【国家标准(GB)】 工频电场测量

中华人民共和国国家标准
工频电场测量
Measurementofpowerfrequency
electric fields
本标准参照采用国际标准1EC833（1987）《工频电场测量》：1主题内容与适用范围
GB T 12720—91
本标准规定了工频电场测量所使用的术谱、测量仪器的基本工作照理、校和校准检验的方法，电场强度测量程序以及辨认重要的测量误差源并给出允许的不确定度，：本标准适用于市场上已有的和（或）通用的场强仪对气体中（空间或地面）工频准均幻电场的电场强度的测量，也适用于按照本标准所描述的程序校正的其它场强仪。2术语
2.1电场强度
当二导体带电时，导体周围受到影响，因此若带电粒了被引入此空间，则在任意瞬间均经受到方向一定的力。即有电场存在于此空间。在任意点的电场强度是失量、它等十位于该点单位正电荷所受的力。在本标准中考虑了种型式的电场，单相交流电场利三相交流电场，甩场强度的大小以每米的伏特数（m）来表示。
2.2单相交流电场
当一个单相电压源连接到导电的边界面（例如电极）时，在受影响空问的任意点产生沿--間定轴振荡的中场久量。
2.3三相交流电场
半一个交流三相电压源分别各连接到一导电的边界面（例如电极）时，通常产生个在空间旋转的也场矢量。该旋转矢量描绘一椭刚，它的长半轴代表电场强度最大值的大小和方向，其短半轴代表电场强度的最小值的大小和方向，Ⅱ滞后于最大值四分之周期，在导电界面！，旋转欠量为一振荡矢量，它的方向乘点了表而。
3电场强度测量仪
3.1概述
在本标准中考虑了三种类型的测量电场强度的仪器。它们足：感谭体型
b.地参考型；
c.光电型。
一个电场强度仪般由探头或传感器和由模拟或数字融示的信号处理电路纠成的检测器以及由探头到检测器的信号传输通道（导线或光纤等）三部分组成。当进行电场强度测量时，观察者必须离探头足够远，以避免使探头处的电场有明显的畸变（6.2，6.3，6.1条）。探头的尺小应使得引入探头行测量时，产生电场的边界面（带电或接地表面）上的电荷分布没有明显的畸变（4.2.6.2和.3条）。当场强仪在均勾电场中校准过后（4.2茶），被测电场不而要很均匀（附录^。A7）场强仪测量振荡或旋转电场欠量在探头主轴方向上的投影，场独仪读数校准到假定为-纯正弦的电场强度的有效侦，国家技术监督局1991：0201批准199110G1实施
GB/T 12720
能同时测量空间某一点电场强度的三个正交分量的悬浮体探头（三维探头)可用来测量最人场强。这种探头在本标准中不详细讨论，因为它们是被认为下而所讨论的悬浮体型场强仪的延仲3.2悬浮体场强仪
悬浮体场强仪的工作原理是测量引入到被测电场的个孤立导体的两部分之间的工频感应电流和感应电荷，它用于在地面以上的地方测量空间电场，并且不要求一个参考地电位，它通常做成携带式。悬浮体场强仪的指示器可以放在探头内构成探头的一个组成部分，探头和指示器用一个绝缘手柄或绝缘体引入电场。还有-一种远距离显示电场强度的息浮体场强仪，信号处理回路的·部分装在探头内，指示器的其余部分放在一个分开的壳体内并有模拟或数字显示。采用光导纤维把探头和显示单元连接起来。这种型式的探头也可用-绝缘手柄或绝缘体引入电场。悬浮体场强仪主要用电池供电：悬浮体场强仪形状示于图1a和图1b所有的探头可以考虑为偶极子，当球形探头（图1a）位于-均匀场内，分并两半球的平面垂直于电场，在一个半球上的感应电荷有效值Q为：Q- Tt.r\f
式中：m—-真空的介电常数;
球半径：
E一一均句电场强度，有效值。
在公式（1）中Q对时间的正弦关系未反映出束，这-做法将贯穿在整个标准中：公式（1）表示测量感应电荷可度量电场强度。同样，对此电荷采用电子线路微分得到的感应电流！，也可以用来测定场强：
