety Warning System
Design
of
Power Frequency Electr．ic
Field
⑧
A Thesis Submitted
to
Chongqing University
in Partial Fulfillment of the Requirement
forthe
Master’S Degree of Engineering
By
_
Liu
Conghan
Supervised by
Prof．He Wei
Specialty:Electrical Engineering
College
of Electrical
Engineering
of Chongqing
University,Chongqing,China
May,
重庆大学硕士学位论文一
主茎塑墨
—_—__—I●—_-——__—_-_—●——--——●—-●——l_—●-—__—__——_——-_——-——_——-————————————一
一
摘 要
电场是表征输电线路及电力设备状态的一个重要电气参量,经过一定的理论
研究和实测验证,电场测量技术可作为输电线路故障状态诊断及带电作业安全距
离确定的辅助分析工具。实时准确的测量电场,可为输电线路状态诊断、电力设
备绝缘状态评估、电力系统电磁兼容及电磁环境测评等领域研究提供有力的数据
支持,在探讨电场对作业人员健康的长期影响、保障高强度电场环境下人身安全、
研究高压输电线路非接触式测量及保证电力系统安全稳定运行等方面起着至关重
要的作用。
推导球型传感器测量一维交变电场的数学原理,讨论引入传感器对电场造成
的畸变,并提出减小其造成测量误差的解决方案;建立合理的高压输电线路下工
频电场计算模型,对线路缺相及相位异常时电场分布情况做了仿真并得到了相应
参考数据,提出根据输电线路故障前后工频电场不同分布规律判断输电线路状态
的理论方法;介绍带电作业中确定安全距离重要性,分析电场强度表征带电作业
安全距离的可行性,讨论现有确定安全距离的理论和技术方法,针对现有技术方
法的缺陷提出基于电场过限确定安全距离的思路,经过仿真计算得到不同电压等
级输电线路安全距离的临界电场。
分析平行板电容传感器测量电场的可行性并完成传感器的设计,采用平板电
容传感器代替球型传感器实现测量;根据系统各个模块的具体需要,选择合适器
件完成系统的硬件设计,根据测量需要完成系统的软件调试,最终完成基于
C8051F410单片机的便携式高压工频电场测量与警示仪的整体设计;对传感器进
行工频电场校正实验,用自制的仪器与国外电磁场测量仪进行对比测量,对系统
进行校准;分析人体存在对测量电场的影响,在数据处理引入增强因子对人体造
成的测量误差进行了校正。
测试结果表明,平行板电容传感器可用于工频电场测量,在工频电场作用下
的刻度因数为1 8 kV．聊-。．mV～,设计的电场测量系统能够对输电线附近的工频电
场进行准确测量及实现电场过限报警的功能,测量相对误差在10％左右。系统整
体测量性能良好,与国外仪器的测量结果对比相关度很高,可满足工程测量需要。
关键词:电场传感器,工频电场测量,故障判断,安全距离
Abstract
The electric field is
an
important
electrical
parameter characterizing
status of
transmission lines and power devices,by
some theoretical studies and experimental
veriftcation．the electric
field measurement technique can be used
as an
auxiliary
analysis
tool
for transmission line fault condition diagnosis and determining
safe
distance in live
working．It
will
provide strong
data
support
to transmission lines state
diagnosis,electrical equipment
insulation condition
assessment,power system
electromagnetic compatibility,electromagnetic
environment
assessment and other
studies by real．time and accurately measuring electric field．It has great significance for
investigating
electric field effects
to the
long—term
health of
workers,protecting
personal safety
of
people
in
high—strength
electric
field
environment,studying
on
non．contact measurement,ensuring the safe and
stable
operation
of power systems,and
SO On．
It is deduced the mathematical principle of measuring
one—dimensional
altemating
electric field
using spherical
sensor．The electric field distortion when
sensor iS
introduction to the field is discussed,and a solution for reducing measurement
error
caused
by
sensor is
proposed;a
rational calculation model of power frequency electric
field under
high voltage
transmission line is established,distribution of electric field
