工频电场测量仪支架材质对空间电场影响研究

， ，(.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 6004；2.陕西省智能电网重点实验室，陕西 西安 70049；3.西安交通大学，陕西 西安 70049)

0 引 言

随着社会的发展，高压输变电设备附近所产生的电场和磁场日益受到关注[1-3]。因为电磁环境问题引起的纠纷常有报道，准确测量电力设备的电磁场具有重要的意义[4]，它关系到设备选择、设计优化和司法鉴定等方面。

工频电场测试仪是测量电力设备运行电压对地表1.5 m高度处电场强度的设备，通常由主机、测量探头、支撑架等部件组成。其中支撑架顶端距离地面1.5 m，测量探头固定在支撑架的顶端。带电体所在空间的电场分布与其所处空间的介质分布情况有关。为测量空间电场，人为增加了支撑架、测量探头等与空气介电常数不一致的物体，这将会改变空间电场，尤其是探头所在区域的电场[5]。下面通过建立电场测试仪支架的有限元仿真模型，计算不同介电常数的支架对电场测试的影响，分析表明电场测试仪及其附件应取介电常数与空气接近的材料制作，且应尽量减小材料重量。

图1 工频电场测试仪实物

1 有限元分析方法原理

有限单元法(finite-element method，简称有限元法)是一种解决工程物理场问题的常用方法[6]。

有限元法求解的基本步骤[7]如下：

1)结构离散化：对整个结构进行离散化，将其分割成若干个单元，单元间彼此通过节点相连。

2)求出各单元的刚度矩阵[K](e)：[K](e)是由单元节点位移量[Φ](e)求单元节点力向量[F](e)的转移矩阵，其关系式为

[F](e)=[K](e)[Φ](e)

(1)

3)集成总体刚度矩阵[K]并写出总体平衡方程：[K]是由整体节点位移向量[Φ]求整体节点力向量[F]的转移矩阵，其关系式为

[F]=[K][Φ]

(2)

这就是总体平衡方程。

如把电极表面取作边界A，电极以外的空间称作场域，则当场域中电位φ满足拉普拉斯方程▽·▽δφ)=0时，场的计算问题成为求取函数φ的边界值问题。设三维电场区域内，电位函数φ满足拉普拉期方程：

(3)

对电场测试仪所在场域进行网格剖分，场域分成许多小单元，指定材料相对介电常数ε，并施加边界条件。

2 有限元分析模型的建立

采用ANSYS MAXWELL建立电场测试仪支架材质对空气电场影响的分析模型，模型由支架底座、支撑杆、导线组成(为简化分析，不包括探头部分)，如图2所示。

图2 分析模型三维视图

图3 观察面位置示意

图4 观察线位置示意(垂直于地面，穿过支撑杆)

模型中导线电压为10 kV(对地幅值)，支撑架由底座和支撑杆两部分组成，支撑杆长度为0.9 m，外径为20 mm。为了方便对计算结果进行分析，模型选取了一个观察面和一条观察线，观察面及观察线的相对位置如图3和图4所示。

当导线下方未放置电场测试设备及其附件时，空间电场未受到干扰，为标准电场。将此种情况下的电场作为基准与改变支撑杆材质情况下的电场做比较，相关计算结果如图5所示。

图5 无电场测试仪情况下的基准计算结果

3 材质改变对空间电场分布影响

采用不同材质的支撑杆进行研究。首先选定底座的材质为环氧树脂(相对介电常数为3.6)，支撑杆的材质在后续分析中将分别修改为PVC(相对介电常数为2.7)、玻璃(相对介电常数为5.5)和铝合金(相对介电常数默认为∞)，得到不同材质的支撑杆对空间电场分布的影响。

3.1 PVC

当支撑杆为PVC时，对应的空间电场计算结果如图6所示。

比较图5(c)和图6(c)可知，由于电场测试仪支架的存在，导致观察线上的电场强度发生了明显变化，在观察线由低到高穿越支撑杆的过程中，当其穿越底座下方和穿出支撑杆上方时，电场强度发生了跳变。

图6 当支撑杆材质为PVC时空间电场计算结果

3.2 玻璃

当支撑杆为玻璃时，对应的空间电场计算结果如图7所示。

图7 当支撑杆材质为玻璃时空间电场计算结果

比较图7(c)和图6(c)可知，由于支撑杆材料由PVC变化为玻璃，其相对介电常数变大，导致了在介质交界面两次电场跳变的幅值更大。

3.3 铝合金

当支撑杆为铝合金时，对应的空间电场计算结果如图8所示。

图8 当支撑杆材质为铝合金时空间电场计算结果

从图8可知当支撑杆为铝合金时，介质交界面上的电场强度发生了最为剧烈的变化(相比支撑杆为玻璃和PVC的情况)，此种情况下支撑杆对空间电场的影响最为严重。

4 支撑杆优化设计方案

从上面的分析可知，3种材质的支撑杆中，PVC材质对空间电场分布的影响最小。对于同类型的PVC材质支撑杆，一定还能找到更优化的结构方案。这里采用中空结构的PVC，管外径保持20 mm不变，管内径为16 mm，进一步考察空心支撑杆对空间电场的分布影响。计算得到电场分布情况如图9所示。与图6相比，采用相同外径的空心PVC管对空间电场分布影响较小。

图9 当支撑杆材质为空心PVC时空间电场计算结果

5 结 语

1)电场测试仪支架的材质与空气有很大差异，两者交界面处会发生电场跳变。

2)电场测试仪支架材质的介电常数越大，对空间电场强度影响越大，所以应该选用介电常数接近空气(相对介电常数为1)的材质做为支撑架材料。

3)当采用相对介电常数较低的绝缘材料作为电场测试仪支架时，空心管对空间电场分布影响小于实心棒。

[1] 张晋寅，蒋龙生，赵淼，等.数字式无线工频电场测量仪的研制[J].高压电器，2011，47(8): 22-27.

[2] 张婷，方志，陈陶陶，等.球形电场测量系统在高压测量领域中的应用[J]. 电测与仪表，2007，44(11):11-16.

[3] 李永明，范与舟，徐禄文．超高压输电线路铁塔附近地面工频电场仿真分析[J]．电网技术，2013，37(3)：782-787.

[4] 黄子璇，席黎明，樊梦旭，等．高压输电线下有建筑物时工频电场计算中模拟电荷设置方法的改进[J]．电网技术，2013，37(3)：788-793．

[5] Thomas A， Bag inski. Hazard of Low-frequency Electromagnetic Coupling of Overhead Power Transmission Lines to Electroexplosive Devices[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,1989,31(4):393-395.

[6] 王泽忠，金玉生，卢斌先．工程电磁场[M]．北京：清华大学出版社，2010：46-48．

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