一种直流输电线下电场强度检测系统与方法
阅读说明：本技术 一种直流输电线下电场强度检测系统与方法 (System and method for detecting electric field intensity under direct-current transmission line ) 是由 翟国庆 项君莉 董丽 李军 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种直流输电线下电场强度检测系统,包括：氢气球探头,能在静风条件下悬浮于空气中；带正电荷的氢气球,用于使氢气球探头带正电荷；带负电荷的氢气球,用于使氢气球探头带负电荷；摄像头,用于拍摄带电荷的氢气球探头在电场下的运动轨迹,并将视频实时传输至计算机；计算机,用于记录氢气球探头所处位置的三维坐标,并根据所述三维坐标计算出氢气球探头所处任意位置处的电场强度；本发明公开了一种直流输电线下电场强度检测方法；本发明系统成本较低,本发明方法能连续测量直流输电线下不同位置处的电场强度,且操作简单。(The invention discloses a system for detecting the electric field intensity under a direct current transmission line, which comprises: a hydrogen balloon probe capable of suspending in air under calm wind conditions; a hydrogen balloon with positive charge for making the hydrogen balloon probe have positive charge; a negatively charged hydrogen balloon for negatively charging the hydrogen balloon probe; the camera is used for shooting the motion track of the hydrogen balloon probe with charges under the electric field and transmitting the video to the computer in real time; the computer is used for recording the three-dimensional coordinates of the position of the hydrogen balloon probe and calculating the electric field intensity of any position of the hydrogen balloon probe according to the three-dimensional coordinates; the invention discloses a method for detecting the electric field intensity under a direct current transmission line; the system of the invention has lower cost, the method of the invention can continuously measure the electric field intensity at different positions under the direct current transmission line, and the operation is simple.)
技术领域
本发明涉及电场强度检测技术领域，具体涉及一种直流输电线下电场强度检测系统与方法。
背景技术
电场强度是评估直流输电线附近电磁环境的重要指标。我国于2020年5月发布了《直流输电工程合成电场限值及其监测方法》(GB39220-2020)，该标准规定直流架空输电线路下的耕地、园地、牧草地、畜禽饲养地、养殖水面、道路等场所的合成电场强度95％的测量值不得超过30kV/m。
直流输电线下电场强度一般采用场磨式直流场强检测仪进行测量，其工作原理如下：场磨式直流场强检测仪的探头由一个可以旋转的屏蔽叶片和一个固定的感应叶片组成，测量直流场强时，屏蔽叶片高速旋转，使得感应叶片在直流电场中的暴露面积发生周期性变化；进一步地，感应叶片表面积聚的感应电荷量也发生周期性变化，从而产生交变感应电流信号；通过检测相应信号即可确定直流电场强度。
