CN111579889A - 一种检测特高压直流输电线下电场强度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测特高压直流输电线下电场强度的装置及方法，属于电场强度检测技术领域。装置包括：绝缘支架、设于所述绝缘支架顶部的石墨板、以及置于所述石墨板上且用于盛装酸溶液或碱溶液的容器；所述石墨板的底部设有接地导线。将装有浓度固定的酸溶液或碱溶液的容器，置于特高压直流输电线下需测定电场强度位置处，采用比色法测定容器中溶液上层圆心位置处的pH值，根据pH值与电场强度E的关系模型，即可确定测点处的电场强度。

Description

一种检测特高压直流输电线下电场强度的装置及方法

技术领域

本发明涉及电场强度检测技术领域，具体地说，涉及一种检测特高压直流输电线下电场强度的装置及方法。

背景技术

近年来，我国率先自主研发并相继建成世界上电压等级最高的±800kV和±1100kV特高压直流输电工程，这对实现我国乃至全球能源优化配置，促进可持续发展具有重要意义。在特高压直流输电网快速、有序推进过程中，相应的特高压直流输电线下电场强度是否超标日益成为公众关注的焦点。

目前，国际上尚未给出频率为0Hz的非时变电场(静电场)暴露限值。在我国，本着以人为本、可持续发展原则，在统筹兼顾社会、环境和经济效益基础上，参照IEEE C95.6TM-2002等标准及静电感应导致的暂态电击试验结果，并结合我国已建成投运的特高压直流输电工程实际，国家***于2008年11月发布了我国电力行业标准《±800kV特高压直流线路电磁环境参数限值》(DL/T 1088-2008)，作为我国直流输电工程电磁环境评价暂行标准。该标准规定线路临近民房时民房处地面的合成场强限值为25kV/m，且80％的测量值不得超过15kV/m，线路跨越农田、公路等人员容易到达区域的合成场强限值为30kV/m。

检测特高压直流输电线下的电场强度，一般采用场强测量仪，如公布号为CN108375699A的专利公开的一种MB便携式场强测量仪，公告号为CN202837412U的专利公开的一种强测量仪等，现阶段应用较多是场磨型直流合成场强测量仪。该仪器的工作原理如下：设仪器处于匀强电场E中，旋转快门定速旋转时，感应电极暴露于电场E的面积呈周期性变化。当感应电极暴露于电场时，其上会积聚电荷，当感应电极被旋转快门遮蔽时，其上的电荷会流散于地中。电荷的积聚和流散均通过电阻R进行，因此通过测量R上的压降即可测得其所在位置的电场强度。这种仪器价格高，且要求仪器使用者具有专业知识，难以在公众中普及使用。同时，根据《直流换流站与线路合成场强、离子流密度测量方法》(DL/T1089-2008)，要求场磨型直流合成场强测量仪应用1m×1m的金属板作为接地板，这一要求导致该仪器携带极不便。目前，市场上缺少一种价格低、方便公众使用的特高压直流输电线下电场强度检测装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种检测特高压直流输电线下电场强度的装置及方法，装置成本较低，可方便携带，且操作简单。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的检测特高压直流输电线下电场强度的装置包括：绝缘支架、设于所述绝缘支架顶部的石墨板、以及置于所述石墨板上且用于盛装酸溶液或碱溶液的容器；所述石墨板的底部设有接地导线。

上述技术方案中，将装有浓度固定的酸溶液或碱溶液的容器，置于特高压直流输电线下需测定电场强度位置处，采用比色法测定容器中溶液上层圆心位置处的pH值，根据pH值与电场强度E的关系模型，即可确定测点处的电场强度。

可选地，在一个实施例中，所述的绝缘支架为可伸缩的三脚架。可方便调节容器的高度。

可选地，在一个实施例中，所述的石墨板呈方形，其面积为9cm²～16cm²。

可选地，在一个实施例中，所述的接地导线暴露于地表之上的部分包裹有一层绝缘材料，底端0.2m～0.5m的裸导线可垂直***地面。

可选地，在一个实施例中，所述的容器高度为5.5cm～6cm，底面直径D是其高度的0.2～0.5倍，且配有专用密封盖；容器内溶液上表面低于容器顶面0.5cm～1cm。

可选地，在一个实施例中，所述的容器及其顶部设置的密封盖均由绝缘且具有耐腐性能的材料制成。测试过程中需打开容器密封盖(即容器正上方敞开)，以减少对电场的屏蔽。

可选地，在一个实施例中，所述的酸溶液的pH值在0～1.9之间，所述的碱溶液的pH值在12.1～14之间。

第二方面，本发明提供的检测特高压直流输电线下电场强度的方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

