CN103675482A - 混合电场测量*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合电场测量***，包括混合电场传感与测量单元、手持机单元、被测量处接地参考型板式电极；本***可在同一测量位置同时对混合电场测试的装置，或者通过可控方式分别测量工频电场、直流电场以及交直流合成的混合电场，实现同一测量仪器测量三种不同电场的功能，无需计算机作为实现测量功能的一部分，测量数据采用无线传输。方法直接，能便捷、有效、准确地在同一测点测量交流、直流以及交直流并行区域输电线路、换流站站内的电场的大小，为输变电工程环境评价、研究交直流输电线路并行、交叉跨越等区域的电磁环境水平提供了科学数据监测依据，方便和简化测量工作。

Description

混合电场测量***

技术领域

本发明涉及一种混合电场测量***，具体是一种可用于测量交、直流输电线路产生的混合电场装置，属电力***测量与检测技术领域。

背景技术

随着国家电网建设的快速发展，输电线路越来越接近居民活动的区域，工频电场、直流合成电场等引起的电磁环境问题愈来愈引起人们的关注。工频电场是交流输电线路和变电站的主要电磁环境参数，直流合成电场是直流输电线路的主要电磁环境参数。同时由于华东经济发达地区输电线路走廊选择困难，已经出现交流、直流输电线路邻近、并行或交叉跨越的情况，这些区域，因工频电场和直流合成电场同时存在，形成特殊的混合电场。混合电场不仅有交变的工频电场，也有随离子变化的直流电场，对混合电场进行深入的研究与测量，是开展交直流并行区域输变电工程环境影响评价的重要内容。

我国针对交流和直流输变电工程电磁环境影响评价、竣工的环境保护验收工作已取得很大成效。但对于交直流混合区域的电磁环境评价仍处于初级阶段，部分科研和环境评价单位各自提出的评价方法并不能解决交直流电场的相互影响，所提出的工频电场和直流合成电场的测量方法也不尽相同，如何同时同一处对混合电场进行科学、准确的测量成为行业研究的重点，对环境评价起着重要作用。

已公开的中国发明专利《全天候工频电场测量装置》（申请号：201110292725.9）所公开的，仅对输电线路的工频电场进行测试，采用特殊的支架支撑探头，重点解决的是可实现全天候的测量；发明专利《交直流并行输电线路地面电场测量***及其测量方法》（申请号：200810224017.X）是采用多种设备（如示波器、计算机等），提供一种混合电场测量的解决方案，不是便携式仪器测量***，测量原理是将测量信号通过软件（傅立叶变换）进行频谱分析的一种利用软件对测量信号进行处理方法，计算机在整个***中起到实现测量功能的关键作用，探头为单一旋转式伏特计，在被测量电场较小时难以保证精度；实用新型专利《一种交直流混合电场强度测量装置》（申请号：200920246865.0）是采用单一传感器感知电场，通过硬件电路实现对工频电场和合成电场的识别，并采用有线方式连接前端和数据采集***，测量过程中会出现电缆连接与拆除方面麻烦。

一种仅采用测量探头单元和手持机即可实现对合成电场测量***，由两种电场传感装置，对交直流输电线路共存时产生的合成电场进行测试，通过信号处理电路处理后就地得到测量数据并无线传输测量结果、完成测量工作，无需计算机作为实现测量功能的一部分，特别的，还可充分保证测量精度和测量范围的装置，未见于已公开专利或文献著作中。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术提出问题，公开一种混合电场测量***，是可以在同一测量位置同时对混合电场测试的装置，或者通过可控方式分别测量工频电场、直流电场以及交直流合成的混合电场，实现同一测量仪器测量三种不同电场的功能，无需计算机作为实现测量功能的一部分，测量数据采用无线传输。方法直接，能便捷、有效、准确地在同一测点测量交流、直流以及交直流并行区域输电线路、换流站站内的电场的大小，为输变电工程环境评价、研究交直流输电线路并行、交叉跨越等区域的电磁环境水平提供了科学数据监测依据，方便和简化测量工作。

本发明的技术方案是：混合电场测量***，包括混合电场传感与测量单元、手持机单元、被测量处接地参考型板式电极；其特征在于：所述混合电场传感与测量单元包括混合电场传感器、信号处理电路、带A/D模块的单片机一、无线通信模块一和电源模块一；