when line is phase loss and abnormal is simulated,and
the
ccorresponding
reference
data is
got．Theoretical
method for estimating the state of the transmission line based on
electric field distribution law before and after the transmission line fault is proposed;It
is introduced the importance of determining safe distance and analyzed the feasibility of
the electric field
characterizing
safe distance when live
working,the
defects of
existing
theoretical and
technique
methods for
determining safety
distance is
discussed,and
a
new idea for determining safe distance based on electric field over limit is
proposed,the
critical electric fields for transmission lines with different voltage levels
in safe distance
is calculated by simulation．
Itis
analyzed
and verified the
feasibility of measuring
the electric field flat
plate
capacitance
sensor and
completed
sensor
design．The
flat capacitance sensor is used to
measure electric field instead of ball sensor．According to the specific needs of each
module,hardware
design
of
the
system
is
completed by selecting appropriate
components,and
software
debugging
of the
system
is
completed according
to
II
measuremems need,the
overall
design
of the
portable high。voltage power
frequency
electric field measurement
and caution apparatus with C805 1F41 0 MCU
as the core is
finished:Sensor
is calibrated
in
power frequency
electric field,The
comparison
measurement and calibration experiment
between homemade instrument
and
foreign
electromagnetic
field measurement instrument is proceeded;the
effect on measuring
electric field with human existence is analyzed,and the
enhanced factors is introduced
to
correcting for measurement
error caused by the human body during
data processing．
The test results show that the fiat plate electric
field sensors can use to measure
Dower frequency electric field,the
scale factor under
power frequency
electric field is
1 8七y．m～．m V～,and the measurement system
is able
to measure
power frequency
electric
field around
power
lines accurately and finish the warning
function when
electric field is over limit,measurement
data relative errors are about 1 0％．The whole
system
has
good
measurement
performance．The
measurement
results have
high
correlation
compared
with the
foreign instrument,SO
it can meet the
needs of
engineering measurement．
Keywords:electric
field
sensor,power frequency
electric field measuremem,fault
diagnosis,safe distance
III
重庆大学硕士学位论文
目 录
目 录
中文摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I
英文摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．II
1绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1
1．1课题背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1
