近電報(bào)警的電場(chǎng)傳感器發(fā)展研究

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局 陳岸 周慧彬 羅林吉

上海誠(chéng)格安全防護(hù)用品有限公司 高強(qiáng)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)化水平的不斷提高，電力資源在人民生活中越來(lái)越重要。保障安全、高效地輸送與分配電力資源，是電力系統(tǒng)需要不斷優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)。目前科技的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加上各種改革措施的逐漸深入，促使人們對(duì)增強(qiáng)安全生產(chǎn)意識(shí)越發(fā)重視。安全生產(chǎn)是一切管理?xiàng)l件的前提，也是現(xiàn)代社會(huì)文明發(fā)展進(jìn)步的主要表現(xiàn)，電力安全作業(yè)的重要意義是由電能生產(chǎn)客觀規(guī)律和產(chǎn)品特性以及社會(huì)功能共同決定的。對(duì)電力企業(yè)而言，安全生產(chǎn)（或者安全作業(yè)）就是所有工作的前提以及中心。

隨著電網(wǎng)改造新局面的持續(xù)深入，電力企業(yè)更加需要確定電力安全生產(chǎn)的目標(biāo)，預(yù)防影響國(guó)民正常生產(chǎn)和生活的重大事故的出現(xiàn)，特別是要防止電力生產(chǎn)中可能會(huì)出現(xiàn)的人身傷亡事故[1]。

但是從當(dāng)前來(lái)看，電力生產(chǎn)中安全事故仍然偶爾出現(xiàn)。根據(jù)相關(guān)部門(mén)報(bào)道，我國(guó)各地的電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)當(dāng)中仍然存在人身傷亡事故。分析多年來(lái)的電力工作人員觸電事故原因，一部分是因?yàn)殡娏ぷ魅藛T自身違反安全章程施工，另一部分是電力工作人員誤入環(huán)境復(fù)雜的高壓現(xiàn)場(chǎng)或安全防護(hù)措施無(wú)意識(shí)情況下失效造成的，總結(jié)原因是電力工作者對(duì)安全的作業(yè)位置、帶電體間的安全距離和防護(hù)有效性缺乏清晰實(shí)時(shí)的判斷[2]。但是即便是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較多的電力從業(yè)者，也會(huì)因?yàn)槟承┛陀^因素（視覺(jué)死角、自然環(huán)境、防護(hù)工具破損等），出現(xiàn)判定失誤[3]，導(dǎo)致自身處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

基于上述分析，造成電力作業(yè)事故的直接原因就是無(wú)法判斷周?chē)妶?chǎng)強(qiáng)度是否超過(guò)規(guī)定范圍以及諸如防護(hù)手套等工具失效導(dǎo)致。為實(shí)現(xiàn)電力安全作業(yè)，可以通過(guò)電場(chǎng)測(cè)量方法完成對(duì)電力安全距離的測(cè)量[4]，通過(guò)近距離的感應(yīng)電壓監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣手套等安全防護(hù)用品是否失效的實(shí)時(shí)判別，以此避免電力作業(yè)事故。本文分別介紹了多種電場(chǎng)測(cè)量、感應(yīng)電流測(cè)量的方法以及儀器，以期降低帶電作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)，保障帶電作業(yè)人員的人身安全。

2 各種電場(chǎng)測(cè)量方法的研究和比較

電場(chǎng)測(cè)量經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前已經(jīng)有多種測(cè)量方法，按照原理主要可以分為電學(xué)原理和光學(xué)原理[5]。

2.1 電學(xué)原理電場(chǎng)測(cè)量法

電學(xué)原理廣泛運(yùn)用在早期的電場(chǎng)測(cè)量，即使用電學(xué)式電場(chǎng)傳感器測(cè)量電場(chǎng)。該類(lèi)傳感器構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于制造，成本也就相對(duì)較低，容易進(jìn)行推廣。其工作原理是當(dāng)導(dǎo)體存在于變化的電場(chǎng)環(huán)境當(dāng)中時(shí)，感應(yīng)電荷匯聚于導(dǎo)體的表面，周?chē)h(huán)境的場(chǎng)強(qiáng)與導(dǎo)體表面電荷存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以測(cè)試得到在周?chē)h(huán)境的場(chǎng)強(qiáng)。電場(chǎng)傳感器又分為靜電場(chǎng)檢測(cè)儀和交變式電場(chǎng)檢測(cè)儀。