/.- 3Ttmwr?E
式中：角频率（2）3
对于对称性较差的平行板偶极产（图1b），公式（1）和公式（2)分别以下面形式的公式米代替：Q-KE
K是与儿何形状有关的一个系数，由校准求确定。平行板场强仪（图1b）也是出测量在板上感应电荷或悠应电流来确定场强的。3.3地参考场强仪
这种型式的仪器用来测量地面处的场强。探头可以由一块平板和一个安装在源绝缘层上的接地电极组成，或者由一薄绝缘层分开的两平行板组成，如图1℃所示。后者的下板接地。这种情况下的传感电极用屏蔽电缆与指示器相联。假定没有电场的边缘效应，在传感电极中的感应电荷由公式（5）给出：
式中：S—传感平板的面积
微分感应电荷得到关系：
I-Sotat
（5）
因为探头足由板组成的，它的使用局限于平班的地面，对界面上电荷分布的畸变通常是不大的。当探头用于非均匀电场中时，应注意所测场强是在探头表面上的平均场强。地参考型场强仪可以由电池或交流电源来供电，但要求有一参考地电位必须注意在图1‘中所示探头也可于带电的平表面，只要指示器的参考电位和带电表面样。GB/T 12720- 91
在这种情况下，必须采取远距离观察模拟或数字显示的措施（例如使用光纤连接或者从定距离以外观察显示）。
3.4光电场强仪
本标准中考虑的光电场强仪利用介质晶体探头中的波克尔氏（Pockels）效应确定电场强度。和悬浮体场强仪相似，因为它们是携带式的，允许测量空间场强，且不要求有一参考地电位。介质探头和指示器用光缆连接。光缆将指示器中的光源的光送到探头并从探头传送到指示器，图1d是探头简图，它使用波克尔氏效应，在一个完全定向的介质晶体中，电场引起光的双折射它的大小正比于场强，通过晶体（该晶体有时被透光的电极覆盖）和有关光元件偏振光的强度被感应的双折射所调制。透射光1,对入射光！的比例如下：1.//= (1 + sinM) /2
武中：M下
入———光的波长；
n—晶体的折射指数；
E——晶体内部的场强：
c—光电系数：
L——晶体的厚度。
+++0（）
公式(7)中的关系是假定晶体本身不发光，光调制的幅值是晶体内部场强的度量，从而也是外部电场的闻接度量。
平行极探头
输出光
GB/T12720—91
a球形探头
C地参考型探头
174波感光片
波尔效择
一检片
光电探头
嘟 场强仪的主要形式
北纤联结
4校准电场和校准的检验
GB/T 12720—91
4.1概述
校准需要一足够大的已知场强的均勾电场，在什么气体中测量就在什么气体中校正。产生校准电场的装置的理想特性是：
盈，装置的尺寸足够大，使探头不对产生电场的电极表面上的电分布产生明显的干扰；b．均匀场区域足够大，以使在探头位置处场强值的不确定度减小到可接受的水平，c，电场不因邻近物体，地面或进行校准的操作人员而产生明显的畸变。一日场强仪在已知场中进行了校准，还需要个方便的对校准进行检验的方法。下面叙述个具有上面所述特性的校准电场装置和对校准过的场强仪的校准作检验的方法。4.2用平行板产生均匀校准电场
只要板的间距相对板的尺寸来说足够小，用平行板可以产生用于校准的大小和方向已知的均匀场区域。均勾场强值Ec为U,d，L/是所加的电位差，d是板的间距。图2所示为在板表面和在半无限平行板中间电场标么值EE，的大小对从平板边缘算起的距离标么值X/d的函数，图2中的曲线和在表1中相应的数值表明在离边缘一个板间距处，由于边缘效应而使均匀度偏离0.1%，对于有限尺寸的正方形板，当一个边的边缘效应小于0.1%时，可以由登加来估算四个边的边缘效应。有限尺寸的平行板间电场的数字计算认为对于从平行板边缘向内一个板间距处使用表1中的结果估计边缘场效应约有0。04%差异。这些结果在没有由于附近的接地物体而产生的畸变时是有效的。若用中间抽头变压器对平行板加压，这种干扰可以减小。表1处于平行板中间和板表面上的归一化的电场值平