1)将装有pH值在0～1.9酸溶液的容器和pH值在12.1～14碱溶液的容器，分别置于已知强度的匀强电场中，打开密封盖，静置3s～8s；

2)将带有0.1cm刻度线标记的玻璃棒于容器中溶液上层圆心位置处***液面以下0.1cm，蘸取溶液后滴于试纸上，观察变化稳定后试纸的颜色，以此确定该电场强度下溶液此处的pH值；

3)测定位于不同强度电场中容器中溶液上层圆心位置处的pH值，建立pH值与电场强度E的关系模型(pH值为横坐标、电场强度E为纵坐标的标准关系曲线或pH值和电场强度E大小关系速查表)；

4)将装置置于特高压直流输电线下，使容器位于待测电场强度位置处，打开容器的密封盖，静置3s～8s，重复步骤2)；

5)将步骤4)得到的pH值对应到步骤3)得到的关系模型中，得到待测位置电场强度值。

步骤3)中所述的关系模型包括酸溶液pH值与电场强度E的关系模型以及碱溶液pH值与电场强度E的关系模型。

步骤4)中，若所测pH值大于溶液初始pH值，则选用装有碱溶液的容器检测待测点处的电场强度，同时可判断该测点处电场强度值为正，并利用碱溶液pH值与电场强度E的关系模型确定待测位置电场强度值；若所测pH值小于溶液初始pH值，则选用装有酸溶液的容器检测测点处的电场强度，同时可判断该测点处电场强度值为负，并利用酸溶液pH值与电场强度E的关系模型确定待测位置电场强度值。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

本发明提供的检测特高压直流输电线下电场强度的装置，携带方便，成本低，使用该装置时不要求仪器使用者具有专业知识，容易在公众中普及使用。

附图说明

图1为本发明实施例中酸溶液或碱溶液中的离子迁移示意图；

图2为本发明实施例中容器中液面以下0.1cm圆心位置处酸溶液和碱溶液的pH值与电场强度E的关系示意图；

图3为本发明实施例中检测特高压直流输电线下电场强度的装置的结构示意图。

图中各附图标记为：1、容器；2、石墨板；3、绝缘支架；4、接地导线；5、绝缘材料。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

本实施例在±800kV特高压直流输电线跨越的农田区域中，检测人站立时头顶端位置处的电场强度。

参见图3，本实施例的检测特高压直流输电线下电场强度的装置，包括：容器1、石墨板2、绝缘支架3、接地导线4、绝缘材料5。其中，石墨板呈正方形，面积为16cm²；绝缘支架3为橡胶制成且可伸缩的三脚架，石墨板2底部固定连接包裹有一层橡胶且可折叠的铜导线作为接地导线4，接地导线4底端0.2m为裸导线(无橡胶包裹)。

准备2个呈圆柱形、高度为6cm、底面直径为3cm的塑料容器1，一个容器内装有0.05mol/L盐酸溶液，另一个容器内装有0.05mol/L氢氧化钠溶液，溶液上表面均低于圆柱形容器顶面1cm，且每个容器1均配有专用塑料密封盖。

使用上述装置进行电场强度测量的步骤如下：

S100，将装有0.05mol/L盐酸溶液的容器和0.05mol/L氢氧化钠溶液的容器，分别置于已知强度的匀强电场中，打开密封盖，静置3s～8s；

S200，将带有0.1cm刻度线标记的玻璃棒***容器中液面(溶液上层圆心位置处)以下0.1cm处，蘸取溶液后滴于试纸上，观察变化稳定后试纸的颜色，以此确定该电场强度下溶液的pH值；

S300，测定位于不同强度电场中容器中溶液上层圆心位置处的pH值，分别建立0.05mol/L盐酸溶液、0.05mol/L氢氧化钠溶液的pH值和电场强度E大小关系速查表；

S400，在测点处搭建检测电场强度的装置。将三脚架撑开立于地面，调节三脚架的高度。根据2015年发布的《中国居民营养与慢性病状况报告》来看，成年男性的平均身高167.1cm，容器高度为6cm，因此本实例中调节三脚架高度约为161cm(167.1-6)。然后，将石墨板置于已调好高度的三脚架上，洒少量清水润湿地面后，将裸导线垂直***地面。使装有0.05mol/L盐酸溶液的容器位于待测电场强度位置处，打开密封盖，静置3s～8s后，重复步骤S200；