2.1.1 靜電場(chǎng)測(cè)量方法

低頻電場(chǎng)或靜電場(chǎng)自身無(wú)法供應(yīng)足量的電能，若需要獲取環(huán)境的電壓信息，則必須對(duì)環(huán)境提供能量。旋轉(zhuǎn)式電場(chǎng)傳感器經(jīng)典結(jié)構(gòu)如圖1所示。本結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)多次轉(zhuǎn)動(dòng)電極改變靜電場(chǎng)，使得帶電導(dǎo)線產(chǎn)生感應(yīng)的電荷，輸出交流信號(hào)。隨著對(duì)靜電儀器研究的不斷成熟，其廣泛應(yīng)用在了人們的日常生活中，旋轉(zhuǎn)式電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)式電場(chǎng)傳感器經(jīng)典結(jié)構(gòu)

圖2 旋轉(zhuǎn)式電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)葉片式的電場(chǎng)測(cè)量?jī)x在大氣電場(chǎng)檢測(cè)當(dāng)中廣泛應(yīng)用，旋片式電場(chǎng)儀如圖3所示。旋轉(zhuǎn)葉片式的電場(chǎng)測(cè)量?jī)x由相對(duì)穩(wěn)定的感應(yīng)片和固定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，感應(yīng)片在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中將產(chǎn)生感應(yīng)電荷。若將感應(yīng)片與地相互連接形成通路，將會(huì)產(chǎn)生交變電流，測(cè)量電流的數(shù)值即測(cè)得場(chǎng)強(qiáng)。

圖3 旋片式電場(chǎng)儀

由圖3可知，如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)每個(gè)周期T，感應(yīng)片產(chǎn)生感應(yīng)電荷的面積與時(shí)間t有式（1）：

式（1）中：SN為感應(yīng)片總面積；ε0為介電常數(shù)。則電場(chǎng)E中的產(chǎn)生的感應(yīng)電荷為式（2）：

感應(yīng)電荷的微分dQ(t)/dt，就是感生電流為式（3）：

由于靜電場(chǎng)E變化率基本為零，感應(yīng)片總面積與時(shí)間變化量相比較可忽略不計(jì)，那么感應(yīng)電流的變化量就可以作是正比于電場(chǎng)E的變化量。設(shè)電流通過(guò)電阻R，則為式（4）：

把電壓展開(kāi)為傅里葉級(jí)數(shù)如式（5）：

經(jīng)選擇器保留第一項(xiàng)為式（6）：

因此，可以得到正弦變化的感應(yīng)電壓，但無(wú)法判斷電場(chǎng)的極性。如需要得到極性，可以通過(guò)相敏檢波器檢測(cè)與感應(yīng)信號(hào)同步的參考信號(hào)檢測(cè)，還可以利用帶電檢測(cè)儀與旋片式變電容器的方式來(lái)測(cè)量合成絕緣子的直流電場(chǎng)，并利用不斷測(cè)試合成絕緣子中的縱向電場(chǎng)強(qiáng)度，最終確定絕緣子內(nèi)部導(dǎo)通性有無(wú)故障。

研究人員基于旋片式電場(chǎng)儀做了進(jìn)一步的完善，開(kāi)發(fā)了一種電場(chǎng)檢測(cè)傳感芯片。

微型二維電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 微型二維電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)

微型二維電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)由四個(gè)電場(chǎng)檢測(cè)的微型單元和一個(gè)電鍍驅(qū)動(dòng)微結(jié)構(gòu)整合而成，從而完成了單晶片的電場(chǎng)檢測(cè)功能，這種構(gòu)造對(duì)一些共模噪聲同樣可以形成抑制效果。四支懸臂梁構(gòu)成彈性元件，不僅能夠?qū)ζ帘坞姌O有著支撐和連接的作用，也可以保證電場(chǎng)傳感器的魯棒性。此電場(chǎng)傳感器的理想作用模式是在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)選擇了懸臂梁的設(shè)計(jì)方法，從而顯著地減少了與相鄰模態(tài)的耦合影響。

研究人員提出一種由單轉(zhuǎn)子、雙定子組成的旋片式三維大氣電場(chǎng)儀。兩個(gè)定子交錯(cuò)安裝，在各個(gè)方向均使用兩對(duì)感應(yīng)電極，以電極電荷變化量為輸出信息。這樣一方面可以減少高空帶電粒子的影響，另一方面又可以提高靈敏度。三維大氣電場(chǎng)儀還能進(jìn)行對(duì)地面靜電場(chǎng)環(huán)境和15km 以上的高空測(cè)量，在低溫條件下依舊可以正常運(yùn)行。

隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS Micro-Electronics Mechanical System）技術(shù)的不斷完善發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已有許多科學(xué)家設(shè)計(jì)出了基于MEMS的靜電場(chǎng)傳感器，這類(lèi)靜電場(chǎng)傳感器相較其他傳感器具備的優(yōu)勢(shì)有小尺寸、高集成度、低功耗并且可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)?；贛EMS的低軸間耦合三維電場(chǎng)傳感器可以用于檢測(cè)垂直對(duì)稱(chēng)軸向的面內(nèi)電場(chǎng)分量，并且消除存在的耦合干擾。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在100kV/m范圍內(nèi)，此類(lèi)電場(chǎng)傳感器靈敏度小于3.46%，電場(chǎng)測(cè)量誤差可控制在7.23%以內(nèi)。

MEMS三維電場(chǎng)傳感器的實(shí)物如圖5所示。

圖5 MEMS三維電場(chǎng)傳感器的實(shí)物

2.1.2 交變電場(chǎng)測(cè)量方法

處在交變電場(chǎng)中的導(dǎo)體，其感應(yīng)電荷與周?chē)妶?chǎng)隨著時(shí)間的改變而不斷發(fā)生變化，研究人員對(duì)感應(yīng)電荷進(jìn)行分析，可以獲得與待測(cè)電場(chǎng)中成比例的輸出信號(hào)，完成電場(chǎng)測(cè)量。交變傳感器通過(guò)絕緣物質(zhì)分成2個(gè)部分，球型傳感器結(jié)構(gòu)如圖6所示，形成了電容傳感器，分隔后的2個(gè)部分為傳感器的2個(gè)電極，在電極間安裝測(cè)量電容，裝置中產(chǎn)生的電壓就是輸出信號(hào)。

圖6 球型傳感器結(jié)構(gòu)

假定傳感器表面積為A，表面電荷密度為σ(t)，那么感應(yīng)電荷總量為式（7）：

因此可知，傳感器置于電場(chǎng)，表面電荷量Q(t)與電場(chǎng)強(qiáng)度Eo(t)成正比為（8）：

式（8）中：K為比例系數(shù)，感應(yīng)電荷在測(cè)量電容CM上產(chǎn)生電壓為式（9）：

式（9） 代入式（8） 后可以得出：UM(t)=KEo(t)/CM。通過(guò)測(cè)量電容上的電壓可以得周?chē)h(huán)境電場(chǎng)強(qiáng)度Eo(t)。

2.2 光學(xué)原理電場(chǎng)測(cè)量法

隨著光學(xué)原理、光學(xué)材料、光學(xué)技術(shù)等的不斷深入研究，光學(xué)式電場(chǎng)測(cè)量飛躍性地發(fā)展。光學(xué)傳感器在電場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域中，性能方面相較電子式傳感器具有很大優(yōu)勢(shì)，絕緣性能好、響應(yīng)速度快、安全性高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，使得其在電場(chǎng)測(cè)量中具備競(jìng)爭(zhēng)力。就目前而言，國(guó)內(nèi)外已有許多科學(xué)家設(shè)計(jì)出了基于光學(xué)原理的電流、電壓傳感器，概括了一些簡(jiǎn)單的光學(xué)電場(chǎng)測(cè)量傳感器。根據(jù)光學(xué)傳感機(jī)理分類(lèi)，介紹常用的光學(xué)電場(chǎng)傳感器。

2.2.1 光電式球形電場(chǎng)傳感器

光電式球形電場(chǎng)傳感器是一種傳統(tǒng)的光學(xué)原理電場(chǎng)傳感器，主要原理是在待測(cè)電場(chǎng)中，電磁感應(yīng)原理得到感應(yīng)電荷，再使用集成電路將電學(xué)信號(hào)放大并變換為光學(xué)信號(hào)，然后通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳送到信號(hào)處理模塊，從而實(shí)現(xiàn)周?chē)郎y(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)。光電式球形電場(chǎng)傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制作、在工頻準(zhǔn)確測(cè)量電場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但是由于自身結(jié)構(gòu)的缺陷，探測(cè)器對(duì)被測(cè)電場(chǎng)有一定的輕微的干擾。