0, 891
“3/3
平板边缘
GB/T 12720—91
牛钣丧面
于西平板中间
白逆绿的熙离标么值X/选
限大平板
Fa= fd
图2半无限大半行板间的电场（标么值表示）图3所示为适合于悬浮体型场强仪校准用的一个例子装置。间距10.75m的金属板或绷紧铺设在1.51×1.5m框架的金属网（孔尺寸约1mm），用于构成一平行板结构。此板用一个在输出引出线中具有合适的限流电阻的中间抽头变正器加压。在校准过程中应遵守高压实验室安全规则。采用上述尺寸，在电极系统中央可建立一个均匀场值，α，在1%以内变化的校准川均句场强，悬浮体型场强仪在电场测过程巾中通常用作支撑的绝缘棒引入平行板结构的中央。如果绝缘手柄或绝缘体（或光纤联接）的方向相对探头可以变动，则校准过程中其方向应和电场测量过程中一样。只要被校准的场强仪对角线的尺寸不大于(1.23m，校准的不确定度就小于1%，板边缘对附近地表面（墙、地等等）或物体之间的距离至少应0.5㎡。为校准更大或更小的场强仪，平行板的尺寸可以按比例放大或缩小，其它装置如能达到同样的不确定度（小于1%）也可以使用。例如强迫均压加护环的方法，用圆角电极等，
GB/T 12120 --
图3用于校准电场强度仪的平行板为校难一个地参考型场强仪，图3所示中央抽头的布置叫改为底板接地，探头必须放在接地的底板上。因为加大了平板探头与项板之间的距离，大大减小由于探头引起的顶板电荷分布的赔变，前面指出的平行板间距（0.75m）也可以减小，从而扩大了近似均勾区域的横向范围（见图2和表1）。平行板间距应不小于1.5倍探头的侧面尺寸，并探头的边缘距底板的任一边缘不小丁2倍板间距。平行板与录近的地面（墙、地等等）之间的距离应大于2倍板间距，指示器应有屏蔽，并放在平行板的外面，采用以上的限制后，校准场的变化将在均勾场值11.d的0,5%以内。其它装置如能达到同样的不确定度（小于0.5%）也可以使用。4.3校准检验
下面介绍一种注入电流法：
姆果一个感浮体或地参考型场强仪感应电流对电场强度的比值1，F已经由校准确定了，而且这确定感在表的校准之后立即进行的，那么注入电流回璐可用于检验表的校准。使用图1所示的回路向一个被检验的悬浮体型场强仪探头的传感板注入-已知电流，V是一精密电压表，么是一已知阻抗，它至少比场强仪的输入阻抗值大两个数量级。于是可以用欧姆定律算出被注入的电流。虽然电阻和电容都可以作图1中所示的阻抗，但推荐使用电阻。因为电容器的导纳随频率增加。因而，与使用电阻相比（附录A，A1、A4），电压源中的谐波会带来更大的误差。电激
图4电流注入校验
可用一个与图4相似的回路来检验一个地参考型场强仪的校准，只要将同路（图1）中地一-边的阻抗拿掉，而将剩下的阻抗镇加倍。GB/T12720--91
如果使用电流注入，应使用合适的屏蔽以消除从室内诸如内部照明、带电导线或附近的电力电源等周围干扰源的信号影响。如果由于场强仪的设计屏蔽不够好，由下面两种程序中的一种可以指示出周围干扰电场的大小。在第一种程序中，注入信号和干扰信号之间的相位关系，由于交换悬浮体场强仪传感板的引线或者颠倒地参考场强仪的电源线而变化。如果场强仪的一给楚读数要求的注入电流对两种接线是一样的，干扰信号就可忽略；如果存在有小的差异，两个读数的平均值就是所要求的在没有十扰时的读数值。在第种程序中，以短接线代替图4中的电压源，于是仪器将指示出十扰信号的大小。通常，于扰信号应被限制至小于被测场强最大值的3%，在要求更高精度的情况小于1%。为了达到上述水平可能需要改进电流注入引线的屏蔽或者是在距离于扰源更远的地方进行校准检验。上述检验程序的有效性，依赖于般定在均匀电场中校后，场强仪探头的几何形状没有改变。如果光电型场强仪（3.4条）的透光电极可进行电气联接：且已在一均勾电场中校准过，可以用一电压源检验这种场强仪的校准。回路可以与图4相似，但需去除阻抗。其它检验法，如小平板法，自检法，只要达到检验精要求也可以使用。5校准程序