S500，若所测pH值小于溶液初始pH值，可判断该测点处电场强度值为负，并利用0.05mol/L盐酸溶液pH值和电场强度E大小关系速查表确定待测位置电场强度值；若所测pH值大于溶液初始pH值，则换用装有0.05mol/L氢氧化钠溶液的容器检测待测点处的电场强度，同时可判断该测点处电场强度值为正，并利用0.05mol/L氢氧化钠溶液pH值和电场强度E大小关系速查表确定待测位置电场强度值；

S600，《±800kV特高压直流线路电磁环境参数限值》(DL/T 1088-2008)规定线路跨越农田、公路等人员容易到达区域的合成场强限值为30kV/m。将所测结果与30kV/m进行对比，即可判断该线路下电场强度是否超标。

本实施例的测量原理如下：强酸或强碱溶液中阴离子和阳离子在外加电场E作用下发生迁移，参见图1，正负离子向相反方向运动，产生一个与外加电场方向相反的附加电场，抵消外电场，达到静电平衡状态后，溶液中电场强度处处为零，此时溶液中H⁺或OH^-主要分布在溶液的上层或下层，导致溶液上层或下层的pH值发生显著变化，电场强度越大，溶液上层或下层的pH值变化越明显。采用比色法测定溶液上层的pH值较为方便，因此可通过测定测点处容器中溶液上层圆心位置处的pH值，并结合已建立的容器中溶液上层圆心位置处的pH-E标准关系曲线或pH-E大小关系速查表，确定测点处的电场强度。

强酸或强碱溶液中存在可自由移动的离子，是一种导电介质，静电平衡后，溶液内部电场强度处处为0。设一圆柱形闭合曲面S，其由上表面、下表面和侧面围合而成，其中上表面位于圆柱形容器顶面位置处，下表面位于圆柱形容器中液面以下0.1cm处，侧面位于圆柱形容器内的侧壁处。

设闭合曲面S上各点的电位移矢量为D，根据高斯定理，电位移矢量D在闭合曲面的通量应等于该闭合曲面所包围的净电荷量，即：

∮_SDdS＝∑_Sq_i (1)

其中，∮_SDdS表示穿过闭合曲面的电通量，∑_Sq_i表示曲面内净电荷量(正负自由电荷代数和)。

由于特高压直流输电线下近地面处电场强度主要为竖直分量(即水平分量很小且可忽略)，设电场方向与圆柱形闭合曲面S的上表面和下表面垂直，与其侧面平行，则通过其侧面的电通量为0，通过其上表面和下表面的电通量为：

∮_SDdS＝ε₁E₁Φ+ε₂E₂Φ (2)

其中，ε₁表示空气中的介电常数(ε₁＝1)，E₁表示合曲面S上表面(即测点处)的电场强度，ε₂表示闭合曲面S下表面处的介电常数(即酸溶液或碱溶液的介电常数)，E₂表示闭合曲面S下表面处的电场强度(静电平衡后E₂＝0)，Φ表示容器底面积。

闭合曲面S所包围的净电荷量为：

∑_sq_i＝c₁Φh₁N_Aq (3)

其中，h₁表示闭合曲面S内溶液的高度(如h₁＝0.1cm)，c₁为待定常数，数值上等于闭合曲面S中净电荷的摩尔浓度，即为闭合曲面S所包围溶液中H⁺摩尔浓度与相应酸根离子(如Cl^-)摩尔浓度之差或OH^-摩尔浓度与相应金属离子(如Na⁺)摩尔浓度之差，N_A表示阿佛加德罗常数(N_A＝6.02×10²³)，q表示一个H⁺或OH^-所带的电荷量(q＝1.6×10^-19C)。

结合公式(1)(2)(3)，并代入已知数据，得到：

设闭合曲面S所包围溶液中除c₁Φh₁N_A个H⁺或OH^-之外其余H⁺或OH^-均匀分布，则闭合曲面内溶液中总的H⁺或OH^-浓度c为：

其中，c₀表示强酸或强碱溶液中H⁺或OH^-的初始浓度，h表示容器中总的溶液高度(如h＝5cm)。

考虑到特高压直流输电线下地面附近的电场强度不会超过50kV/m，容器中总的溶液高度为5cm，由于容器中总的H⁺或OH^-数必定大于闭合曲线S所包围溶液中的H⁺或OH^-数，因此c₀h＞ch₁。当E₁为50kV/m时，根据公式(4)，计算得到c₁，进一步根据公式(5)和不等式c₀h＞ch₁，可计算得到强酸或强碱溶液中H⁺或OH^-初始浓度c₀应大于0.0104mol/L，即所选的强酸溶液pH值应在0～1.9之间，所选强碱溶液pH值应在12.1～14之间。