所述混合电场传感器包括感知工频电场的接地参考型板式传感器一、感知合成电场的旋转快门传感器二、切割电场的动片、输出同步信号的同步动片及光栅、驱动电机；自上而下位置关系是：动片、传感器一及传感器二、同步动片及光栅、驱动电机，有垂直向上安装在驱动电机上的通轴将所述动片、传感器一及传感器二、同步动片自上而下依次固连，所述同步动片旋转时可切割光栅；

所述接地参考型板式电极是规格为1m×1m×2mm的铝板，铝板中部开有一个与混合电场传感器外形尺寸一致的孔，铝板的任一角部安装有接地端子；铝板上表面与所述混合电场传感器动片的上表面重合；

从接地参考型板式传感器一引出的两根电压信号依次经过运算放大器放大、RC低通滤波、整流、RC滤波后连接至所述单片机一的A/D端口；所述旋转快门传感器二的输出信号依次经放大、与光栅输出的同步信号做乘法、得到具有极性的直流信号、再连接至所述单片机一的另一个A/D端口，所述单片机一的通信端口（RXD 、TXD）分别与通信模块一相连；

所述手持机单元包括无线通信模块二、单片机二、触屏显示、通信模块三和电源模块二，单片机二分别与通信模块二、触屏显示、通信模块三相连，电源模块二分别向所述无线通信模块二、单片机二、触屏显示及通信模块三供电；

所述无线通信模块一与无线通信模块二之间可相互无线通信，所述无线通信距离不低于50m；所述通信模块三是通过CH431将单片机二的串行通信转换成标准USB接口；所述电源模块一和电源模块二是宽范围单端输入、双端±5伏输出的带隔离型锂电池模块；

所述通信模块三上的标准USB接口，可实现与上位PC机连接；

所述单片机一是ARM，所述单片机二也是ARM；

所述单片机一内还集成有A/D模块，所述A/D模块的分辨率为12位、或者24位；

所述混合电场传感与测量单元的信号处理电路包括幅值放大电路、幅值处理电路和鉴相电路，所述幅值放大电路依次将传感器采集信号放大至伏级、整流滤波、幅值处理后传送至单片机一的A/D模块；所述鉴相电路是用于消除空间离子流入传感器后形成的电流对测量引起的误差、以及判断混合电场中直流分量极性电路。

一种采用上述混合电场测量***测量混合电场方法，其特征在于：

在待测量处，将所述使用接地参考型板式电极水平放置在离地面10cm处高度，并可靠接地，再利用所述混合电场传感与测量单元测量该处的混合电场值，每个测点至少测量100个数据；

采用统计方法得出混合电场平均值作为该点测量值；

输电线路的混合电场分布测量路径选择在线路档距中央，或者是距离最近的两基铁塔距离相等，自线路导线中央，或者是距离两侧最外相或极的导线距离相等处开始，向两侧均匀分布，测点距离为2m~5m，测量至距离外侧导线50m处；

测量结果以工频电场、合成电场描述，根据测量结果得出已测量的该处是否满足电场限值要求。

本发明混合电场测量***的混合电场传感与测量单元工作原理是：传感器含有分别感知工频电场和合成电场的接地参考型板式传感器、旋转快门传感器，以及光栅同步装置，从接地参考型板式传感器引出的两根电压信号经运算放大器放大后，经过RC低通滤波后与整流电路相连，再经过RC滤波后与单片机一的A/D端口相连；旋转快门传感器输出信号经放大后，与光栅的同步输出信号做乘法，得到具有极性的直流信号，与单片机一的A/D另一端口相连，单片机一的二个通信端口（RXD 、TXD）分别与无线通信模块一相连，电源模块一与锂电池相连，锂电池经过100uH的电感后分别向述各单元供电。

本发明混合电场（含工频电场和合成电场）的同步测量或通过软件控制实现对工频电场或直流电场的分别测试；其原理如下：

若被测混合电场的场强为E，空气的介电系数为ε₀，则传感器感应的电荷Q(t)为：

                                         （1）

其中： 

感应的电流为:

       （2）

式中：A₁，A₀分别为接地型传感器和旋转传感器的感应面积；ω₁，ω₀分别为工频角频率和电机旋转角频率。

通过测量i_e(t)可以求出混合电场

以及其中的直流电场E_dc和交流电场E_ac。

本发明混合电场测量***中，根据混合电场的测量结果，直接给出是否满足条件的判定方法如下：

分析认为，合成电场对工频电场在人体内感应电流的影响微乎其乎，且工频电场的控制值对人体的感应电流也小于国际认可的限值，综合考虑环境保护和工程造价，本专利采用如下公式（3）控制混合电场，称之为椭圆控制。