场强仪应在一如同4.2条中所述用平行板产生的近似均匀电场中进行校准，如果场强仪读数与频率有关，用来校准的电源的频率应与被测场的频率相同。校准就是取、-合适的系数K二场强（E）/格，即场强仪单位读数代表多少场强。推荐程序如下；
a，在场强仪的每个量程33%～100范册内至少均勾地取三点，每一点对应--计算场强，F=1d。(是校准板上的电位差，d是校准板的间距。高压测量的不确定度应不大于0.5%。b旋转场强仪的手柄或绝缘体，得到仪器上的-最大读数，此方向应在垂直方向的10以内。c．K，-E格、Fi是计算场强，格为该计算场强下仪器上的最大读数。取几个测量点K;的平均值即为场强仪的刻度系数K。
d，用系数K乘上仪器上的读数那得到测量值在33%～100%最程范围内测得的场强值偏差应在计算场强的土5%以内。如图5所示。如果误差超过5%，则认为仪器不符合要求。/A*
计算互
电压，Vwww.bzxz.net
图5校准的电场和偏差水平
可在校准的同时进行校准的检验，如果没有平行板装置，可以用校准检验方法代替均勾电场的校准。为了保证获得可靠的场强测量，在任系列测量过程中至少每天进行一次校准检验，用来校准和校准检验的供电电源的电压应几乎没有（小于1）谐波分量：不能得到时，应对由于存在谐波引起的测量不确定度逊行定量，并记录下来。..com6场强测遣
6.1就述
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为了对工赖电场测量提供指导，下面举两个例了：高压输电线周围的场强测量和靠近一个球-板电极系统的场强测量。球板中极情况下的测量程序可用丁很多电场几何形状不明确的实际情说，例：变泡站的电场。选择这两个例了是因为在这两种情况下能叫起测量误差观察者的邻近效应有很大的不同：其它测量误差源在下面以及附录A中阐明。6.2三相输电线
违常，一个三相输电线的电场矢量在空间旋转描绘一圆（2.3条），但起，在地平面上椭圆成一与地垂直的直线，在导线下地面以上0～2m之间电场垂自分量主要随水平位置而变化，它随高度的变化很小：在导线的止下方电场的水平分量很小，供随着对导线横向距离的增人而增大，采定预防措施，可以在这个区域的大部分点则量而不会出丁探头和观察者的存在引起地平百和附近物体表面电荷分布畸变而产生很大误差。当在地平面以上进行测时，应指出高度，探头应放在测量垂点场强的方向、因为是用垂直场强来表示靠近地平面物体中感应效应的特性的，在离地面高度约1.8的地方，测量的最大场强对计算感应效应可能是重婴的，试验报告中应指出观察者的探头的距离和观察者的高度。用悬浮体或光电型探头测量空间场崛时，为使探头和地面问没有很大的相互作用，其离地高度（从探头中心算起）牟少为探头最大对角线尺小的两将，探头和观察者之间的距离成起够大，以使将观察者的邻近效应减小到小于3，此距离与探头和观察者的高度有关。图6所示为：接地的规察者高度1.%m（站立，臂在两边），探头的高度为1.4m，1.6m和1. 8m，，近似均匀场在探头处瞄变，实线为近似均勾电场的理论值，在输电线下面得到的测量值由数据点示出：例如当观察者距离探头位胃约2！，探必位置高于地面1.1加时产生3%的邻近效应，实际场强畸变取决于观察者，探头与输电线兰者组合的几何形状。当探头位于高度更大处进行测量时，观察者邻近效应可能较小（图6），由了有泄漏电阻和对地电容，通常观察者的电位近似于零。图6中所示邻近效应可以视作典型，观察者应站在电场强度最低的区域，以将探头处的电场畸变降到最小（试深性测量可能要求定山最低场强区域的位置）“