然而，场磨式直流场强检测仪价格高，不能用于确定待测电场方向，且每次仅能检测某一位置的场强，不同位置处的电场强度需改变场强检测仪的位置后再次进行测量。
公告号为CN107727947B的专利说明书中公开了一种利用电流变液的电流变效应检测直流电场强度的装置，主要包括支架、密闭容器、电流变液、内置滑轨、通孔、内置管、工作球、反光薄膜、激光发射及接收装置、导线、电磁阀。当装置处于外加电场时，电流变液的粘度、流动性等发生改变，导致在其中运动的工作球运动状态发生变化，并最终造成激光发射及接收装置输出时间不同。该输出时间传输给工控机后，与存储数据库进行匹配达到检测电流变液上所加电场强度的目的。
公告号为CN111579889B的专利说明书中公开了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。
上述装置结构均较为复杂，方法操作复杂，因此，有必要开发一种成本低、操作简单、可连续测量不同位置处电场强度的直流输电线下电场强度的检测系统与方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直流输电线下电场强度检测系统，系统成本较低，能连续测量直流输电线下不同位置处的电场强度，且操作简单。
一种直流输电线下电场强度检测系统，包括：
氢气球探头，能在静风条件下悬浮于空气中；
带正电荷的氢气球，用于使氢气球探头带正电荷；
带负电荷的氢气球，用于使氢气球探头带负电荷；
摄像头，用于拍摄带电荷的氢气球探头在电场下的运动轨迹，并将视频实时传输至计算机；
计算机，用于记录氢气球探头所处位置的三维坐标，并根据所述三维坐标计算出氢气球探头所处任意位置处的电场强度。
上述系统设计简单，成本较低，同时能连续测量直流输电线下不同位置处的电场强度。
作为优选，还包括带左、中、右三个腔体的绝缘容器，所述氢气球探头放置于靠近待测电场的腔体中，带正电荷的氢气球和带负电荷的氢气球分别放置到其他两个腔体中；氢气球探头所在腔体，其除底面和连接中间腔体的侧面外，顶面和其余三个侧面均能向外翻折。绝缘容器具体采用长方体容器。
带正电荷的氢气球和带负电荷的氢气球，所带电荷量均为Q，其大小、结构、材质等均与氢气球探头相同。
作为优选，各腔体的底面中心处分别设置一个电极M正、M负和PM，三个电极分别与带正电荷的氢气球、带负电荷的氢气球和氢气球探头接触，且均采用绝缘橡胶套包裹。
作为优选，所述氢气球探头为由金属薄膜包裹的氢气球。
氢气球探头的直径d优选为28cm，质量m应较小，优选为14.8g，包裹氢气球的金属薄膜厚度均匀，且优选金属锂材质。
作为优选，所述摄像头包括用于拍摄氢气球探头在不同平面内运动轨迹的第一摄像头和第二摄像头。摄像头优选高速摄像头。
本发明的另一目的在于提供一种直流输电线下电场强度检测方法，采用上述的检测系统，包括以下步骤：
1)在静风条件下，将释放氢气球探头的位置(离地高度为h)设为坐标原点，某水平方向设为x轴，另一垂直于x轴的水平方向设为y轴，竖直方向设为z轴，建立三维坐标系；x轴、y轴和z轴的正方向分别为氢气球探头释放后在x轴、y轴和z轴方向上的初始运动方向；
2)将两个摄像头分别置于xz平面和yz平面，与释放氢气球探头的位置等高，且离氢气球探头释放位置的水平距离均为D，调节摄像头方向使其均指向释放氢气球探头的位置进行拍摄；
具体地，将两个高度可调节支架分别置于位于xz平面和yz平面，且离氢气球探头释放位置的水平距离均为D的地面上，分别将两个摄像头固定于支架顶部，调节支架高度，使两个摄像头均与释放氢气球探头的位置等高(离地高度为h)；
3)将氢气球探头带上电荷量为q的正电荷或负电荷；
4)释放带电荷的氢气球探头，此时氢气球探头在待测电场的作用下开始运动；
具体地，将绝缘长方体容器中氢气球探头所在腔体的顶面及三个可活动侧面向外翻折，并将绝缘容器迅速撤离，此时氢气球探头在待测电场的作用下开始运动；
5)根据两个摄像头所拍摄的氢气球探头的运动轨迹，利用图像处理技术，按时间间隔Δt(Δt为摄像头拍摄的相邻两帧图像间时间间隔)记录氢气球探头所处位置的三维坐标；
由于静风条件下，直流输电线正下方存在离子流，且带电的氢气球探头接触地面后会导致所带电荷流失，若氢气球探头运动至直流输电线正下方或接触地面后则停止记录；
6)根据氢气球探头的三维坐标，计算步骤5)所记录的氢气球探头所处任意位置处的电场强度；
具体通过氢气球探头的三维坐标及牛顿第二定律进行计算。
作为优选，步骤3)的实现方法如下：
若要使氢气球探头带正电荷，将电极PM和M正的橡胶套移除，采用引线连接电极PM和M正，即可使氢气球探头带正电荷，所带电荷量q＝Q/2；