2.2.2 基于晶體Pockels效應(yīng)的電場(chǎng)傳感器

基于閃爍鍺酸鉍晶體(BGO）橫向Pockels 效應(yīng)的電場(chǎng)傳感機(jī)理如圖7所示。

圖7 基于閃爍鍺酸鉍晶體(BGO）橫向Pockels效應(yīng)的電場(chǎng)傳感機(jī)理

Pockels 效應(yīng)即線性光電效應(yīng)，主要原理是因外加電場(chǎng)強(qiáng)度與一些晶體的光電相位延遲存在正比關(guān)系。在外加電場(chǎng)作用下，將偏振光載波發(fā)射到Pockels 晶體中，產(chǎn)生光電雙折射，調(diào)制到橢圓偏振光為止。Eα和Eβ外加被測(cè)電場(chǎng)的2 個(gè)正交分量，分光棱鏡將傳感光束分別發(fā)射到2 個(gè)不同的方向，其中一束通過(guò)主透光方向?yàn)棣?方向的檢偏器，光強(qiáng)度與電場(chǎng)E 呈線性關(guān)系；另一束通過(guò)主透光方向與α 方向成45°角的檢偏器，光強(qiáng)度與電場(chǎng)Eα 程線性關(guān)系。因而，同時(shí)檢測(cè)這2 束光強(qiáng)度即可以獲知被測(cè)二維電場(chǎng)。線性光電效應(yīng)在靜態(tài)和脈沖電場(chǎng)的光學(xué)測(cè)量上已成功得到應(yīng)用。

2.2.3 集成光波導(dǎo)式電場(chǎng)傳感器

光波導(dǎo)的電場(chǎng)傳感器，主要通過(guò)安裝在周?chē)妶?chǎng)中的感應(yīng)天線得出感應(yīng)電壓，具有Pockels 效應(yīng)的集成光波導(dǎo)將傳感感應(yīng)電壓，從而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)的光學(xué)傳感。有研究人員提出將3 個(gè)帶天線的Mach-Zehnder 干涉儀結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)固定在一個(gè)三棱柱的3 個(gè)面上，集成光波導(dǎo)式三維電場(chǎng)傳感頭如圖8所示，傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)三維電場(chǎng)傳感，廣泛應(yīng)用高頻電場(chǎng)測(cè)量。

圖8 集成光波導(dǎo)式三維電場(chǎng)傳感頭

2.2.4 基于電光Kerr效應(yīng)的電場(chǎng)傳感器

Kerr 效應(yīng)即為二次電光效應(yīng)，是指電光相位延遲與外加電場(chǎng)的平方成正比關(guān)系。與Pockels 效應(yīng)相比，基于Kerr 效應(yīng)的電場(chǎng)傳感器靈敏度通常較低，但測(cè)量范圍較大。

2.2.5 其他光學(xué)電場(chǎng)傳感方案實(shí)例

排除上文描述的經(jīng)典傳感方案之后，現(xiàn)在的文獻(xiàn)中仍然有著大量不同的方案。

一種光機(jī)電式電場(chǎng)傳感器如圖9所示，其中主要的結(jié)構(gòu)是銅支架和硅薄膜，銅支架和硅薄膜之間有微型彈簧相互連接。通過(guò)電場(chǎng)力，銅支架和硅薄膜的相對(duì)位置發(fā)生變化，采取激光位置傳感器測(cè)量得出這個(gè)位移就可以知悉被測(cè)電場(chǎng)的大小。雖然此類(lèi)傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作工藝流程精簡(jiǎn)，但靈敏度也相對(duì)更低，且傳感信號(hào)受到周?chē)h(huán)境振動(dòng)的影響。

圖9 光機(jī)電式電場(chǎng)傳感器

3 問(wèn)題和討論

光學(xué)電場(chǎng)傳感器與電學(xué)電場(chǎng)傳感器相比較，具有絕緣性好、響應(yīng)速度快、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在諸多方面都優(yōu)于電學(xué)電場(chǎng)傳感器，所以在電力現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，光學(xué)電場(chǎng)傳感器比電學(xué)電場(chǎng)傳感器更加實(shí)用，但是光學(xué)電場(chǎng)器也存在一定的局限性。