现穿者肝牧然的距m
我表高膜
图6由于1.8㎡的接地观察者引起的畸变与仪器和观察者距离、仪器在地面上的高度关系为理论值；
为在输电线：的谢得值
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悬浮体型场强仪探头设计中的不对称，可能使几何轴和电轴不一致。用这种仪器进行测量，不利用图6中所示邻近效应。在这种情况下，在使用场强仪进行测量以前应估计观察者的邻近效应。6.4条给出了这一用途的-个程序。邻近效应超过3%时应作记录。为更全面地描述所测点的场强，可在电场圆平面内最大和最小电场方向测量最大，最小值。水平输电线下面有一平的地表面的理想情况下，圆平面垂直于导线的方向。这近似于输电线邻近没有物体并且地平面平坦的情况。为在椭圆平面内进行测量，观察者与场强仪连线（往往与手柄重合）应平行于导线。将探头围绕和手柄重合的连线转动，可决定场强最大和最小分量以及它们的方向。测量区域必须相当平坦，而且没有干扰物体和不能移开的物体，必须记录相对于导线的尺寸和位置，应在离物体儿个不同处做附加测量。探头和固定的物体（包括草木）之间的距离应至少为探头最大对角线的两倍，以保证探头与物体表面电荷分布之间没有很大的相互作用（虽然探头将影响表面电荷分布，但是由于表面电荷分布畸变引起的探头处电场的畸变可忽略）。当用远距离显示的探头测量输电线附近的场强时，在远离探头处监视检测信号，便可消除观察者的邻近效应。必须提醒，地参考型探只能用于地平面的情说，并且附近不应有草等小植物。6.3球“板布置
确定球－板电极系统附近的电场强度时，因为与输电线的情况不同，电场探头和观察者会使产生电场的带电导体的表面电荷分布产生严重的畸变，也会使平面和附近物体的表面电荷分布畸变，故作为第2种测量的情况考虑。虽然电场比输电线附近的电场更不均匀,使用在均勾电场中校准过的探头进行测量仍可获得高精确度(附录A，A7）。探头与电极之间以及观察者和电极之间的允许距离在一定程度上与球的尺寸和球与板电极之间的距离有关。进行测量时应该遵在高电压设备邻近工作的安全则。
使用地参考型探头测量地平面的场强很方便，因观察者可在远离电极的位置上监示指示器，且探头一般将不会使表面电荷分布产生严重畸变。用一悬浮体或光电型探头进行测量时，离地高度（从探头中心算起）至少为探头最大对角线尺寸的两倍。用悬浮体型探头进行的试验表明，当球电极表面和探头中心之间的距离大于4倍探头最大对角线尺寸，且没有电晕时可以进行准确的场强测量。理论研究表明，电极和场强仪探头之间距离太小，能引起由于电场的不均匀而产生测量误差（附录A，A7）：如同在地参考型探头的情况一样，当使用具有远距离显示的场强仪进行测量时，观察者的邻近效应可忽略。因观察者可在远离电极的地方监视指示器，当使用不带远距离显示的探头在球一板电极附近进行测量时，预测观察者的邻近效应不是很容易的。6.1条中描述了直接测量此效应的方法。6.4邻近效应的测定
为确定在空间一给定点观察者的邻近效应对测量的影响，可以将电场探头手柄支持在一垂直绝缘柱上来进行测定，如图7所示。试验表明，玻璃圆柱体的存在对邻近效应的测量没有很大的影响。，邻近效应的测定，是研究观察者与探头之间距离改变时电场读数值的变化。仪器的数字或模拟显示的安排使观察者在测量过程中可以安全地、清楚地进行观察，球一板电极系统的这一测量技术，也可以用了在电场的几何形状更复杂的实际情况的场强测量。进行场强测量时，观察者的邻近效应应保持小于3
7场强测量的不确定度
高压电极
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校器显示
绝缘柱
观骤者研究的方问
校器手瓶
77777777777777777777