若要使氢气球探头带负电荷，将电极PM和M负的橡胶套移除，采用引线连接电极PM和M负，即可使氢气球探头带负电荷，所带电荷量q＝Q/2。
作为优选，步骤3)中，若释放氢气球探头的位置靠近直流输电线的正导线，应使氢气球探头带正电荷；若释放氢气球探头的位置靠近直流输电线的负导线，应使氢气球探头带负电荷，以避免氢气球在电场力作用下运动至输电线附近，导致氢气球探头不易回收。
作为优选，步骤6)中，计算所记录的氢气球探头所处任意位置处的电场强度，其实现方法如下：
在t0时刻，氢气球探头从释放位置(0，0，0)开始运动，经过n个时间间隔Δt后，在tn(tn＝t0+nΔt)时刻，氢气球运动至(xn，yn，zn)；由于Δt较小，Δt时间间隔内氢气球探头可视为受恒定电场力作用，在x轴、y轴和z轴方向上分别做匀变速直线运动。
在tn时刻，氢气球探头所处位置处的电场强度En的计算公式为：
公式(1)中，Ex|n、Ey|n和Ez|n分别为在tn时刻，氢气球探头所处位置的电场在x轴、y轴和z轴方向上的分量，可分别由下列公式计算：
公式(2)～(4)中，xn-1、xn、xn+1和xn+2分别为在tn-1、tn、tn+1和tn+2时刻氢气球探头所处位置的x坐标；yn-1、yn、yn+1和yn+2分别为在tn-1、tn、tn+1和tn+2时刻氢气球探头所处位置的y坐标；zn-1、zn、zn+1和zn+2分别为在tn-1、tn、tn+1和tn+2时刻氢气球探头所处位置的z坐标；m为氢气球探头的质量；q为氢气球探头所带电荷量；
电场强度为矢量，需进一步判定在tn时刻，氢气球探头所处位置处电场强度En的方向，即在tn时刻，Ex|n、Ey|n和Ez|n三个矢量和的方向。在tn时刻，Ex|n、Ey|n和Ez|n的大小可由公式(2)～(4)计算，在tn时刻，Ex|n、Ey|n和Ez|n的方向的判定方法如下：
在tn时刻，若Ex|n＞0，Ex|n指向x轴正方向；若Ex|n＜0，Ex|n指向x轴负方向。若Ey|n＞0，Ey|n指向y轴正方向；若Ey|n＜0，Ey|n指向y轴负方向。若Ez|n＞0，Ez|n指向z轴正方向；若Ez|n＜0，Ez|n指向z轴负方向。
作为优选，检测电场强度后，应回收氢气球探头并清除氢气球探头所带电荷。
回收的氢气球探头采用上述方法重新带电后，可再次用于检测电场强度。由于首次检测电场强度后，所述带正电荷或负电荷的氢气球，其电荷量变为Q/2，故氢气球探头再次带电后其电荷量q＝Q/4。以此类推，将回收的氢气球探头重新带电后用于第k次检测电场强度时，氢气球探头所带电荷量q＝Q/2k。
清除氢气球探头所带电荷的方法如下：
将金属接地极插至潮湿地面下1m深处，将回收的氢气球探头与接地极相接触即可清除探头所带电荷。
本发明的有益效果：
本发明系统成本较低，可连续测量直流输电线下不同位置处的电场强度，且操作简单。
附图说明
图1为本发明系统布置示意图；
图2为本发明实施例中绝缘长方体容器中氢气球探头所在腔体的顶面及三个侧面向外翻折的示意图；
图3为本发明实施例中判定在tn时刻氢气球探头所处位置处电场方向的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
本实施例在±800kV特高压直流输电线跨越的农田区域中，检测当人站立于靠近正导线一侧的地面时人体头部附近的电场强度。
如图1所示，一种直流输电线下电场强度检测系统，包括氢气球探头
1、带三个腔体的绝缘长方体容器2、带正电荷的氢气球3、带负电荷的氢气球4、两个摄像头5、两个高度可调节支架6、数据线7、计算机8和金属接地极9。
其中，氢气球探头1为由厚度均匀(0.01mm)的金属锂薄膜包裹的氢气球，可在静风条件下悬浮于空气，其直径d为28cm，质量m为14.8g。
带三个腔体的绝缘长方体容器2，其左、中、右三个腔体分别放置带正电荷的氢气球3、带负电荷的氢气球4和氢气球探头1，氢气球探头1所在腔体除底面和连接中间腔体的侧面外，顶面和其余三个侧面均可向外翻折。
三个腔体底面中心处分别设一个微小电极M正、M负和PM，三个电极分别与带正电荷的氢气球3、带负电荷的氢气球4和氢气球探头1接触且均采用绝缘橡胶套包裹；带正电荷的氢气球3和带负电荷的氢气球4，其所带电荷量均为Q，其大小、结构、材质等均与氢气球探头1相同。
摄像头5为高速摄像头，摄像头拍摄的相邻两帧图像间时间间隔为Δt；高度可调节支架6的顶部用于固定摄像头5；数据线7连接摄像头5和计算机8，将所摄视频实时传输至计算机8。
一种使用上述检测系统的直流输电线下电场强度检测方法，具体步骤如下：