已知闭合曲面S所包围的强酸或强碱溶液中H⁺或OH^-摩尔浓度为c，则强酸溶液pH＝-logc，强碱溶液pH＝14+logc，将根据公式(5)得到的c代入上述强酸溶液或强碱溶液pH值计算公式，经化简得到闭合曲面S所包围的强酸溶液pH值与电场强度E的关系(示意图参见图2(a))为：

pH＝-log(1.017*10^-3E₁+c₀) (7)

闭合曲面S所包围的强碱溶液pH值与电场强度E的关系(示意图见图2(b))则为：

pH＝14+log(1.017*10^-3E₁+c₀) (8)

根据H⁺或OH^-在电场下的迁移方向可推断，无论是强酸溶液还是强碱溶液，在电场强度值为正的条件下，溶液上层的pH值相对于初始pH值会有所增加，相反地，在电场强度值为负的条件下，溶液上层的pH值相对于初始pH值会有所减小。因此，可通过强酸溶液或强碱溶液上层的pH值变化推断电场强度值的正负。

Claims (10)

1.一种检测特高压直流输电线下电场强度的装置，其特征在于，包括绝缘支架、设于所述绝缘支架顶部的石墨板、以及置于所述石墨板上且用于盛装酸溶液或碱溶液的容器；所述石墨板的底部设有接地导线。

2.根据权利要求1所述的检测特高压直流输电线下电场强度的装置，其特征在于，所述的绝缘支架为可伸缩的三脚架。

3.根据权利要求1所述的检测特高压直流输电线下电场强度的装置，其特征在于，所述的石墨板呈方形，其面积为9cm²～16cm²。

4.根据权利要求1所述的检测特高压直流输电线下电场强度的装置，其特征在于，所述的接地导线暴露于地表之上的部分包裹有一层绝缘材料，底端0.2m～0.5m的裸导线可垂直***地面。

5.根据权利要求1所述的检测特高压直流输电线下电场强度的装置，其特征在于，所述的容器高度为5.5cm～6cm，底面直径D是其高度的0.2～0.5倍，且配有专用密封盖；容器内溶液上表面低于容器顶面0.5cm～1cm。

6.根据权利要求1所述的检测特高压直流输电线下电场强度的装置，其特征在于，所述的容器及其顶部设置的密封盖均由绝缘且具有耐腐性能的材料制成。

7.根据权利要求1所述的检测特高压直流输电线下电场强度的装置，其特征在于，所述的酸溶液的pH值在0～1.9之间，所述的碱溶液的pH值在12.1～14之间。

8.一种检测特高压直流输电线下电场强度的方法，基于权利要求1～7任一权利要求所述的装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

1)将装有pH值在0～1.9酸溶液的容器和装有pH值在12.1～14碱溶液的容器，分别置于已知强度的匀强电场中，打开容器的密封盖，静置3s～8s；

2)将带有0.1cm刻度线标记的玻璃棒于容器中溶液上层圆心位置处***液面以下0.1cm，蘸取溶液后滴于试纸上，观察变化稳定后试纸的颜色，以此确定该电场强度下溶液此处的pH值；

3)测定位于不同强度电场中容器中溶液上层圆心位置处的pH值，建立pH值与电场强度E的关系模型；

4)将装置置于特高压直流输电线下，使容器位于待测电场强度位置处，打开容器的密封盖，静置3s～8s，重复步骤2)；

5)将步骤4)得到的pH值对应到步骤3)得到的关系模型中，得到待测位置电场强度值。

9.根据权利要求8所述的检测特高压直流输电线下电场强度的方法，其特征在于，步骤3)中所述的关系模型包括酸溶液pH值与电场强度E的关系模型以及碱溶液pH值与电场强度E的关系模型。

10.根据权利要求8所述的检测特高压直流输电线下电场强度的方法，其特征在于，步骤4)中，若所测pH值大于溶液初始pH值，则选用装有碱溶液的容器检测待测点处的电场强度，同时可判断该测点处电场强度值为正，并利用碱溶液pH值与电场强度E的关系模型确定待测位置电场强度值；

若所测pH值小于溶液初始pH值，则选用装有酸溶液的容器检测测点处的电场强度，同时可判断该测点处电场强度值为负，并利用酸溶液pH值与电场强度E的关系模型确定待测位置电场强度值。

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