0　引言
      工頻電場(chǎng)測(cè)量在諸多科學(xué)研究和工程技術(shù)領(lǐng)域具有重要意義，特別在電力系統(tǒng)、電磁兼容及生物電磁效應(yīng)研究等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。電場(chǎng)強(qiáng)度是電學(xué)中除電流、電壓之外另一個(gè)重要的物理量，也是高壓領(lǐng)域中經(jīng)常需要測(cè)量的重要參數(shù)。在電磁效應(yīng)研究領(lǐng)域和電力系統(tǒng)工程應(yīng)用中，常常需要了解設(shè)備表面和內(nèi)部的低頻電場(chǎng)，如超高壓輸電線路導(dǎo)體表面和附近的電場(chǎng)分布等 。而電場(chǎng)強(qiáng)度的準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)及時(shí)分析電場(chǎng)強(qiáng)度是否過(guò)高，是否適于人體長(zhǎng)時(shí)間身心健康的工作，從而更好地研究并優(yōu)化改進(jìn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，有著至關(guān)重要的意義。
 
      目前工頻電場(chǎng)的監(jiān)測(cè)主要采用工頻電場(chǎng)測(cè)量?jī)x來(lái)進(jìn)行。為了保證工頻電場(chǎng)測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，所以必須定期進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，使其處于受控狀態(tài)，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文介紹在對(duì)工頻電場(chǎng)測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)原理研究的基礎(chǔ)上，研制了一套工頻電場(chǎng)測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝置，可以實(shí)現(xiàn)工頻電場(chǎng)的校準(zhǔn)。
 
1　原理
      本文主要采用平行電板法實(shí)現(xiàn)工頻電場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)法。平行電板法是利用兩塊平行板組成電場(chǎng)產(chǎn)生裝置，將工頻高壓源產(chǎn)生的電壓直接加載到平行板上，從而產(chǎn)生所需的工頻電場(chǎng)強(qiáng)度。電場(chǎng)強(qiáng)度大小由式（1）計(jì)算所得。
E = U/d （1）
 
      為了產(chǎn)生更為均勻的電場(chǎng)，平行板越大越好。理論上電板無(wú)限大時(shí)，所產(chǎn)生的中心電場(chǎng)可視為均勻，電板的邊緣對(duì)于中心場(chǎng)強(qiáng)的影響可以忽略不計(jì)。當(dāng)電板較大時(shí)，兩電板之間的電容就會(huì)越來(lái)越大，產(chǎn)生的容性阻抗較大。普通的信號(hào)發(fā)生器無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)大電板，所以必須將信號(hào)放大之后才能產(chǎn)生高強(qiáng)度的電場(chǎng)。電板的大小以及平行電板之間的壓差也是保證產(chǎn)生均勻電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)。儀器校準(zhǔn)時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)探頭尺寸相對(duì)電板的尺寸可以忽略，把受試探頭當(dāng)成質(zhì)點(diǎn)，將其放入電板產(chǎn)生的均勻電場(chǎng)中，才能忽略探頭插入電場(chǎng)所造成的影響。

 

2　裝置
2.1　工頻電場(chǎng)裝置
      根據(jù)式（1）的原理，將電壓信號(hào)加載到電板上，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的靜電場(chǎng)。由于電板面積較大，組成雙電板，形成的電容器電容較大，常規(guī)的信號(hào)源和功率放大器無(wú)法驅(qū)動(dòng)。工頻段，采用高壓源對(duì)常規(guī)電壓進(jìn)行升壓，從而驅(qū)動(dòng)電板，產(chǎn)生工頻高電場(chǎng)強(qiáng)度。在其他頻段，通過(guò)研制低頻功率放大器，可以滿足驅(qū)動(dòng)大電容器，滿足各類(lèi)型號(hào)電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)。由于各個(gè)廠家的電場(chǎng)探頭尺寸大小不同，電板設(shè)計(jì)之初就考慮各個(gè)型號(hào)之間的插入帶來(lái)的影響。電板尺寸較大，同時(shí)設(shè)計(jì)考慮可以調(diào)節(jié)尺寸，從而滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)部門(mén)所使用的各類(lèi)型測(cè)量?jī)x。
 
2.2　工頻高壓源
      工頻高壓電場(chǎng)測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝置由高壓源（高壓控制器和升壓器）、高壓數(shù)字表組成。高壓源主要功能為將電壓進(jìn)行升壓，通過(guò)電壓互感原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。本次裝置采用的高壓源升壓部分采用的鐵芯為單相芯式，采用優(yōu)質(zhì)冷軋取向硅鋼片疊制而成，緊固方式采用鋼材作夾件。高壓線圈為圓筒多層塔式，由優(yōu)質(zhì)聚酯漆包線及耐壓高絕緣材料繞制而成。低壓線圈在外，儀表線圈為一獨(dú)立繞組，一般情況下為100 V。將工頻電磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x放置在電板中間位置。將高壓源連接線連到電板上。當(dāng)升壓以后，加載到電板兩端的電壓為工頻高電壓，普通的數(shù)字多用表無(wú)法承受高壓。以 34401A 為例，測(cè)量交流電壓時(shí)，最大測(cè)量范圍為 750 V，所以必須使用高壓數(shù)字表進(jìn)行監(jiān)測(cè)，才能真正監(jiān)測(cè)到加載至電板兩端的電壓。高壓毫伏表對(duì)電壓進(jìn)行衰減，然后通過(guò)高阻進(jìn)行分壓從而在顯示器上進(jìn)行顯示。對(duì)分壓部分按比例進(jìn)行推算出電壓為多大。根據(jù)校準(zhǔn)工頻電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)置高壓源控制器，使高壓毫伏表上的電壓為需求電壓，再依次調(diào)制輸出電壓大小，將工頻電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的示值依次記錄下來(lái)。
 