電場(chǎng)傳感材料具有電光效應(yīng)，溫度的高低是效應(yīng)產(chǎn)生變化的重要因素之一。材料的雙折射和旋光性受到溫度變化產(chǎn)生的影響較為明顯，實(shí)際相位延遲量受到溫度變化產(chǎn)生的影響也較大，所以具有光電效應(yīng)的電場(chǎng)傳感器在實(shí)際的正常工作狀態(tài)下，溫度漂移是必須考慮的重要影響因素之一，現(xiàn)在研究人員已經(jīng)對(duì)溫度漂移做了大量且精細(xì)的研究討論工作，已經(jīng)初步討論了光學(xué)電壓傳感器的不同溫度特性，得出主要結(jié)論是溫度漂移也合宜于電場(chǎng)傳感器。對(duì)于有差異的傳感機(jī)理，改變（提高）溫度的穩(wěn)定性的舉措也是不同的。下文則是列舉了一些已有的相對(duì)有效的改進(jìn)對(duì)策。

一是可以使用二路光傳感信號(hào)實(shí)現(xiàn)電壓傳感器輸出隨著溫度漂移的補(bǔ)償辦法，被測(cè)電壓大約5.5kV，溫度漂移約為±2.1%。本文提出的無(wú)須額外光源的光電式電壓傳感器，并同時(shí)具有構(gòu)造簡(jiǎn)便、生產(chǎn)成本相對(duì)較低諸多優(yōu)勢(shì)。

二是選取瓊斯矩陣建設(shè)成立了反射式光纖電壓傳感器系統(tǒng)熱致誤差數(shù)學(xué)模型，將數(shù)學(xué)模型與有限元的方法相結(jié)合，精確計(jì)算出不同溫度擾動(dòng)下石英晶體的物理參數(shù)（周長(zhǎng)、高度、壓電系數(shù)），并對(duì)參數(shù)進(jìn)行有效分析，得出參數(shù)改變會(huì)影響系統(tǒng)的輸出精度。研究人員計(jì)算與分析得出如下結(jié)論。

在-40～+85℃的溫度范圍之內(nèi)，系統(tǒng)的輸出精度受到晶體邊長(zhǎng)的影響較大，壓電系數(shù)居之其后，并且達(dá)到IEC0.2S 級(jí)精度等級(jí)的要求，高度的改變對(duì)系統(tǒng)輸出誤差的影響效果則較為輕微，在±0.06%之內(nèi)。此外，實(shí)際溫度的改變與系統(tǒng)誤差相位呈線性關(guān)系。本文為控制和減小反射式光纖電壓傳感器熱致系統(tǒng)誤差提出了理論依據(jù)和基礎(chǔ)，為溫度補(bǔ)償理論提供了參考價(jià)值。

三是在電場(chǎng)傳感的同一時(shí)間及時(shí)測(cè)量實(shí)時(shí)環(huán)境溫度，當(dāng)然也完全可以完成對(duì)溫度的補(bǔ)償，采用一種帶尾纖的電光探頭，這種電光探頭可以在激光探測(cè)光束的同時(shí)間測(cè)量出高頻電場(chǎng)和實(shí)時(shí)溫度，研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)與全自動(dòng)伺服控制光學(xué)平臺(tái)相關(guān)的新型探針設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，用來(lái)穩(wěn)定電場(chǎng)傳感器響應(yīng)。電光探頭在戶外條件下的響應(yīng)時(shí)間超過(guò)1h，頻率帶寬從kHz 級(jí)到數(shù)十GHz，靈敏度為0.7Vm-1Hz-1/2，溫度精度為40mK。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)電力工作安全事故，提出了使用電場(chǎng)檢測(cè)手段完成非接觸式安全距離測(cè)定工作，為使用安全距離預(yù)警系統(tǒng)隨時(shí)警醒作業(yè)人員及時(shí)采取安全的防護(hù)措施，采用感應(yīng)電壓監(jiān)測(cè)的方式，判斷絕緣手套等防護(hù)工具是否有效，從而進(jìn)一步降低了帶電作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)，更好地保障帶電作業(yè)人員的人身安全。

本文綜合描述了一些經(jīng)典的傳感方案以及問(wèn)題，電場(chǎng)傳感器的應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊，依舊需要更多的專(zhuān)業(yè)研究人員繼續(xù)進(jìn)行深入研究與開(kāi)發(fā)。傳統(tǒng)的電學(xué)傳感方法與光學(xué)傳感方法有著截然不同的優(yōu)缺點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用范圍，同時(shí)，也需要研究人員進(jìn)一步研究和分析，以期為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。