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，促使人們對增強(qiáng)安全生產(chǎn)意識越發(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)品特性以及社會功能共同決定的。對電力企業(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)中可能會出現(xiàn)的人身傷亡事故[1]。

但是從當(dāng)前來看，電力生產(chǎn)中安全事故仍然偶爾出現(xiàn)。根據(jù)相關(guān)部門報(bào)道，我國各地的電網(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)場或安全防護(hù)措施無意識情況下失效造成的，總結(jié)原因是電力工作者對安全的作業(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，也會因?yàn)槟承┛陀^因素（視覺死角、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法判斷周圍電場強(qiáng)度是否超過規(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(yīng)電壓監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對絕緣手套等安全防護(hù)用品是否失效的實(shí)時判別，以此避免電力作業(yè)事故。本文分別介紹了多種電場測量、感應(yīng)電流測量的方法以及儀器，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 各種電場測量方法的研究和比較

電場測量經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已經(jīng)有多種測量方法，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)原理電場測量法

電學(xué)原理廣泛運(yùn)用在早期的電場測量，即使用電學(xué)式電場傳感器測量電場。該類傳感器構(gòu)造簡單，便于制造，成本也就相對較低，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環(huán)境當(dāng)中時，感應(yīng)電荷匯聚于導(dǎo)體的表面，周圍環(huán)境的場強(qiáng)與導(dǎo)體表面電荷存在對應(yīng)關(guān)系，可以測試得到在周圍環(huán)境的場強(qiáng)。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(yīng)足量的電能，若需要獲取環(huán)境的電壓信息，則必須對環(huán)境提供能量。旋轉(zhuǎn)式電場傳感器經(jīng)典結(jié)構(gòu)如圖1所示。本結(jié)構(gòu)通過對多次轉(zhuǎn)動電極改變靜電場，使得帶電導(dǎo)線產(chǎn)生感應(yīng)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(yīng)用在了人們的日常生活中，旋轉(zhuǎn)式電場傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

圖2 旋轉(zhuǎn)式電場傳感器結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)葉片式的電場測量儀在大氣電場檢測當(dāng)中廣泛應(yīng)用，旋片式電場儀如圖3所示。旋轉(zhuǎn)葉片式的電場測量儀由相對穩(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)動過程中將產(chǎn)生感應(yīng)電荷。若將感應(yīng)片與地相互連接形成通路，將會產(chǎn)生交變電流，測量電流的數(shù)值即測得場強(qiáng)。

圖3 旋片式電場儀

由圖3可知，如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動每個周期T，感應(yīng)片產(chǎn)生感應(yīng)電荷的面積與時間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E變化率基本為零，感應(yīng)片總面積與時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E的變化量。設(shè)電流通過電阻R，則為式（4）：

把電壓展開為傅里葉級數(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(yīng)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(qiáng)度，最終確定絕緣子內(nèi)部導(dǎo)通性有無故障。

研究人員基于旋片式電場儀做了進(jìn)一步的完善，開發(fā)了一種電場檢測傳感芯片。

微型二維電場傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 微型二維電場傳感器結(jié)構(gòu)

微型二維電場傳感器結(jié)構(gòu)由四個電場檢測的微型單元和一個電鍍驅(qū)動微結(jié)構(gòu)整合而成，從而完成了單晶片的電場檢測功能，這種構(gòu)造對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(nèi)旋轉(zhuǎn)振動。因此，在設(shè)計(jì)時選擇了懸臂梁的設(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儀。兩個定子交錯安裝，在各個方向均使用兩對感應(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。三維大氣電場儀還能進(jìn)行對地面靜電場環(huán)境和15km 以上的高空測量，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，國內(nèi)外已有許多科學(xué)家設(shè)計(jì)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(yōu)勢有小尺寸、高集成度、低功耗并且可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。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(nèi)電場分量，并且消除存在的耦合干擾。實(shí)測結(jié)果表明，在100kV/m范圍內(nèi)，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(nèi)。

