近電報警的電場傳感器發展研究

廣東電網有限責任公司中山供電局 陳岸 周慧彬 羅林吉

上海誠格安全防護用品有限公司 高強

1 引言

隨著科學技術的不斷發展，工業化水平的不斷提高，電力資源在人民生活中越來越重要。保障安全、高效地輸送與分配電力資源，是電力系統需要不斷優化的重要環節。目前科技的進步、經濟的快速發展加上各種改革措施的逐漸深入，促使人們對增強安全生產意識越發重視。安全生產是一切管理條件的前提，也是現代社會文明發展進步的主要表現，電力安全作業的重要意義是由電能生產客觀規律和產品特性以及社會功能共同決定的。對電力企業而言，安全生產（或者安全作業）就是所有工作的前提以及中心。

隨著電網改造新局面的持續深入，電力企業更加需要確定電力安全生產的目標，預防影響國民正常生產和生活的重大事故的出現，特別是要防止電力生產中可能會出現的人身傷亡事故[1]。

但是從當前來看，電力生產中安全事故仍然偶爾出現。根據相關部門報道，我國各地的電網運行系統當中仍然存在人身傷亡事故。分析多年來的電力工作人員觸電事故原因，一部分是因為電力工作人員自身違反安全章程施工，另一部分是電力工作人員誤入環境復雜的高壓現場或安全防護措施無意識情況下失效造成的，總結原因是電力工作者對安全的作業位置、帶電體間的安全距離和防護有效性缺乏清晰實時的判斷[2]。但是即便是實踐經驗較多的電力從業者，也會因為某些客觀因素（視覺死角、自然環境、防護工具破損等），出現判定失誤[3]，導致自身處于危險狀態。

基于上述分析，造成電力作業事故的直接原因就是無法判斷周圍電場強度是否超過規定范圍以及諸如防護手套等工具失效導致。為實現電力安全作業，可以通過電場測量方法完成對電力安全距離的測量[4]，通過近距離的感應電壓監測，實現對絕緣手套等安全防護用品是否失效的實時判別，以此避免電力作業事故。本文分別介紹了多種電場測量、感應電流測量的方法以及儀器，以期降低帶電作業的危險系數，保障帶電作業人員的人身安全。

2 各種電場測量方法的研究和比較

電場測量經過多年的發展，目前已經有多種測量方法，按照原理主要可以分為電學原理和光學原理[5]。

2.1 電學原理電場測量法

電學原理廣泛運用在早期的電場測量，即使用電學式電場傳感器測量電場。該類傳感器構造簡單，便于制造，成本也就相對較低，容易進行推廣。其工作原理是當導體存在于變化的電場環境當中時，感應電荷匯聚于導體的表面，周圍環境的場強與導體表面電荷存在對應關系，可以測試得到在周圍環境的場強。電場傳感器又分為靜電場檢測儀和交變式電場檢測儀。

2.1.1 靜電場測量方法

低頻電場或靜電場自身無法供應足量的電能，若需要獲取環境的電壓信息，則必須對環境提供能量。旋轉式電場傳感器經典結構如圖1所示。本結構通過對多次轉動電極改變靜電場，使得帶電導線產生感應的電荷，輸出交流信號。隨著對靜電儀器研究的不斷成熟，其廣泛應用在了人們的日常生活中，旋轉式電場傳感器結構如圖2所示。

圖1 旋轉式電場傳感器經典結構

圖2 旋轉式電場傳感器結構

旋轉葉片式的電場測量儀在大氣電場檢測當中廣泛應用，旋片式電場儀如圖3所示。旋轉葉片式的電場測量儀由相對穩定的感應片和固定轉速的轉子構成，感應片在轉子轉動過程中將產生感應電荷。若將感應片與地相互連接形成通路，將會產生交變電流，測量電流的數值即測得場強。

圖3 旋片式電場儀

由圖3可知，如果轉子轉動每個周期T，感應片產生感應電荷的面積與時間t有式（1）：

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

感應電荷的微分dQ(t)/dt，就是感生電流為式（3）：

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

把電壓展開為傅里葉級數如式（5）：

經選擇器保留第一項為式（6）：

因此，可以得到正弦變化的感應電壓，但無法判斷電場的極性。如需要得到極性，可以通過相敏檢波器檢測與感應信號同步的參考信號檢測，還可以利用帶電檢測儀與旋片式變電容器的方式來測量合成絕緣子的直流電場，并利用不斷測試合成絕緣子中的縱向電場強度，最終確定絕緣子內部導通性有無故障。