图7确定观察仪邻近效应的实验布置工频电场强度的测量方法应该避免探头与产生电扬的电极之尚有可以检测到的相互作用。般，观察者的邻近效应应限制到小于3%。在要求更高准确度的情说下应小于【%（图6和i.2、5、6.4条)。例如，在比较场强的测量值和计算值时，在场强的测量过程中，现察者应了解能引起的测量误差的各种因素，并确定它们的大小，如附录A中所述。由于校准和测量程序引起的不确定度（第；章、4.2、4.3、6.2、6.3和6,4条）以及列于附求A的因素引起的不确定度，应进行叠期（平方和的方根）。它可作为测量的总不确定度估计值记录下来。在任何情况下此不确定渡不应超过土10%，GET12720—91
附录A
影响场强测量准确度的因素
【参考件】
采用可买到的悬浮体场强仪进行实际户外测量时，测量不确定度典型值接近10%。若条件更好，这一数字还可以降低。最能的主要误差源有难以确定场强仪的位，读数误差，温度和暹度的影响、观察者的邻近效店、探头和产生电场电极的相互作用（6.2，6.3，6.4条）以及在这些情况下，沿支持手纳的泄漏电流。电场中具有较大的谐波成分时，测量感应电流的场强仪的指示中也会带入一些误差公式（2），下面仅对上述儿个因素的影响进行讨论。A1 手柄泄漏
电场探头手柄的引入对测量有影响，特别足介质特性，可能由于表面污染或溯湿而穷变。由于手柄上表而污梁而通过接地观察者的电泄漏，可能使场强仪的指示不可靠。在测量输电线电场过程中，为检验于柄泄漏，探头应定向垂直于电场椭圆平面的儿何轴（6.2条）。理想状况下应测出零电场强度。在单机电场测量的情况下，可先做些初步的测量，定出最大场强的方向，以检验手柄泄漏。然后应将仪器轴旋转90进行测量。在这位置，任何偏离零点的偏差可能使手柄泄漏引起误差（见A6）。这单，假定在泄漏检验过程中探头的电轴和它的几何轴重合。应注意，具有不对称传感电极的探头电轴和几何轴可以不重合。
A2湿度
尽管仪器的外壳是不透水的，在高湿度情况下将形成一表面避露层，它可能在场强仪的两个传感电极之间产生很大的泄漏电流使内部的测量同路局部短路。因此，当相对湿度超过80%进行测量时，需要采取措施。场强仪的内部绝缘和手柄或绝缘体应保持清洁和干燥状态，以便减小泄漏电流以及由此前产生的测量误差。当场强仪是放在环境模拟室内，环境湿度对场强仪性能的影响可以用电流注入技术测定（4.3条）。在电流（电压）注入不变的情况下，监视读数随凝度的改变。A3温度
市场上供山售的模拟显示的慧浮体型场强仪的境模拟室试验表明，当温度由0℃增加到40℃时，由于温度的影响对场强仪指示的作用川达到8%：如果校准时的温度与场强测量时的温度有很大的不同，该关值应记录下米，应确定场强仪对激度的依赖关系：必要时，应将场强测量进行温度校正。与湿度的影响相以（A2}，场强仪性能的温度效应可以采用电流注入技术和坏境模拟室来测定。光电型探头对场强的灵敏度也受温度变化的影响用Bi!SiO2o品体做波克尔氏效应试验表明，温瘦变化由0℃到40℃时，灵敏度改变小十4%。还必须指比，已知的其它介质的晶体比Bi：2Si025其有更大的温度系数，因此应进行温度校证，A4谐波成分
如果场强仪指示器足量电流（公式（2）和（4））来测定场强，电场中具有谐波，会引起测量误差，因为谐波电流会随谐波次数增加，误差的总和取决于指示器的回路设计，应注意测量电荷的场强仪指示器【公式（1）和（2）了不会过份加重谐波成分的影响，如果叫能的话，应监视电场的被形，以使估计谐波成分的人小，用示波器和在电场中联结到偶极子探头的电荷传感检测器可以做定性监视、用谐波分析仪代臀示波器可测量各种谐波分量的百分数。输电线路压的谐波成分可能很大（例靠近大工业负荷处）
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