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(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司培訓(xùn)與評(píng)價(jià)中心，貴州 清鎮(zhèn) 551417； 2.武漢黑金科技有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

近年來(lái)，為了滿(mǎn)足我國(guó)日益增長(zhǎng)的電力能源需求，我國(guó)電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度和電網(wǎng)改擴(kuò)建項(xiàng)目的規(guī)模均逐步擴(kuò)大。與此同時(shí)，電力作業(yè)人員在高壓線(xiàn)路上進(jìn)行帶電作業(yè)是輸配電線(xiàn)路檢修檢測(cè)的日常例行工作內(nèi)容，為我國(guó)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益提升發(fā)揮了極為重要的作用[1]。目前在高壓線(xiàn)路帶電作業(yè)過(guò)程中，工作人員在作業(yè)的過(guò)程中對(duì)距離的判斷會(huì)存在一定誤差，導(dǎo)致工作人員身體超過(guò)了安全距離從而發(fā)生放電，或工作人員由于無(wú)意識(shí)的身體移動(dòng)直接觸碰到帶電設(shè)備造成的傷亡事故非常之多[2]。因此，為了最大程度保證電力作業(yè)人員的安全，急需研制一種穩(wěn)定可靠便于攜帶的電壓電場(chǎng)預(yù)警裝置。但是以往的預(yù)警技術(shù)是采用單一電場(chǎng)傳感器對(duì)電場(chǎng)值進(jìn)行采集，從而對(duì)危險(xiǎn)電場(chǎng)進(jìn)行預(yù)警，而電場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)由于采用的是傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)，傳感探頭尺寸較大，且容易引起電場(chǎng)畸變，從而致使測(cè)量誤差比較大[3-5]，并且由于采用的是單探頭的測(cè)量機(jī)制，在作業(yè)人員身體晃動(dòng)的時(shí)候很容易受到干擾，導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確度下降。為了解決上述問(wèn)題，本文采用光學(xué)電壓電場(chǎng)傳感器，利用電光調(diào)制原理和光電子技術(shù)實(shí)時(shí)解算出帶電作業(yè)人員周邊電場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)測(cè)算到的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了工頻電場(chǎng)暴露限制閾值或者安全距離臨界閾值時(shí)，測(cè)量裝置可以及時(shí)發(fā)出告警信號(hào)，對(duì)保障高壓輸電線(xiàn)路下的電力工作人員安全和高壓輸電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠運(yùn)行具有極其重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 pockels電光效應(yīng)測(cè)量電壓電場(chǎng)的原理

根據(jù)固體量子學(xué)理論，晶體束縛電荷受到電場(chǎng)作用發(fā)生重新分布，進(jìn)而引起晶體特性發(fā)生變化。晶體介電張量的變化，將導(dǎo)致折射率分布發(fā)生一定程度的變化，從而使晶體的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。這種在外加電場(chǎng)作用下，晶體發(fā)生光學(xué)特性的改變現(xiàn)象被稱(chēng)作pockels電光效應(yīng)[6]。

依據(jù)pockels電光效應(yīng)而設(shè)計(jì)加工的電場(chǎng)測(cè)量傳感器基本技術(shù)原理是：光纖傳入起偏器將LED光源所產(chǎn)生的光波信號(hào)由光纖傳入起偏器先轉(zhuǎn)變成線(xiàn)性偏振光，經(jīng)過(guò)1/4波片變化后，又被轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光，在環(huán)境外加電場(chǎng)、電壓影響下，透過(guò)晶體傳感器的光線(xiàn)將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，所施加電壓與雙折射光波成正比關(guān)系，且與輸出光線(xiàn)強(qiáng)度成線(xiàn)性關(guān)系，因此，從理論上講，經(jīng)電光轉(zhuǎn)化以及相應(yīng)的信號(hào)處理之后即可測(cè)量出電壓值。

(1)

式中：λ0——光波長(zhǎng)(空氣中)；

l——BGO晶體長(zhǎng)度(Z軸向)。

由于直接測(cè)量光波相位存在一定的技術(shù)難度，因此，可采用相應(yīng)的光路系統(tǒng)進(jìn)行光強(qiáng)測(cè)量，進(jìn)而解決這個(gè)問(wèn)題。那么，進(jìn)行電光振幅調(diào)制后，入射光與出射光之間的光強(qiáng)之比如式(2)所示：

l0/li=(1-cos(AEz+Δθ0+Δθ1))/2

(2)

對(duì)于特定電光效應(yīng)晶體和調(diào)制方法而言，A是常數(shù)，λ是光波波長(zhǎng)，Δθ0是自然雙折射所導(dǎo)致的相位差，晶體Δθ0=0，Δθ1是電光晶體的電光延遲Г。

2 電壓電場(chǎng)測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)

依據(jù)pockels電光效應(yīng)測(cè)量電壓電場(chǎng)的原理，設(shè)計(jì)電壓電場(chǎng)傳感器，其主要由傳感探頭(如圖1所示)、信號(hào)傳輸光纖及測(cè)量連接系統(tǒng)(如圖2所示)等部分組成。其中，光探測(cè)器采用PIN結(jié)二極管光電接收組件，選用LED光源，波長(zhǎng)1 550 nm，采用單模光纖傳輸LED光源的光信號(hào)。傳感探頭主要由BGO晶體、1/4波片、檢偏器、起偏器、短程透鏡等部分組成。通過(guò)短程透鏡準(zhǔn)直后，再進(jìn)行起偏器轉(zhuǎn)變，LED光源光波變?yōu)榫€(xiàn)偏振光，通過(guò)1/4波片，轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光，再穿過(guò)BGO晶體，在其作用下，圓偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓偏振光，然后，利用檢偏器進(jìn)行檢偏處理，產(chǎn)生調(diào)制度相當(dāng)于電場(chǎng)和電壓的光信號(hào)。綜上所述，通過(guò)檢測(cè)光信號(hào)間接測(cè)量加載在BGO晶體上的電信號(hào)是可行的。

