环境湿度对工频电场强度的影响

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环境湿度对工频电场强度的影响

华北电力大学 翟 宾 直流输电技术国家重点实验室（南方电网科学研究院） 刘 磊 广东省环境辐射检测中心 宁 健 北京森馥科技股份有限公司 李建晖 云南电网有限公司大理供电局 马义刚 王 卫

摘要：针对环境湿度导致输电线路下方电场强度数值偏大的问题，本文建立静电场求解模型，利用有限元法求解空间电场分布，以数值模拟的方法获得了环境湿度对工频电场强度的影响，并进行了实验验证。关键词：输电线路；湿度；含水率；介电特性；木支架

引言绝缘木支架的材质为气干材，在一般情况下木

着输电电压等级的提高，高压输电线路产生的电场对周围的敏感设备和民众产生无法忽视的影响，电场强度作为重要的电磁监测指标被广泛关注[1]。

支架可视为理想的绝缘体，其电气特性比较稳定。但在高湿度地区，由于木材的吸湿性[2]木材的含水率会逐渐升高，水分子的介电常数较大，当木支架中的水分达到一定程度时，木支架的介电特性由木材本身和水分综合决定。

随

实验表明：当测量环境的相对湿度大于60%时，工频电场强度的测量值随着空气湿度的增加呈指数增加；场强仪的密封性测试对测试值的影响不大；场强测量仪和绝缘支架的放置在输电线路下方会引起周围电场畸变，影响场强测量仪的测量值；孙涛等人通过试验证明聚四氟乙烯及环氧树脂等憎水性材料支架上方场强测量仪的测量值受湿度影响较小。这些都为高湿度地区的工频电场强度准确测量奠定了基础，在高湿度地区电磁环境测量时，木支架的介入是引起电场畸变的主要因素，环境湿度通过改变木支架的电气特性影响工频电场强度的测量值。

本文为了量化描述环境湿度对电场强度测量值的影响，建立三维的输电线与绝缘木支架模型模拟实际测量的环境，利用有限元法求解工频电场下木支架周围的电场强度，模拟不同湿度下木支架周围的电场变化，以不同温度、湿度下木支架和含水率之间的关系以及木支架含水率与其介电特性之间的关系为桥梁，量化环境湿度对电场强度测量值的影响，并在实验室模拟实际工况，测试了不同潮湿程度的木支架上方电场强度值，验证了仿真分析的准确性。

图1 木材平衡含水率与环境参数的关系[3]

图2 木材的含水率与相对介电常数关系图[3]

由图1可知，环境的温度和湿度决定木材平衡含水率，木支架的含水率直接影响木支架的介电特性。由图2可知，木支架介电特性随着含水率的增加而增加，对于我国南方高温高湿度地区夏季平均温度在35℃，最高温度可达40℃左右，平均相对湿度在78%~81%，最高湿度可达85%。在此情况下，木材的平衡含水率最高可达到23%，这种极端情况下木材的相对介电常数可达8，远大于干燥木支架的相对介电常数。

1.2 三维静电场模型

输电线路在实际工况中周围场域的媒质主要是空气，测量中在输电线路下方引入木支架，由此建立输电线路和木支架的三维静电场模型，此时输电线路作为导体，可利用等位面表示，空气的相对介电常数选择为1，木支架的相对介电常数由外界的

1 仿真分析

1.1 木支架介电特性与环境湿度的关系

2019.12 EPEM 117

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环境湿度决定，利用有限元法求解整个场域的电场分布[4,5]，具体模型图及木支架表面电场分布结果见图3。

(a)模型图 (b) 无木支架

(c) 干燥木支架

(d) 潮湿木支架

图3 木支架表面电场云图

由图3（b）可知，当不存在木支架时，即木支架的材料属性和空气一样时，木支架表面的电场分布随着远离输电线路的方向逐渐降低。由图3（c）与图3（d）可知，测量中在输电线路下方引入木支架后，木支架的相对介电常数大于空气的相对介电常数，场域中空气媒质和木支架的电气参数失配就会导致电场在分界面处畸变，导致电场强度测量值偏大，电场强度测量仪测量值为木支架上方空气媒质内部的电场强度，因此取木支架上方一节点的电场强度值作为分析值进行比较（图4）。