1．1．1测量电力设备工频电场⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1
1．1．2测量瞬态电场⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2
1．1．3工频电磁环境测评⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2
1．1．4工频电场测量的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3
1．2工频电磁场环境及人体暴露限值标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3
1．2．1工频电磁场对人体的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4
1．2．2各国工频电场人体暴露限值标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5
1．3电场测量技术国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6
1．4本文的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7
2工频电场测量方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9
2．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9
2．2交变电场测量方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9
2．2．1球型传感器测量一维交变电场的原理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10
2．2．2球型传感器引起电场畸变分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3
2．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5
3输电线路电场仿真分析及安全距离确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．16
3．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16
3．2模拟电荷法计算输电线路下方工频电场⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16
3．2．1计算模型与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17
3．2．2 500kV输电线下方电场计算实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．19
3．2．3故障状态电场计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．20
3．3输电线路安全距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．22
3．3．1最小安全距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．23
3．3．2最小对地安全距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．23
3．3．3最小相间安全距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．23
3．3．4最小安全作业距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．24
3．3．5最小组合间隙⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．24
IV
重庆大学硕士学位论文 目 录
3．4安全距离确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．24
3．4．1安全距离确定的理论方法[59-60]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．24
3．4．2安全距离确定的技术方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．25
3．4．3电场过限确定安全距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．26
3．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一28
4工频电场测量警示系统的硬件和程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．29
4．1系统功能分析及总体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．29
4．2系统硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．29
4．2．1电场传感器设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．30
4．2．2前置放大电路的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．33
4．2．3可编程增益放大电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．34
4．2．4 C8051F410单片机处理器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～35