2.3　電板
      導(dǎo)電性優(yōu)良、板塊較大的電板所產(chǎn)生的電場(chǎng)可以有效地減少探頭插入時(shí)對(duì)中心電場(chǎng)的影響。然而電板尺寸較大時(shí)，加載到電板上的電壓就容易帶來(lái)每塊電板導(dǎo)線連接點(diǎn)到板四周的電壓差（簡(jiǎn)稱壓差）。電板產(chǎn)生的壓差，使電場(chǎng)發(fā)生變化。中心電場(chǎng)強(qiáng)度與周邊電場(chǎng)強(qiáng)度大小不一，從而造成電場(chǎng)不穩(wěn)定、不均勻。
 
      系統(tǒng)選用厚度為 2 mm 的鋁板，考慮到電板面積較大，如果工頻高壓源輸出端接到電板上，接觸點(diǎn)到電板其他地方距離較遠(yuǎn)，容易造成壓差。裝置采用防電襯墊對(duì)靠近人的一面進(jìn)行固定，同時(shí)將電板放置在高 75 cm 的木桌上，中間開(kāi)孔，便于儀器校準(zhǔn)工頻電場(chǎng)探頭出入，減少大地對(duì)電板的影響。為了檢驗(yàn)電板中間是否存在電壓差，將多用表的兩表筆放在板的任意兩點(diǎn)，可測(cè)得同一塊電板上任意兩點(diǎn)之間的電壓幾乎都為零，很好地滿足了 IEC61786-2013[5] 中對(duì)電板電壓差在 1% 之內(nèi)的要求，從而保證了兩電板之間的空間中任意一點(diǎn)所產(chǎn)生電場(chǎng)的均勻性。為了減少大地對(duì)電板上電壓的影響，必須將電板遠(yuǎn)離大地以及導(dǎo)電物體。由于電板為 1.5 m，板中心到板邊緣的距離為 0.75 m，所以采用距離地面 0.75 m 的木質(zhì)結(jié)構(gòu)桌面，將電板懸在空中，將桌子中間設(shè)計(jì)為空性，方便放置探頭，最大化減少外界帶來(lái)的影響。

 

2.4　支撐結(jié)構(gòu)
      目前廣泛使用的工頻電場(chǎng)測(cè)量?jī)x，其絕緣支架大都是木質(zhì)（或環(huán)氧樹(shù)脂架）結(jié)構(gòu)。對(duì)于木材來(lái)說(shuō)，在其干擾狀態(tài)下，其導(dǎo)電性極小，可視為絕緣體。但是木質(zhì)結(jié)構(gòu)含水分，特別是水分在木材纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，含水率越高，木材導(dǎo)電性越強(qiáng)。然而，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)來(lái)講，降低探頭的插入對(duì)場(chǎng)帶來(lái)的畸變影響，減少外界干擾帶來(lái)的影響，這些都是裝置必須要考慮的。所以，木材支架或者環(huán)氧樹(shù)脂支架對(duì)場(chǎng)都有或多或少的影響。項(xiàng)目經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，支架采用常規(guī)的泡沫支撐，對(duì)于場(chǎng)帶來(lái)的影響最小。而且支撐較輕，搭建容易，方便校準(zhǔn)不同型號(hào)的測(cè)量?jī)x。故本裝置采用四個(gè)不同泡沫支撐架來(lái)組成各類(lèi)型號(hào)校準(zhǔn)所需的支架結(jié)構(gòu)。

 

3　系統(tǒng)驗(yàn)證
      為了驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確可靠，采用 Holaday 公司的工頻場(chǎng)強(qiáng)儀 HI-3604 與國(guó)家院、華南院進(jìn)行比對(duì)。比對(duì)數(shù)據(jù)如表 1、表 2 所示。根據(jù)表 1 和表 2 工頻電場(chǎng)比對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果，可以得出裝置所產(chǎn)生的工頻電場(chǎng)與國(guó)家院、華南院工頻電場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果相近，可以驗(yàn)證系統(tǒng)的一致性。

 

4　結(jié)語(yǔ)
      根據(jù)理論推導(dǎo)，采用電壓升壓器組成的高壓源、高壓源控制器、高壓毫伏表、電板等設(shè)計(jì)出的工頻電磁場(chǎng)校準(zhǔn)裝置，可以產(chǎn)生工頻電場(chǎng)強(qiáng)度 10 V/m ～30 kV/m，經(jīng)過(guò)實(shí)際比對(duì)驗(yàn)證，滿足目前社會(huì)上大多數(shù)使用工頻電磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)需要。在實(shí)際儀器校準(zhǔn)過(guò)程中，需要加強(qiáng)對(duì)溫濕度等相關(guān)外界因素的控制。在后續(xù)的工作中，需要進(jìn)一步研制更高強(qiáng)度的工頻電場(chǎng)測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝置。

• 上一篇：溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱校正相關(guān)問(wèn)題
• 下一篇：JJF1808-2020《槍彈測(cè)速儀校驗(yàn)規(guī)范》解讀