研究人員基于旋片式電場儀做了進一步的完善，開發了一種電場檢測傳感芯片。

微型二維電場傳感器結構如圖4所示。

圖4 微型二維電場傳感器結構

微型二維電場傳感器結構由四個電場檢測的微型單元和一個電鍍驅動微結構整合而成，從而完成了單晶片的電場檢測功能，這種構造對一些共模噪聲同樣可以形成抑制效果。四支懸臂梁構成彈性元件，不僅能夠對屏蔽電極有著支撐和連接的作用，也可以保證電場傳感器的魯棒性。此電場傳感器的理想作用模式是在平面內旋轉振動。因此，在設計時選擇了懸臂梁的設計方法，從而顯著地減少了與相鄰模態的耦合影響。

研究人員提出一種由單轉子、雙定子組成的旋片式三維大氣電場儀。兩個定子交錯安裝，在各個方向均使用兩對感應電極，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。三維大氣電場儀還能進行對地面靜電場環境和15km 以上的高空測量，在低溫條件下依舊可以正常運行。

隨著微機電系統（MEMS Micro-Electronics Mechanical System）技術的不斷完善發展，國內外已有許多科學家設計出了基于MEMS的靜電場傳感器，這類靜電場傳感器相較其他傳感器具備的優勢有小尺寸、高集成度、低功耗并且可以實現批量生產。基于MEMS的低軸間耦合三維電場傳感器可以用于檢測垂直對稱軸向的面內電場分量，并且消除存在的耦合干擾。實測結果表明，在100kV/m范圍內，此類電場傳感器靈敏度小于3.46%，電場測量誤差可控制在7.23%以內。

MEMS三維電場傳感器的實物如圖5所示。

圖5 MEMS三維電場傳感器的實物

2.1.2 交變電場測量方法

處在交變電場中的導體，其感應電荷與周圍電場隨著時間的改變而不斷發生變化，研究人員對感應電荷進行分析，可以獲得與待測電場中成比例的輸出信號，完成電場測量。交變傳感器通過絕緣物質分成2個部分，球型傳感器結構如圖6所示，形成了電容傳感器，分隔后的2個部分為傳感器的2個電極，在電極間安裝測量電容，裝置中產生的電壓就是輸出信號。

圖6 球型傳感器結構

假定傳感器表面積為A，表面電荷密度為σ(t)，那么感應電荷總量為式（7）：

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

式（8）中：K為比例系數，感應電荷在測量電容CM上產生電壓為式（9）：

式（9） 代入式（8） 后可以得出：UM(t)=KEo(t)/CM。通過測量電容上的電壓可以得周圍環境電場強度Eo(t)。

2.2 光學原理電場測量法

隨著光學原理、光學材料、光學技術等的不斷深入研究，光學式電場測量飛躍性地發展。光學傳感器在電場測量領域中，性能方面相較電子式傳感器具有很大優勢，絕緣性能好、響應速度快、安全性高、體積小等優點，使得其在電場測量中具備競爭力。就目前而言，國內外已有許多科學家設計出了基于光學原理的電流、電壓傳感器，概括了一些簡單的光學電場測量傳感器。根據光學傳感機理分類，介紹常用的光學電場傳感器。

2.2.1 光電式球形電場傳感器

光電式球形電場傳感器是一種傳統的光學原理電場傳感器，主要原理是在待測電場中，電磁感應原理得到感應電荷，再使用集成電路將電學信號放大并變換為光學信號，然后通過光纖網絡傳送到信號處理模塊，從而實現周圍待測電場強度檢測。光電式球形電場傳感器具有結構簡單、易制作、在工頻準確測量電場等優點，但是由于自身結構的缺陷，探測器對被測電場有一定的輕微的干擾。

2.2.2 基于晶體Pockels效應的電場傳感器

基于閃爍鍺酸鉍晶體(BGO）橫向Pockels 效應的電場傳感機理如圖7所示。

圖7 基于閃爍鍺酸鉍晶體(BGO）橫向Pockels效應的電場傳感機理

Pockels 效應即線性光電效應，主要原理是因外加電場強度與一些晶體的光電相位延遲存在正比關系。在外加電場作用下，將偏振光載波發射到Pockels 晶體中，產生光電雙折射，調制到橢圓偏振光為止。Eα和Eβ外加被測電場的2 個正交分量，分光棱鏡將傳感光束分別發射到2 個不同的方向，其中一束通過主透光方向為α 方向的檢偏器，光強度與電場E 呈線性關系；另一束通過主透光方向與α 方向成45°角的檢偏器，光強度與電場Eα 程線性關系。因而，同時檢測這2 束光強度即可以獲知被測二維電場。線性光電效應在靜態和脈沖電場的光學測量上已成功得到應用。