4．2．5人机交互电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．36
4．2．6电源延时开关电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．36
4．2．7其它模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．37
4．2．8 PCB电路板整体设计‘671⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．37
4．2．9测量仪器实物图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．38
4．3系统的程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．39
4．3．1主程序流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．39
4．3．2测量参数的设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．40
4．3．3 AD转换程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41
4．3．4液晶显示程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．42
4．3．5场强过限报警程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．43
4．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯44
5工频电场测量警示系统的试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．45
5．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．45
5．2电场传感器线性度的校正⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．45
5．3系统测试性能的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．47
5．3．1实验室高压试验平台单相电场测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．47
5．3．2 500kV输电线下方电场测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．50
5．4人体对测量电场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．52
5．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一56
6总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．58
6．1研究内容总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．58
V
重庆大学硕士学位论文
目 录
6．2后续工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．58
致 谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯60
参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．61
附录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
VI
重庆大学硕士学位论文
1绪论
1绪论
1．1 课题背景和意义
电场测量在诸多学术和工程研究领域都占有至关重要的技术地位。国防科技
核爆脉冲电场的测量、航空航天领域雷电瞬态电场的实时监测、医学行业中医学
设备的电场检测、通信领域天线近场测量、生物学电场生物效应研究【l J等,都离不
开电场测量技术的有力支持。在电力工业中,电场测量更是一种十分有效的实验
研究手段。随着中国输电电压等级的不断提高,除了输电线路周围及电力设备内
部的电场分布成为研究的重点,有关电力系统电磁兼容及电场生态效应的问题也
越来越受到人们的关注【zJ。
当前电场测量技术不但广泛用于测量高压输电线路附近及变电站周围的电场
强度,还为研究人员了解和测量劣化绝缘子、变压器绕组、高压电缆终端、操作
开关等高压设备附近的电场分布【3】提供了技术手段。经过实际测量输电线路附近、
变电站周围及电力设备内部的工频电场或者瞬态电场的大小,获取更多有价值的
电场数据,为研究输电线路运行状态监测、电力设备绝缘状态评估、电力设备设
计制造工艺优化及电力系统电磁兼容等领域提供了有力的数据支持,对整个电力
行业的健康稳定运行具有重要的意义。
1．1．1 测量电力设备工频电场
邵方殷[4】对跨越房屋的500kV交流输电线路的电磁环境进行了实测,测试结
果表明:房屋和树木对邻近房屋周围的电场有很明显的屏蔽作用,实测电场数值
都小于2kV／m;室内工频电场一般都小于家用电器产生的电场,不会给住户的身
体健康带来不良影响。文中认为适当提高输电导线对地距离,并对房屋采取简易
屏蔽措施后,500kV线路是允许少量跨越民房的。实测得到的工频电场数据为人
们了解500kV交流输电线路跨越房屋时电场是否会对人体健康造成威胁及电场限
值确定提供了可靠的数学依据。
电力系统中变压器的故障率较高,而这些事故主要是由变压器铁心线圈的外
围屏距离过短引起沿面爬电造成的。为此,西安交通大学蒋国雄等人【5 J为深入了解
一些关键部位在变压器带电情况下的电场分布,对变压器线圈的外围屏电场分布
进行实际测量。实验获得的数据为变压器优化设计和可靠运行提供富有价值的数
学依据。
重庆大学杨帆等人[6]采用非接触方式完成对绝缘子串附近某些特定点的工频
电场实地测量,这些点的选取都控制在绝缘子一定距离范围内。根据实际测量得