     

                                                               (3)

上式中，E_ac，E_dc分别为工频电场和合成电场测量值，E_acL，E_dcL分别为工频电场和合成电场限值。

本发明的有益效果是：

（1）通过控制分别测量工频电场和直流合成电场，实现同一测量仪器测量三种不同电场的功能，能便捷、有效、准确地测量输变电工程的混合电场，或其工频电场和直流合成电场； 

（2）提出了一种混合电场的测量方法，为混合架设、并行架设交直流线路的电磁环境评价提供依据；

（3）提出了一种判定混合电场是否满足要求的判据，可根据测量结果直接给出测点所在区域电磁环境参数水平是否满足相关要求；

（4）采用无线通信模块，可使测试人员远离探头模块，避免引线或人员邻近效应对测量结果的影响；

（5）优选的手持机具备USB接口，可方便的与上位PC机通信，PC机单元的软件界面可设置数据读取、标准查询、数据查询和报告生成等选项，PC机安装的软件按10个（或用户根据需要设置）测点数据统计，每个测点数据：每次采样100个数据，采样间隔时间可设定，并绘出多个测点的分布曲线，以方便对线路或变电站的环境评价；

（6）采用低功耗电路设计，用锂电池供电，便于长时间野外测量和携带。

附图说明

附图1为本发明混合电场测量***传感器示意图；

附图2为接地参考平板结构与安装示意图；

附图3为图2中A处放大图；

附图4为为本发明混合电场测量***构成示意图；

附图5为工频电场信号处理电路图；

附图6为合成电场信号处理电路图。

附图中的标记说明：1—传感器，2—同步动片，3—动片，4—光栅，5—电机，7—板式电极。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，但该实施例不应理解为对本专利的限制，说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如附图1～附图4所示，本发明混合电场测量***，包括混合电场传感与测量单元、手持机单元、被测量处接地参考型板式电极7；所述混合电场传感与测量单元包括混合电场传感器、信号处理电路、带A/D模块的单片机一、无线通信模块一和电源模块一。

所述混合电场传感器包括感知工频电场的接地参考型板式传感器一、感知合成电场的旋转快门传感器二（该二个传感器集成为如图1中的1所示结构）、切割电场的动片3、输出同步信号的同步动片2及光栅4、驱动电机5；自上而下位置关系是：动片3、传感器一及传感器二、同步动片2及光栅4、驱动电机5，有垂直向上安装在驱动电机5上的通轴将所述动片3、传感器一及传感器二、同步动片2自上而下依次固连，所述同步动片2旋转时可切割光栅4。

所述接地参考型板式电极7是规格为1m×1m×2mm的铝板，铝板中部开有一个与混合电场传感器外形尺寸一致的孔，铝板的任一角部安装有接地端子；铝板上表面与所述混合电场传感器动片3的上表面重合；

从接地参考型板式传感器一引出的两根电压信号依次经过运算放大器放大、RC低通滤波、整流、RC滤波后连接至所述单片机一的A/D端口；所述旋转快门传感器二的输出信号依次经放大、与光栅输出的同步信号做乘法、得到具有极性的直流信号、再连接至所述单片机一的另一个A/D端口，所述单片机一的通信端口（RXD 、TXD）分别与通信模块一相连；

所述手持机单元包括无线通信模块二、单片机二、触屏显示、通信模块三和电源模块二，单片机二分别与通信模块二、触屏显示、通信模块三相连，电源模块二分别向所述无线通信模块二、单片机二、触屏显示及通信模块三供电；

所述无线通信模块一与无线通信模块二之间可相互无线通信，所述无线通信距离不低于50m；所述通信模块三是通过CH431将单片机二的串行通信转换成标准USB接口；所述电源模块一和电源模块二是宽范围单端输入、双端±5伏输出的带隔离型锂电池模块；

