工频电场测量仪的校准装置

左建生/上海市计量测试技术研究院

0 引言

工频电场测量在诸多科学研究和工程技术领域具有重要意义，特别在电力系统、电磁兼容及生物电磁效应研究等领域都有广泛的应用。电场强度是电学中除电流、电压之外另一个重要的物理量，也是高压领域中经常需要测量的重要参数。在电磁效应研究领域和电力系统工程应用中，常常需要了解设备表面和内部的低频电场，如超高压输电线路导体表面和附近的电场分布等[1]。而电场强度的准确测量，对及时分析电场强度是否过高，是否适于人体长时间身心健康的工作，从而更好地研究并优化改进设备的运行状态，有着至关重要的意义。

目前工频电场的监测主要采用工频电场测量仪来进行。为了保证工频电场测量仪测量结果的准确可靠，所以必须定期进行校准，使其处于受控状态，保证测量结果的准确性[2]。本文介绍在对工频电场测量仪校准原理研究的基础上，研制了一套工频电场测量仪校准装置，可以实现工频电场的校准。

1 原理

本文主要采用平行电板法实现工频电场来产生标准场强法[3-4]。平行电板法是利用两块平行板组成电场产生装置，将工频高压源产生的电压直接加载到平行板上，从而产生所需的工频电场强度。电场强度大小由式（1）计算所得。

为了产生更为均匀的电场，平行板越大越好。理论上电板无限大时，所产生的中心电场可视为均匀，电板的边缘对于中心场强的影响可以忽略不计。当电板较大时，两电板之间的电容就会越来越大，产生的容性阻抗较大。普通的信号发生器无法直接驱动大电板，所以必须将信号放大之后才能产生高强度的电场。电板的大小以及平行电板之间的压差也是保证产生均匀电场强度的关键参数。校准时，场强探头尺寸相对电板的尺寸可以忽略，把受试探头当成质点，将其放入电板产生的均匀电场中，才能忽略探头插入电场所造成的影响。

2 装置

2.1 工频电场装置

根据式（1）的原理，将电压信号加载到电板上，产生一个稳定的静电场。由于电板面积较大，组成双电板，形成的电容器电容较大，常规的信号源和功率放大器无法驱动。工频段，采用高压源对常规电压进行升压，从而驱动电板，产生工频高电场强度。在其他频段，通过研制低频功率放大器，可以满足驱动大电容器，满足各类型号电场测量仪的校准。由于各个厂家的电场探头尺寸大小不同，电板设计之初就考虑各个型号之间的插入带来的影响。电板尺寸较大，同时设计考虑可以调节尺寸，从而满足环境监测部门所使用的各类型测量仪。

图1 工频电场测量仪校准装置

2.2 工频高压源

工频高压电场测量仪校准装置由高压源（高压控制器和升压器）、高压数字表组成。高压源主要功能为将电压进行升压，通过电压互感原理来实现。本次装置采用的高压源升压部分采用的铁芯为单相芯式，采用优质冷轧取向硅钢片叠制而成，紧固方式采用钢材作夹件。高压线圈为圆筒多层塔式，由优质聚酯漆包线及耐压高绝缘材料绕制而成。低压线圈在外，仪表线圈为一独立绕组，一般情况下为100 V。将工频电磁场测量仪放置在电板中间位置。将高压源连接线连到电板上。当升压以后，加载到电板两端的电压为工频高电压，普通的数字多用表无法承受高压。以34401A为例，测量交流电压时，最大测量范围为750 V，所以必须使用高压数字表进行监测，才能真正监测到加载至电板两端的电压。高压毫伏表对电压进行衰减，然后通过高阻进行分压从而在显示器上进行显示。对分压部分按比例进行推算出电压为多大。根据校准工频电场强度设置高压源控制器，使高压毫伏表上的电压为需求电压，再依次调制输出电压大小，将工频电场测量仪的示值依次记录下来。