2.2.3 集成光波導式電場傳感器

光波導的電場傳感器，主要通過安裝在周圍電場中的感應天線得出感應電壓，具有Pockels 效應的集成光波導將傳感感應電壓，從而實現電場的光學傳感。有研究人員提出將3 個帶天線的Mach-Zehnder 干涉儀結構的光波導固定在一個三棱柱的3 個面上，集成光波導式三維電場傳感頭如圖8所示，傳感器已經實現三維電場傳感，廣泛應用高頻電場測量。

圖8 集成光波導式三維電場傳感頭

2.2.4 基于電光Kerr效應的電場傳感器

Kerr 效應即為二次電光效應，是指電光相位延遲與外加電場的平方成正比關系。與Pockels 效應相比，基于Kerr 效應的電場傳感器靈敏度通常較低，但測量范圍較大。

2.2.5 其他光學電場傳感方案實例

排除上文描述的經典傳感方案之后，現在的文獻中仍然有著大量不同的方案。

一種光機電式電場傳感器如圖9所示，其中主要的結構是銅支架和硅薄膜，銅支架和硅薄膜之間有微型彈簧相互連接。通過電場力，銅支架和硅薄膜的相對位置發生變化，采取激光位置傳感器測量得出這個位移就可以知悉被測電場的大小。雖然此類傳感器的結構簡單，制作工藝流程精簡，但靈敏度也相對更低，且傳感信號受到周圍環境振動的影響。

圖9 光機電式電場傳感器

3 問題和討論

光學電場傳感器與電學電場傳感器相比較，具有絕緣性好、響應速度快、安全性高等優點，在諸多方面都優于電學電場傳感器，所以在電力現場工作時，光學電場傳感器比電學電場傳感器更加實用，但是光學電場器也存在一定的局限性。

電場傳感材料具有電光效應，溫度的高低是效應產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生的影響較為明顯，實際相位延遲量受到溫度變化產生的影響也較大，所以具有光電效應的電場傳感器在實際的正常工作狀態下，溫度漂移是必須考慮的重要影響因素之一，現在研究人員已經對溫度漂移做了大量且精細的研究討論工作，已經初步討論了光學電壓傳感器的不同溫度特性，得出主要結論是溫度漂移也合宜于電場傳感器。對于有差異的傳感機理，改變（提高）溫度的穩定性的舉措也是不同的。下文則是列舉了一些已有的相對有效的改進對策。

一是可以使用二路光傳感信號實現電壓傳感器輸出隨著溫度漂移的補償辦法，被測電壓大約5.5kV，溫度漂移約為±2.1%。本文提出的無須額外光源的光電式電壓傳感器，并同時具有構造簡便、生產成本相對較低諸多優勢。

二是選取瓊斯矩陣建設成立了反射式光纖電壓傳感器系統熱致誤差數學模型，將數學模型與有限元的方法相結合，精確計算出不同溫度擾動下石英晶體的物理參數（周長、高度、壓電系數），并對參數進行有效分析，得出參數改變會影響系統的輸出精度。研究人員計算與分析得出如下結論。

在-40～+85℃的溫度范圍之內，系統的輸出精度受到晶體邊長的影響較大，壓電系數居之其后，并且達到IEC0.2S 級精度等級的要求，高度的改變對系統輸出誤差的影響效果則較為輕微，在±0.06%之內。此外，實際溫度的改變與系統誤差相位呈線性關系。本文為控制和減小反射式光纖電壓傳感器熱致系統誤差提出了理論依據和基礎，為溫度補償理論提供了參考價值。

三是在電場傳感的同一時間及時測量實時環境溫度，當然也完全可以完成對溫度的補償，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光束的同時間測量出高頻電場和實時溫度，研究人員通過開發與全自動伺服控制光學平臺相關的新型探針設計來實現的，用來穩定電場傳感器響應。電光探頭在戶外條件下的響應時間超過1h，頻率帶寬從kHz 級到數十GHz，靈敏度為0.7Vm-1Hz-1/2，溫度精度為40mK。

4 結語

本文針對電力工作安全事故，提出了使用電場檢測手段完成非接觸式安全距離測定工作，為使用安全距離預警系統隨時警醒作業人員及時采取安全的防護措施，采用感應電壓監測的方式，判斷絕緣手套等防護工具是否有效，從而進一步降低了帶電作業的危險系數，更好地保障帶電作業人員的人身安全。

本文綜合描述了一些經典的傳感方案以及問題，電場傳感器的應用前景相當廣闊，依舊需要更多的專業研究人員繼續進行深入研究與開發。傳統的電學傳感方法與光學傳感方法有著截然不同的優缺點和現實應用范圍，同時，也需要研究人員進一步研究和分析，以期為電力系統安全穩定運行提供保障。