所述通信模块三上的标准USB接口，可实现与上位PC机连接；

所述单片机一是ARM，所述单片机二也是ARM；

所述单片机一内还集成有A/D模块，所述A/D模块的分辨率为12位、或者24位；

所述混合电场传感与测量单元的信号处理电路包括幅值放大电路、幅值处理电路和鉴相电路，所述幅值放大电路依次将传感器采集信号放大至伏级、整流滤波、幅值处理后传送至单片机一的A/D模块；所述鉴相电路是用于消除空间离子流入传感器后形成的电流对测量引起的误差、以及判断混合电场中直流分量极性电路。

手持机单元的通信模块三是通过CH431将单片机8串行通信转换成标准USB接口。电源模块一、电源模块二是宽范围单端输入、双端±5伏输出的带隔离型锂电池模块。

手持单元通信模块三上的标准USB接口，可实现与上位PC机连接，PC机单元的软件界面可设置数据读取、标准查询、数据查询和报告生成等选项，PC机安装的软件按10个（或用户根据需要设置）测点数据统计，每个测点数据：每次采样100个数据，采样间隔时间可设定，并绘出多个测点的分布曲线，以方便对线路或变电站的环境评价。PC机可进行：实时对手持机测量数据的读取和保存、标准查询提供相关的测试标准和环境保护标准内容查询和显示、显示窗口显示从电场传感与测量单元单元传来的数据；数据排序窗口将实时显示窗口的数据按小到大的顺序排列；分布曲线图给出了电场的分布曲线（对应多个电场传感与测量单元时），可以直观地了解电场的分布规律；数据查询支持用户查询以保存的历史测量数据；报告生成实现对一次或多次测量数据的归纳并形成规范的测试报告。

如附图5、附图6所示，混合电场传感与测量单元的信号处理电路包括幅值放大电路、幅值处理电路和鉴相电路，其中幅值放大电路将传感器传来的微弱信号经3级放大后达到伏级信号，再经过整流滤波成直流电压信号；幅值处理电路用于调整信号使得传输到A/D模块的信号适应于A/D采样处理，鉴相电路用于消除空间离子流入传感器后形成的电流对测量引起的误差同时用于判断混合电场中的直流分量的极性。A/D模块集成于单片机中，分辨率12位，本专利理论上能够达到1.2V/m的精度（可采用24位的A/D以进一步提高分辨率和测量精度）。混合电场传感与测量单元主要功能是感知和测量混合电场中的工频和合成电场分量，存储测量数据、对测量电路进行控制、处理测量数据对测量结果做出判断，管理电池和通讯模块，采用ARM，以满足对控制和管理的要求。

本发明混合电场测量***的混合电场传感与测量单元工作原理是：传感器一含有分别感知工频电场和合成电场的接地参考型板式传感器、还有旋转快门传感器二、光栅同步装置，从传感器一引出的两根电压信号经运算放大器放大后，经过RC低通滤波后与整流电路相连，再经过RC滤波后与单片机一的A/D端口相连；传感器二输出信号经放大后，与光栅同步输出信号做乘法，得到具有极性的直流信号，与单片机一的另一A/D端口相连，单片机一的通信端口（RXD 、TXD）分别与无线通信模块一相连，电源模块一与锂电池相连，锂电池经过100uH的电感后分别向述各单元供电。

本发明混合电场测量***工实际应用中操作方法如下：

1、通过手持机，可以设置混合电场、工频电场和合成电场的测试。进入相应的测试功能选项后，首先对测量参数（测量次数、时间间隔，测量时间等）进行设置，设置后进行测试，手持机自动搜寻混合电场传感与测量单元，并判断该传感与测量单元状态，根据设置参数，进行测量，测量进行中以数据和进度条显示测量进度，测试完成后可对数据进行分析、整理和存储。手持机支持测试标准的查询。当连接PC机时，上位机软件自动识别手持机，并可根据用户需要传送测试数据。

2、接地参考型板式电极7与混合电场传感与测量单元联合使用，并使传感与测量单元上的动片3上表面与板式电极7上表面重合，通过板式电极7上的接地装置与测量处大地连接。 

3、根据混合电场的测量结果，直接给出是否满足条件的判定方法描述如下：

分析认为，合成电场对工频电场在人体内感应电流的影响微乎其乎，且工频电场的控制值对人体的感应电流也小于国际认可的限值，综合考虑环境保护和工程造价，本发明采用如下公式控制混合电场，称之为椭圆控制。

     