2.3 电板

导电性优良、板块较大的电板所产生的电场可以有效地减少探头插入时对中心电场的影响。然而电板尺寸较大时，加载到电板上的电压就容易带来每块电板导线连接点到板四周的电压差（简称压差）。电板产生的压差，使电场发生变化。中心电场强度与周边电场强度大小不一，从而造成电场不稳定、不均匀。

系统选用厚度为2 mm的铝板，考虑到电板面积较大，如果工频高压源输出端接到电板上，接触点到电板其他地方距离较远，容易造成压差。装置采用防电衬垫对靠近人的一面进行固定，同时将电板放置在高75 cm的木桌上，中间开孔，便于校准工频电场探头出入，减少大地对电板的影响。为了检验电板中间是否存在电压差，将多用表的两表笔放在板的任意两点，可测得同一块电板上任意两点之间的电压几乎都为零，很好地满足了IEC 61786-2013[5]中对电板电压差在1%之内的要求，从而保证了两电板之间的空间中任意一点所产生电场的均匀性。

为了减少大地对电板上电压的影响，必须将电板远离大地以及导电物体。由于电板为1.5 m×1.5 m，板中心到板边缘的距离为0.75 m，所以采用距离地面0.75 m的木质结构桌面，将电板悬在空中，将桌子中间设计为空性，方便放置探头，最大化减少外界带来的影响。

2.4 支撑结构

目前广泛使用的工频电场测量仪，其绝缘支架大都是木质（或环氧树脂架）结构。对于木材来说，在其干扰状态下，其导电性极小，可视为绝缘体。但是木质结构含水分，特别是水分在木材纤维饱和点以下时，含水率越高，木材导电性越强。然而，对于实验室校准来讲，降低探头的插入对场带来的畸变影响，减少外界干扰带来的影响，这些都是装置必须要考虑的。所以，木材支架或者环氧树脂支架对场都有或多或少的影响。项目经过大量实验发现，支架采用常规的泡沫支撑，对于场带来的影响最小。而且支撑较轻，搭建容易，方便校准不同型号的测量仪。故本装置采用四个不同泡沫支撑架来组成各类型号校准所需的支架结构。

图2 装置实物图

3 系统验证

为了验证系统的准确可靠，采用Holaday公司的工频场强仪HI-3604与国家院、华南院进行比对。比对数据如表1、表2所示。

表1 工频电场比对数据

表2 工频电场比对数据

根据表1和表2工频电场比对数据结果，可以得出装置所产生的工频电场与国家院、华南院工频电场校准结果相近，可以验证系统的一致性。

4 测量不确定度

根据装置的组成以及电场计算式（1）可得，装置的测量不确定度由以下几个方面组成：

1）边缘效应带来的误差。由于式（1）产生的电场为静电场，只有平行板无穷大时，对中心场强的影响才可以忽略。在频率升高时，平行板间电压随位置变化而变化，板边缘的电场线不再垂直于两板，方向逐渐向外辐射。根据IEC 61786-1-2013中，当中心距离边缘大于等于0.6 m时，边缘及板距对中心场强的影响可忽略不计。本文采用1.5 m×1.5 m的电板，校准时，中心位置在0.75 m处，故边缘及板距对场强仪的影响可以忽略不计。

2）毫伏表监测电压带来的不确定分量为0.58%。

3）测量重复性带来的不确定度分量为1.8%。

综上所示，由于各项误差来源不相关，工频电场强度校准装置测量的合成标准不确定度为

扩展不确定度为

5 结语

根据理论推导，采用电压升压器组成的高压源、高压源控制器、高压毫伏表、电板等设计出的工频电磁场校准装置，可以产生工频电场强度10 V/m～30 kV/m，经过实际比对验证，满足目前社会上大多数使用工频电磁场测量仪的校准需要。在实际校准过程中，需要加强对温湿度等相关外界因素的控制。在后续的工作中，需要进一步研制更高强度的工频电场测量仪校准装置。