但是，上述電壓電場(chǎng)測(cè)量裝置中耦合到光纖中的能量不足2 μW，并且由于有1/4波片、起偏器以及檢偏器的作用，電壓電場(chǎng)傳感器的插入損耗大約在8 dB～10 dB之間，測(cè)量裝置僅能檢測(cè)100 nW數(shù)量級(jí)的光波能量。因此，選用能檢測(cè)nW數(shù)量級(jí)光功率光電探測(cè)元件成為必然。

針對(duì)電壓、電場(chǎng)測(cè)量實(shí)際需求，BGO晶體傳感器的體積必須要足夠的小。為了滿(mǎn)足機(jī)械強(qiáng)度及電器性能的基本要求，需要采用電子環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行包封處理。同時(shí)，由于傳感探頭的存在，會(huì)使其周邊空間的電場(chǎng)發(fā)生一定程度的畸變，所以必須盡可能的減小封裝材料的介電常數(shù)，以確保降低這種畸變?cè)斐傻挠绊憽?/p>

3 特性實(shí)測(cè)

采用設(shè)計(jì)的電壓電場(chǎng)測(cè)量傳感器進(jìn)行特性實(shí)測(cè)，我們以平板電極為高電位，尺寸為邊長(zhǎng)為1 m、厚度為2 mm的正方形，材質(zhì)選用不銹鋼材料。以測(cè)試臺(tái)面為地，選用尺寸略大于上極板的不銹鋼材料長(zhǎng)方形臺(tái)面，用絕緣柱使平板電極和測(cè)試臺(tái)面保持平行。晶體的介電常數(shù)ε=16，通光方向d的長(zhǎng)度為5 cm，電光系數(shù)γ約為1 pm/V，折射率n0=2。

實(shí)測(cè)采用兩種方式進(jìn)行，分別為：

1)橫向放置于地極板頂部，高度約為23 cm，極板之間的間隔為43 cm。2)放置于地極板表面，極板之間的間隔為23 cm。實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

可得到：E1=30.8 kV/m；

理想狀態(tài)下，BGO晶體、空氣間的界面為無(wú)限大，其介電常數(shù)為16，則其感應(yīng)電場(chǎng)為晶體周?chē)臻g電場(chǎng)的1/16，即0.062 5。但實(shí)際狀態(tài)下，BGO晶體尺寸肯定有限，在一定距離上，其周邊空間電場(chǎng)分布必然會(huì)受到其形狀的影響?？茖W(xué)研究表明，晶體尺寸加工的越小，則其內(nèi)電場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度和空氣中實(shí)際電場(chǎng)的強(qiáng)度間差異性也就越小。

從本次實(shí)測(cè)結(jié)果可知：

1)傳感器探頭BGO晶體介電常數(shù)很小，測(cè)量結(jié)果容易受到傳感探頭表面的感應(yīng)電荷的影響。

2)對(duì)于BGO晶體懸空、貼近地極2情況，感應(yīng)電場(chǎng)測(cè)量靈敏度存在較大差別，這主要是因?yàn)榭拷蠘O板和下極板位置的空間電場(chǎng)產(chǎn)生了較大畸變，因此，需將BGO晶體在懸空狀態(tài)下所測(cè)得的數(shù)據(jù)作為基本參考標(biāo)定量。

4 結(jié)語(yǔ)

從帶電作業(yè)等電力作業(yè)的安全需求出發(fā)，探討了基于pockels電光效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量傳感器的基本原理和特性，開(kāi)發(fā)了小型化傳感器，開(kāi)展了2種模式的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，討論了傳感探頭對(duì)空間電場(chǎng)分布所造成的影響，驗(yàn)證了傳感頭布置位置、方向與內(nèi)感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度的相關(guān)性，同時(shí)得出了:

1)傳感探頭的尺寸在制作時(shí)應(yīng)當(dāng)盡可能小型化；

2)應(yīng)選用介電常數(shù)小的非金屬材料光學(xué)元件等重要的結(jié)論。

隨著智能電網(wǎng)和高壓電力系統(tǒng)對(duì)量測(cè)裝置要求的不斷提高，基于pockels電光效應(yīng)電壓電場(chǎng)測(cè)量傳感器因其具有頻帶寬、絕緣強(qiáng)度高、抗干擾性強(qiáng)、精度高、靈敏度好、動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，克服了以往有源線(xiàn)圈傳感探頭易漂移、體積較大、受電磁干擾大等缺點(diǎn)，相比于以往的測(cè)量方式，基于pockels電光效應(yīng)的電壓電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)顯示出了巨大的優(yōu)越性和廣闊的行業(yè)應(yīng)用潛力。研究結(jié)論對(duì)于今后關(guān)于基于pockels電光效應(yīng)的電壓電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)研究具有積極的指導(dǎo)意義。

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