1)在静风条件下，将释放氢气球探头的位置设为坐标原点，某水平方向设为x轴，另一垂直于x轴的水平方向设为y轴，竖直方向设为z轴，建立三维坐标系。x轴、y轴和z轴的正方向为氢气球探头释放后在x轴、y轴和z轴方向上的初始运动方向。根据《中国成年人人体尺寸》(GB/T10000-1988)，18～60岁男性平均身高为167.8cm，由于氢气球探头释放后在电场力的作用下不断靠近地面，因此本实例中氢气球探头释放位置的离地高度略高于167.8cm，取170cm；
2)将两个高度可调节支架分别置于位于xz平面和yz平面的地面上，支架与氢气球释放位置间的水平距离D均为20m。分别将两个摄像头固定于支架顶部，调节支架高度，使两个摄像头离地高度h为170cm，调节摄像头方向使其均指向氢气球探头释放位置进行拍摄；
3)将绝缘长方体容器上电极PM和M正的绝缘橡胶套移除，采用引线连接电极PM和M正，使氢气球探头带正电荷，所带电荷量q＝Q/2；
4)将绝缘长方体容器中氢气球探头所在腔体的顶面及三个可活动侧面向外翻折，如图2所示，并将绝缘容器迅速向左下方撤离，此时氢气球探头在待测电场的作用下开始运动；
5)根据两个摄像头所拍摄的氢气球探头的运动轨迹，利用图像处理技术(如公开号为CN112802065A的专利说明书中公开的一种利用3D摄像头测量球体运动距离的系统)，按时间间隔Δt记录氢气球探头所处位置的三维坐标。由于静风条件下，直流输电线正下方存在离子流，且带电的氢气球探头接触地面后会导致所带电荷流失，若氢气球探头运动至直流输电线正下方或接触地面后则停止记录；
6)根据氢气球探头的三维坐标及牛顿第二定律，计算所记录的氢气球探头所处任意位置处的电场强度，方法如下：
在t0时刻，氢气球探头从释放位置(0，0，0)开始运动，经过n个时间间隔Δt后，在tn(tn＝t0+nΔt)时刻，氢气球运动至(xn，yn，zn)；由于Δt较小，Δt时间间隔内氢气球探头可视为受恒定电场力作用，在x轴、y轴和z轴方向上分别做匀变速直线运动。
在tn时刻，氢气球探头运动速度在x轴方向上的分量vx|n为：
公式(5)中，xn-1和xn+1分别为在tn-1和tn+1时刻氢气球探头所处位置的x坐标。
在tn+1时刻，氢气球探头运动速度在x轴方向上的分量vx|n+1为：
公式(6)中，xn和xn+2分别为在tn和tn+2时刻氢气球探头所处位置的x坐标。
在tn至tn+1内，氢气球探头在x轴方向上做匀变速直线运动，满足：
vx|n+1＝vx|n+ax|nΔt (7)
公式(7)中，ax|n为在tn时刻，氢气球探头运动加速度在x轴方向上的分量，其计算公式如下：
公式(8)中，m为氢气球探头的质量；Fx|n为在tn时刻，氢气球探头所受电场力在x轴方向上的分量，其计算公式如下：
Fx|n＝qEx|n (9)
公式(9)中，q为氢气球探头所带电荷量；Ex|n为在tn时刻，氢气球探头所处位置的电场在x轴方向上的分量。
结合公式(5)～(9)，在tn时刻，氢气球探头所处位置处的电场在x轴方向上的分量Ex|n为：
同理，在tn时刻氢气球探头所处位置的电场在y轴和z轴方向上的分量Ey|n和Ez|n分别为：
公式(3)和(4)中，yn-1、yn、yn+1和yn+2分别为在tn-1、tn、tn+1和tn+2时刻氢气球探头所处位置的y坐标；zn-1、zn、zn+1和zn+2分别为在tn-1、tn、tn+1和tn+2时刻氢气球探头所处位置的z坐标。
在tn时刻，氢气球探头所处位置处的电场强度En的计算公式为：
电场强度为矢量，需进一步判定在tn时刻，氢气球探头所处位置处电场强度En的方向，即在tn时刻，Ex|n、Ey|n和Ez|n三个矢量和的方向，如图3所示。在tn时刻，Ex|n、Ey|n和Ez|n的大小可由公式(2)～(4)计算，其方向的判定方法如下：
在tn时刻，若Ex|n＞0，Ex|n指向x轴正方向；若Ex|n＜0，Ex|n指向x轴负方向。若Ey|n＞0，Ey|n指向y轴正方向；若Ey|n＜0，Ey|n指向y轴负方向。若Ez|n＞0，Ez|n指向z轴正方向；若Ez|n＜0，Ez|n指向z轴负方向。
7)检测电场强度后，将金属接地极插至潮湿地面下1m深处，回收氢气球探头并将其与接地极相接触，即可清除探头所带电荷。回收氢气球探头，重复步骤3)，可使氢气球探头重新带电，并再次用于检测电场强度。由于首次检测电场强度后，带正电荷的氢气球的所带电荷量变为Q/2，故氢气球探头再次带电后其电荷量q＝Q/4。以此类推，回收氢气球探头并使其带电后用于第k次检测电场强度时，氢气球探头所带电荷量q＝Q/2k。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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