由图4可知，木支架上方电场强度随着木支架的相对介电常数增加而增加，主要原因是木支架的介电常数本身就高于空气的相对介电常数，因此木支架的相对介电常数越大，木支架与空气的电气特性失配越严重，电场的畸变程度越大。仿真计算时输电线路的电压是固定的，因此在实际分析中主要看电场强度的畸变程度，结合图1与图2可知，在高湿度地区木支架的相对介电常数极端情况下可达8，结合电场强度的计算结果，不同潮湿程度的木支架引起的电场强度畸变程度可利用电场强度计算值和无支架时的电场强度计算值的相对误差表示（表1）。

表1 两种不同潮湿程度木支架上方电场强度支架类型介电特性εr电场强度e/V·m-1相对误差无支架178.150%干燥木支架388.7513.5%潮湿木支架8107.1637.12%118 EPEM 2019.12

图4 木支架上方电场强度与介电特性的关系

2 实验验证

为了改变木支架的潮湿程度，利用恒温恒湿箱对木支架进行预处理，恒温恒湿箱的温度设为50℃，加速木支架的吸湿过程，环境湿度设置为90%，处

理时间48h，使得木支架达到足够潮湿的程度，用来模拟高湿度地区测试时木支架的状态。为了实现对电场强度的测量，木支架的引入是不可避免的，因此在本次实验中引入了一个干燥支架作为对照组，以此来探究潮湿支架对电场强度的影响，共进行两组实验（图5）。

a） 两木支架均为干燥状态 b） 两木支架分别为干燥、潮湿状态

图5 实验布置图

图5中模拟输电线路的绞线到地面的距离是1.2m，探头加支架的高度为0.625m、放置在绞线正下方，探头距离绞线0.575m，两个探头位置等高，且相对绞线对称：左侧蓝色探头是森馥公司的LF-01探头，下方支架为自然状态的干燥支架。图中右侧白色探头是Narda公司的EHP-50探头，下方支架分别是自然状态干燥支架、经过预处理的潮湿木支架。利用干燥的木支架加上森馥公司的LF-01作为参照组，Narda公司的EHP-50加上干燥支架以及经过预处理的潮湿木支架上作为实验组。实验中利用交流升压变压器在铝绞线上施加工频交流电场，此时结果见图6。

由图6（a）可知，当场强测试仪木支架均为干燥的情况下，两探头电场强度测试结果几乎相同。

（下转116页）

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图4 泛在电力物联网在配电网的应用场景

图5 用户用电行为分析技术框架

图6 配电网协同优化控制架构

于配电网主动优化运行技术与价格激励机制，实现-荷”一体化调度（图6）。

参考文献

[1]杨挺,赵黎媛,王成山.人工智能在电力系统及 综合能源系统中的应用综述[J].电力系统自动化, 2019,43(1):8-20.

[2]杨挺,黄志勇,盆海波等.基于拓扑势均衡的配 电网信息物理系统规划算法[J].电网技术,2017,41 (12):3988-3995.

[3]肖小兵,徐长宝,林呈辉等.一种高效的配电网 报文数字签名实现方法[J].电力系统保护与控制,20 17,45(19):130-35.

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[5]张小平,李佳宁,付婧.全球能源互联网对话工 业4.0[J].电网技术,2016,40(6):1607-1611.

116 EPEM 2019.12

（上接118页）

由图6（b）可知，当木支架经过预处理之后，潮湿木支架上方的电场强度测量值会偏大，相对干燥木

支架上方场强测试仪的测试结果平均偏大11.5%，最大偏大16.1%，结合表1中仿真分析极端情况下干燥支架和潮湿支架的计算值，潮湿木支架相对于干燥木支架上方的测量值最大偏差为20%，验证了仿真分析的准确性。

a）初始布置测试结果 b） 潮湿木支架测试结果图6 不同木支架上方电场强度测量值

4 结语

本文通过建立输电线路与木支架的三维静电场计算模型，探究介电特性对木支架上方工频电场强度的影响，并通过实验验证得出以下结论：环境湿度通过影响木支架的含水率，改变木支架的介电特性，高湿度地区的电场强度测试值偏大；实际测试

中木支架的引入，木支架和空气的电气特性失配导致电场强度测试值偏大，环境湿度越大，电场畸变程度越大；当木支架长期处于高温高湿情况下，电场强度测试最多可偏大16.1%。

参考文献

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