電場傳感器標(biāo)定裝置優(yōu)化設(shè)計論文

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1便攜式電場傳感器標(biāo)定裝置的優(yōu)化設(shè)計原理

本文工作中設(shè)計的便攜式電場傳感器標(biāo)定裝置，其基本結(jié)構(gòu)由兩個平行極板構(gòu)成，標(biāo)定裝置的下極板開有圓孔，并采用特殊夾具固定被檢電場傳感器。被檢電場傳感器的動片與標(biāo)定裝置的下極板平齊，使得被檢電場傳感器無需進(jìn)入標(biāo)定裝置的上、下極板之間的空間，即可感應(yīng)到其電場。

2電場傳感器標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計分析

基于有限元的相關(guān)理論，首先對標(biāo)定裝置的機械結(jié)構(gòu)建立模型。黃色部分為標(biāo)定裝置，藍(lán)色部分為電場傳感器。然后，對幾何模型進(jìn)行單元剖分、加載，可求解出標(biāo)定裝置兩極板間的電場分布情況。根據(jù)求得的電場分布情況，可進(jìn)行標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計。在計算求解過程中，改變加載在兩極板間的電壓，使兩極板間形成的電場強度的理論值始終為20kV/m。被標(biāo)定的場磨式電場傳感器外殼直徑8cm，感應(yīng)片直徑6cm，傳感器外殼與標(biāo)定裝置的下極板接觸。

2.1標(biāo)定裝置極板間距和極板直徑對電場的影響研究

在標(biāo)定裝置的設(shè)計上，受限于被檢電場傳感器的尺寸，以及要考慮標(biāo)定裝置的便攜性，把標(biāo)定裝置的極板直徑L固定為16cm。在L固定的條件下，分析兩極板間距H對極板間電場強度的影響，并以此確定極板間距H。依照圖2所建立的模型，取H值分別為1cm,2cm,3cm,4cm和5cm,，。橫坐標(biāo)是電場傳感器感應(yīng)片距離標(biāo)定裝置中心的橫向距離，單位為m；縱坐標(biāo)是感應(yīng)片某一位置處的電場強度，單位是V/m。同時，在感應(yīng)片的敏感范圍（x<0.03m）內(nèi)，電場強度并非恒定值，而是隨著與標(biāo)定裝置中心距離的增加發(fā)生了畸變。圖6為極板間電場強度實際值的畸變情況。理想情況下，在感應(yīng)片的敏感范圍內(nèi)，電場強度應(yīng)保持不變，但由于標(biāo)定裝置中極板邊緣效應(yīng)的存在，使得感應(yīng)片敏感區(qū)域內(nèi)的電場不是一個恒定值，距離電場傳感器的外殼越近，畸變程度越大。定義在感應(yīng)片敏感范圍（x<0.03m）內(nèi)各個位置處電場強度的平均值與理論值之比為電場強度的畸變率，并用該值來衡量電場強度的變化程度。畸變率越小，說明所產(chǎn)生的電場越接近均勻分布。綜上，在極板直徑固定為16cm時，極板間距為5cm時，電場強度的實際值與理論值最為接近，且在電場傳感器感應(yīng)片感應(yīng)區(qū)域內(nèi)電場的畸變最小。同時，在保證H/L小于0.5的條件下，極板直徑L對實際電場的影響非常小。

2.2傳感器外殼與標(biāo)定裝置的相對位置研究

當(dāng)標(biāo)定裝置與被檢電場傳感器配合不好時，容易使被檢電場傳感器相對于標(biāo)定裝置發(fā)生傾斜。模型中，極板直徑為16cm，極板間距為1cm，傾斜角度為1.5°。標(biāo)定裝置的傾斜，會對被檢電場傳感器感應(yīng)片上方的電場分布造成較大影響。圖9是基于圖8的傾斜模型計算得到的感應(yīng)片上方的電場強度的橫向分布。由于相對傾斜后，模型不再對稱，因此分析了整個感應(yīng)片上方（-3cm~3cm）的電場強度的橫向分布，并將結(jié)果與沒有相對傾斜時的感應(yīng)片上方電場分布作了比較。被檢電場傳感器與標(biāo)定裝置在相對傾斜角為1.5°時的電場的畸變情況，比沒有相對傾斜時嚴(yán)重。有相對傾斜時，感應(yīng)片上方電場分布更加不均勻，因而被檢電場傳感器與標(biāo)定裝置間的相對傾斜會對標(biāo)定結(jié)果產(chǎn)生較大影響。在標(biāo)定裝置設(shè)計中，應(yīng)使標(biāo)定裝置與被檢電場傳感器的外殼的直徑盡可能接近（極限情況是外徑與孔徑的差值為零），以使得兩者緊密結(jié)觸，從而保證被檢電場傳感器與標(biāo)定裝置之間不會發(fā)生相對傾斜。

3便攜式標(biāo)定裝置的優(yōu)化設(shè)計和實驗結(jié)果分析

當(dāng)輸出為-3kV至+3KV的可調(diào)直流電源加在兩極板上時，兩極板間的電場強度理論值的范圍為-60kV/m~+60kV/m。使用在標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定裝置中標(biāo)定好的電場傳感器測量本文工作中所設(shè)計的便攜式標(biāo)定裝置中的實際電場。實測電場強度與所加電源電壓之間有良好的線性關(guān)系，同時，實測電場小于理論電場，兩者的比值約為0.92，這與給出的仿真結(jié)果吻合。在野外的實際標(biāo)定過程中，保持被檢電場傳感器與標(biāo)定裝置的位置不變，使得電場強度理論值與實際值的比值保持不變，在此基礎(chǔ)上，可以通過加在兩極板間的電壓計算出電場強度的理論值，計算出電場強度的實際值。然后，通過電場強度實際值與被檢電場傳感器輸出值兩者間的關(guān)系，計算出被檢電場傳感器的靈敏度，實現(xiàn)對被檢電場傳感器的標(biāo)定。經(jīng)過較長時間的現(xiàn)場使用，所研發(fā)的便攜式標(biāo)定裝置能夠方便、快捷地對場磨式電場傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。目前，該校準(zhǔn)裝置已經(jīng)應(yīng)用于中國電力科學(xué)研究院特高壓直流實驗基地中特高壓直流輸電線路地面合成電場測量系統(tǒng)中，并已取得了良好的效果。

4結(jié)論

綜上，可得出以下結(jié)論：本文給出了標(biāo)定裝置及電場傳感器的有限元模型，基于該模型，采用有限元方法對電場傳感器標(biāo)定裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析和設(shè)計，所設(shè)計的標(biāo)定裝置克服了傳統(tǒng)標(biāo)定裝置體積大、不便于移動的缺點。標(biāo)定裝置兩極板間距和極板直徑對電場的影響較大，當(dāng)兩極板間距離為5cm時，產(chǎn)生的電場的畸變率較小。被檢電場傳感器與標(biāo)定裝置的相對位置對標(biāo)定結(jié)果影響較大，在實際使用中，兩者的相對位置必須固定。本論文工作的研究成果，可為野外長時間地面合成電場測量和監(jiān)控工作提供良好的基礎(chǔ)條件和保障。

作者:崔勇 袁海文 趙錄興 胡多 單位:北京航空航天大學(xué) 中國電力科學(xué)研究院 國網(wǎng)山西省電力公司檢修分公司