到的电场强度,运用绝缘子工频电场逆问题计算出绝缘子串的实际分布电压值,
重庆大学硕士学位论文
1绪论
同时将国家给定的正常绝缘子标准电压分布值与实际计算的电压分布值进行比
较,从而对是否有劣质绝缘子片和它所在的具体位置做出判断,从而完成绝缘子
的预防性检测,避免电力事故发生。
1．1．2测量瞬态电场
在变电站内进行开关操作时,会产生频率和幅值都极高的瞬态电场,它将会
对变电站保护室内的保护及控制设备产生严重的电磁干扰。由于复杂的现场环境,
难以经过工程电磁场数值计算方法获得变电站开关设备电场分布情况,因此有必
要对变电站瞬态电场进行直接测量,以获取相应的数据,为电力设备的电磁兼容
研究提供可信的数据【7 J。
瑞士J．Meppelink等人【8]在1989年为了解隔离开关操作时的暂态电场分布,
采用球形电场测量系统对开关操作时GIS出线母线附近电场进行了现场测量。她
们分别测量了室外出线母线的径向电场分布、室内和室外母线相同距离的轴向电
场分布。测量数据表明: GIS变电站中高频瞬态电场能够采用电荷感应式电场传
感器实现准确地测量,从而为变电站内的绝缘问题以及高频瞬态现象的研究提供
了有效技术方法。
华北电力大学卢斌先等人[9]率先对500kV变电站内隔离开关分合空载
母线、断路器合空载长线及投空载变压器等开关操作产生的瞬态电场进行了现场
测量,对测量的数据进行分析获得了一些有关变电站内隔离开关和断路器操作产
生的高频暂态电场的重要特征。这些结果对变电站电磁干扰分析和保护与控制设
备抗扰度研究具有重要的理论价值和实用意义。
1．1．3工频电磁环境测评
近年来,研究人员运用工频电场测量仪器对高压输电线路附近及地面、变电
站周围等作业场所的工频电磁场强度进行了实地测量,根据测量数据对这些作业
场所的工频电磁环境实现科学预测和评估,为工频电磁场防护提供了有力的依据。
陈青松等人【10】对涵盖电力、汽车制造、石油化工、电子、橡胶、港务等10多
个领域的50家不同企业的作业场所工频电磁场作了现场测量及统计分析,探究和
讨论当前职业人群在工频电磁场的暴露现状。调查结果表明,电厂主变及各种高
压变电站近20％的测量点电场强度大于5 kV／m,最高达17．46kV／m。因此,应合
理安排作业人员在高压变电站及电厂主变巡检路线的时间,以减少人体在工频电
场的暴露。部分电厂还应对主变出线进行屏蔽并选择地下出线,以便有效降低工
频电场强度。
王庆文[11]对某市不同电厂发电机组等工作场所附近的工频电场强度进行了现
场测量,并按照工频电场职业接触限值评价实际测量的电场强度。测评表明,集
控室、发电机、主变压器进出线及110、220 kV变电站测量结果均符合工作场所
重庆大学硕士学位论茎
．1_丝
工频电场职业接触限值,330、500 kV变电站室内测量点电场强度有超标点,且
500kV变电站超标点较多。测量结果为作业场所工频电磁防护提供了数据支持,
促使作业人员遵守相关电磁防护原则,并采取相应的防护措施,从而有效地控制
工频电场的职业危害。
1．1．4工频电场测量的意义
随着计算机技术的发展,当前国内外学者经过计算机,采用模拟电荷法、边
界元法、及有限差分法等数值计算方法来计算高压电场问题【12-14]。可是很多电力
设备由于结构比较复杂,而且可能存在表面电晕、表面污秽、预放电过程等相对
复杂的问题,使得其周围空间的电场分布难以经过计算机仿真计算得到,或者由
于计算机仿真时间过长使计算出来的电场值无法满足实时性的需要;同时,一些
电力设备数学模型的电场仿真结果也需要经过实际测量来验证。因此,经过直接
测量工频电场获得直观准确的数据,不但有助于对计算结果进行验证,而且对于
一些特殊场合更是解决问题的唯一有效手段【1 5I。
对于公众和一般电力作业场所的工作人员,需要研制一种廉价、耐用的便携
式高压工频电场测量警示系统,能对工频电场进行有效的测量,给与直观的数值
显示,及时反映当时当下的电场强度,并结合国家有关人体在工频电场暴露限值
或现场实际情况设定限值,当作业人员所处区域的工频电场超过设置的阈值,系
统会及时给与警示标志,提醒作业人员及时撤离电场强度超标等不适合进行长时
间作业的区域,让作业人员做到防患于未然,保证人身安全和电力系统的正常运
行;对于在电力行业进行特种作业(输电线路带电作业等)的人员,由于条件的
限制一般依靠人眼目测确定安全距离,这样可能由于存在人为因素及环境干扰,
安全距离都会存在一定误差,从而增加了带电作业的危险系数。基于电场过限警
示确定安全距离的设想为解决这一问题提供了新的思路。经过实时监测作业人员
所在位置的工频电场的大小,并与安全距离临界电场相比较,及时提醒作业人员
采取相应的健康防护措施,提高带电作业的安全系数。
输电线路如果出现故障(缺相或相位异常等)时,往往会引起输电线路原来
的电场发生变化,如果对故障后的电场进行重新测量计算并与正常状态的电场进
行比对,经过故障前后电场的变化规律来判断超高压输电线路的运行状态,从而
实现输电线路状态地非接触式判断,对于保障输电线路长期、安全、稳定运行具
有重要的意义。
1．2工频电磁场环境及人体暴露限值标准
中国把交流输变电设施产生的作50Hz周期变化的电磁场明确地称为工频电
磁场。随着社会进步、电网建设事业的发展和人民生活水平的显著提高,人们对
重庆大学硕士学位论文
1绪论
高压输电线路走廊及变电站周围工频电磁环境给予了更多的关注【l 6|。
1．2．1 工频电磁场对人体的影响
关于输变电工程的工频电磁场对人体健康是否存在潜在影响一直是公众和研
究人员长期关注和争论的焦点问题。前苏联的研究人员首先开始对该问题进行专
门研究,随即引起了国际上的广泛关注。国内外学者开展了多方面的研究,范围
从微生物到动物实验,从跟踪带电作业人员到人体直接处于高压电场的试验室试
验【17】,研究人员都做了大量实验测试工作,进行了广泛深入的流行病学调查研究。
1972年,前苏联专家Kcrobkova等人¨8J在国际大电网会议上发表的电场对人
体有直接影响的研究报告指出:经常暴露在400kV、500kV等级的变电站工作人
员中有部分人会出现食欲不振、脉搏加快、血压偏高等症状,还有部分人员患有
神经衰弱、心血管系统异常和血象轻微变化等疾病。美国瓦尔特哈马博士在1979
年的有关研究指出:出生在高压输电线路及变电站周围的婴儿,其患白血病的概
率要比正常环境中出生的婴儿高2．98倍,患癌症的概率要高2．25倍【l圳。瑞士研究