上式中，Eac，Edc分别为工频电场和合成电场测量值，EacL，EdcL分别为工频电场和合成电场限值。

PC机单元的软件界面设置数据读取、标准查询、数据查询和报告生成等选项。数据读取实时对手持机测量数据的读取和保存，标准查询提供相关的测试标准和环境保护标准内容查询和显示，显示窗口显示从测量数据；排序窗口将数据按小到大的顺序排列；分布曲线图给出了电场的分布曲线（对应多个混合电场探头时），可以直观地了解电场的分布规律；数据查询支持用户查询以保存的历史测量数据；报告生成实现对一次或多次测量数据的归纳并形成规范的测试报告。

测量时，输电线路、变电站的电场测量的测点高度为地面上方10cm，间距可任意设定，一般为2m～5m，以线路导线中间为起点，向两侧顺序测至（极）导线地面投影点外（或换流站围墙外）50m处止或根据实际情况测量至合理范围。

PC机上安装的软件按10个（或用户根据需要设置）测点数据统计，并绘出多个测点的分布曲线，以方便对线路或变电站的环境评价。

电源模块采用低功耗电路设计，用锂电池供电，便于长时间野外测量和携带。

Claims (2)

1.混合电场测量***，包括混合电场传感与测量单元、手持机单元、被测量处接地参考型板式电极；其特征在于：所述混合电场传感与测量单元包括混合电场传感器、信号处理电路、带A/D模块的单片机一、无线通信模块一和电源模块一；

所述混合电场传感器包括感知工频电场的接地参考型板式传感器一、感知合成电场的旋转快门传感器二、切割电场的动片、输出同步信号的同步动片及光栅、驱动电机；自上而下位置关系是：动片、传感器一及传感器二、同步动片及光栅、驱动电机，有垂直向上安装在驱动电机上的通轴将所述动片、传感器一及传感器二、同步动片自上而下依次固连，所述同步动片旋转时可切割光栅；

所述接地参考型板式电极是规格为1m×1m×2mm的铝板，铝板中部开有一个与混合电场传感器外形尺寸一致的孔，铝板的任一角部安装有接地端子；铝板上表面与所述混合电场传感器动片的上表面重合；

从接地参考型板式传感器一引出的两根电压信号依次经过运算放大器放大、RC低通滤波、整流、RC滤波后连接至所述单片机一的A/D端口；所述旋转快门传感器二的输出信号依次经放大、与光栅输出的同步信号做乘法、得到具有极性的直流信号、再连接至所述单片机一的另一个A/D端口，所述单片机一的通信端口（RXD 、TXD）分别与通信模块一相连；

所述手持机单元包括无线通信模块二、单片机二、触屏显示、通信模块三和电源模块二，单片机二分别与通信模块二、触屏显示、通信模块三相连，电源模块二分别向所述无线通信模块二、单片机二、触屏显示及通信模块三供电；

所述无线通信模块一与无线通信模块二之间可相互无线通信，所述无线通信距离不低于50m；所述通信模块三是通过CH431将单片机二的串行通信转换成标准USB接口；所述电源模块一和电源模块二是宽范围单端输入、双端±5伏输出的带隔离型锂电池模块；

所述通信模块三上的标准USB接口，可实现与上位PC机连接；

所述单片机一是ARM，所述单片机二也是ARM；

所述单片机一内还集成有A/D模块，所述A/D模块的分辨率为12位、或者24位；

所述混合电场传感与测量单元的信号处理电路包括幅值放大电路、幅值处理电路和鉴相电路，所述幅值放大电路依次将传感器采集信号放大至伏级、整流滤波、幅值处理后传送至单片机一的A/D模块；所述鉴相电路是用于消除空间离子流入传感器后形成的电流对测量引起的误差、以及判断混合电场中直流分量极性电路。

2.一种采用混合电场测量***测量混合电场方法，其特征在于：

在待测量处，将所述使用接地参考型板式电极水平放置在离地面10cm处高度，并可靠接地，再利用所述混合电场传感与测量单元测量该处的混合电场值，每个测点至少测量100个数据；

采用统计方法得出混合电场平均值作为该点测量值；

输电线路的混合电场分布测量路径选择在线路档距中央，或者是距离最近的两基铁塔距离相等，自线路导线中央，或者是距离两侧最外相或极的导线距离相等处开始，向两侧均匀分布，测点距离为2m~5m，测量至距离外侧导线50m处；

测量结果以工频电场、合成电场描述，根据测量结果得出已测量的该处是否满足电场限值要求。

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