人员在1992年对50万名居民进行医学跟踪调查。这些调查对象的共同点都是在
200kV到400kV电压等级的输电线路周围500米范围内居住的居民,而且居住时
间都在一到二十五年。调查结果表明癌症、脑瘤的发病率,特别是儿童患白血病
的几率与高压电磁场对人体的作用有着直接关系12⋯。
可是同时也有很多权威报告指出,以前关于电场对人体及环境的不利影响的
评估有些夸大,缺乏有效的医学检查结果,也不具备统计学的意义,现在的输电
线路下方电场不会对人体造成伤害,离允许的电场限值还有很大的安全裕度【21|。
由法国、英国、意大利三国共同组成的科研协作组在1986年报道了她们关于工频
电场引起的生物效应的研究结果,结果表明一般健康状况与电磁场暴露条件没有
显著关系,即使有些生物、生理学参数的改变,也是非病理性的【2 2|。为了解工频
电场对生态环境的影响,由武汉高压研究所、同济医科大学及湖北省电力局三家
单位牵头组成科研协作组,在筹建500kV平武线之初,就开展了历时10多年的研
究工作。这些研究工作主要有:在生态试验室内对置于由平行板电容构建的电场
中的动物进行了暴露试验;对经常接触电场作业人员的健康情况进行了历时8年
多的动态观察;对沿线的小学生智力进行测定,研究500kV输电线路产生的电磁
场是否对其造成影响等【2引,研究结果表明,当人体处于中国现有等级的超高压线
路下方时,并未因为其产生的电场作用而造成特异性变化。
国内外学者对工频电磁场是否对人体健康产生影响一直存在异议和争论,目
前仍没有一致准确的结论【2训。这种争论反而使得公众加深了对工频电磁场的误解,
从而产生很强的抵触情绪。随着中国输电线路电压等级不断提高,输电线路及变
电站周围电磁环境问题日益受到社会大众地广泛关注,人们极力阻挠、抵制在自
重庆大学硕士学位论文
1绪论
己生活和居住的环境周围进行架线、建站等电力建设工作,己成为制约中国特高
压输电建设事业快速发展的主要因素之一。因此,需要加强对工频电磁环境的监
测,将其控制在合理的范围内,消除大众的顾虑,保证电力建设事业的顺利开展。
1．2．2各国工频电场人体暴露限值标准
数十年来,各国研究人员对人类健康是否会因为工频电磁场的作用而产生影
响做了大量卓有成效的研究,这些研究成果为相关的国际电磁防护机构制订人体
暴露在工频电磁场的限值提供了真实有效的依据。为了协调世界各国和相关组织
的电磁场标准,为全世界人民提供一致或相似的电磁场健康保护水平,世界卫生
组织(WHO)关于极低频健康防护的一系列最终结论性文件,例如”环境健康准则”、
”电磁场标准框架”、”电磁场法律范本”等,都己正式获得批准发布12川。
尽管世界卫生组织极力要求各成员国采用其推荐的电磁场曝露标准,可是由
于当前各个国家和相应国际组织对工频电磁场对人体健康的影响程度持有不同的
观点,没有统一、准确的结论,因此,世界上许多国家都有一份与自身具体国情
相关的电磁场暴露标准【26’31 J,同时类似国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)、欧
盟委员会(CEU)等一些国际组织为了给各个国家提供参考建议,也建立了自己的电
磁场暴露导则。不同国家根据本国具体的国情制订的人体暴露在工频电磁场的最
高临界值也不尽相同,表1．1给出了一些国际组织及国家的工频电场职业暴露和公
众暴露导出限值。表1．1中的所列的电场数值为工频正弦电压作用下的有效值,未
包括时间受限、局部暴露或针对特殊地点等的场强值p 2f。
表1．1一些国家和国际机构工频电场暴露限值
Table 1．1 Power
frequency
electric field exposure limits in some national and international
institutions
重庆大学硕士学位论文
1绪论
由表1．1可知,中国工频电场强度的环境影响评价标准的最高允许值比大多数
国家推荐的公众暴露标准限值都要小,对工频电场职业和公众暴露要求更为严厉。
因此,当前中国采用的工频电场曝露环境影响评价标准是足够安全的。
1．3 电场测量技术国内外研究现状
20世纪六十年代研究人员提出了电荷感应式电场传感器用于测量高压工频电
场的方法。随后国内外对电荷感应式电场测量领域的研究热情持续增加,并取得
了丰硕的成果。
1984年,德国斯图加特大学的K．Feser等人133J对该大学现有的球型传感器进
行了技术改进,研制了一种能够测量二维瞬态电场的新型系统。该系统球形传感
器半径为20mm,测量频率带宽高到10MHz,信噪比为32dB。该新型系统的动态
响应范围在原系统的基础上得到了大幅度提高。在用于测量固定频率的交变电场
和频率成分比较丰富的瞬态电场时,系统表现出了快速的响应性能,测量效果非
常理想【3】。1986年美国EM．Thomson等人【34】研制的三维球形瞬态电场测量系统的
球形传感器半径为225mm,系统测量频率带宽为3Hz-4MHz,光纤长度为100m。
该测量系统具有良好的动态响应特性和较高的测量精度,用于测量远距离的雷电
冲击电压产生的瞬态电场时,误差小于0．1％I 31。瑞士Haefely公司的研究人员在
1992年研制出了采用光电传输的二维球形电场强度测量仪,该仪器的球形传感器
直径为8cm,能够同时测量两个正交方向的电场,光纤长20 m其最大测量频率带
宽可达到20MHz,可测场强范围为0．2～10kV／cmp5J。1994年美国J．Ramirez．Nino
等人【36】成功研制了高精度的二维球型电场测量系统,该系统测量电场强度范围为
O、100kV／m,测量误差可控制在1％以内。经过利用该系统对电流互感器分布在中
轴向的电场强度进行了测量,取得了非常理想的实验效果。
当前国外工频电场测量仪器中性能较优的主要有意大利PMM公司生产的
PMMS053A综合场强测量分析仪、德国Narda公司生产的EFA300低频电磁分析
仪、美国HOLADAY公司生产的HI．3604工频电磁场强度测试仪及法国C．A公司
生产的CA42工频电磁场分析仪等。这些仪器都提供了很宽的测量范围和频带,但
受光纤长度的限制,有些特殊点(如杆塔上)的数据无法测量,而且价格都比较
昂贵。
在国内,电荷感应式电场测量技术的研究也受到非常高的重视。西安交通大
学蒋国雄等人在1985年研制了一维球型电场测量系统,其球型