MEMS三維電場傳感器的實(shí)物如圖5所示。

圖5 MEMS三維電場傳感器的實(shí)物

2.1.2 交變電場測量方法

處在交變電場中的導(dǎo)體，其感應(yīng)電荷與周圍電場隨著時間的改變而不斷發(fā)生變化，研究人員對感應(yīng)電荷進(jìn)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(zhì)分成2個部分，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(chǎn)生的電壓就是輸出信號。

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，表面電荷量Q(t)與電場強(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。通過測量電容上的電壓可以得周圍環(huán)境電場強(qiáng)度Eo(t)。

2.2 光學(xué)原理電場測量法

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)式電場測量飛躍性地發(fā)展。光學(xué)傳感器在電場測量領(lǐng)域中，性能方面相較電子式傳感器具有很大優(yōu)勢，絕緣性能好、響應(yīng)速度快、安全性高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，使得其在電場測量中具備競爭力。就目前而言，國內(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，概括了一些簡單的光學(xué)電場測量傳感器。根據(jù)光學(xué)傳感機(jī)理分類，介紹常用的光學(xué)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(tǒng)的光學(xué)原理電場傳感器，主要原理是在待測電場中，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)信號放大并變換為光學(xué)信號，然后通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳送到信號處理模塊，從而實(shí)現(xiàn)周圍待測電場強(qiáng)度檢測。光電式球形電場傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、易制作、在工頻準(zhǔn)確測量電場等優(yōu)點(diǎn)，但是由于自身結(jié)構(gòu)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(yīng)的電場傳感器

基于閃爍鍺酸鉍晶體(BGO）橫向Pockels 效應(yīng)的電場傳感機(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外加被測電場的2 個正交分量，分光棱鏡將傳感光束分別發(fā)射到2 個不同的方向，其中一束通過主透光方向?yàn)棣?方向的檢偏器，光強(qiáng)度與電場E 呈線性關(guān)系；另一束通過主透光方向與α 方向成45°角的檢偏器，光強(qiáng)度與電場Eα 程線性關(guān)系。因而，同時檢測這2 束光強(qiáng)度即可以獲知被測二維電場。線性光電效應(yīng)在靜態(tài)和脈沖電場的光學(xué)測量上已成功得到應(yīng)用。

2.2.3 集成光波導(dǎo)式電場傳感器

光波導(dǎo)的電場傳感器，主要通過安裝在周圍電場中的感應(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)電場的光學(xué)傳感。有研究人員提出將3 個帶天線的Mach-Zehnder 干涉儀結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)固定在一個三棱柱的3 個面上，集成光波導(dǎo)式三維電場傳感頭如圖8所示，傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)三維電場傳感，廣泛應(yīng)用高頻電場測量。

圖8 集成光波導(dǎo)式三維電場傳感頭

2.2.4 基于電光Kerr效應(yīng)的電場傳感器

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)的電場傳感器靈敏度通常較低，但測量范圍較大。

2.2.5 其他光學(xué)電場傳感方案實(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。通過電場力，銅支架和硅薄膜的相對位置發(fā)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(jié)構(gòu)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(huán)境振動的影響。

圖9 光機(jī)電式電場傳感器

3 問題和討論

光學(xué)電場傳感器與電學(xué)電場傳感器相比較，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)電場傳感器，所以在電力現(xiàn)場工作時，光學(xué)電場傳感器比電學(xué)電場傳感器更加實(shí)用，但是光學(xué)電場器也存在一定的局限性。

電場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傳感器。對于有差異的傳感機(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有效的改進(jìn)對策。

一是可以使用二路光傳感信號實(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(gòu)造簡便、生產(chǎn)成本相對較低諸多優(yōu)勢。

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)算出不同溫度擾動下石英晶體的物理參數(shù)（周長、高度、壓電系數(shù)），并對參數(shù)進(jìn)行有效分析，得出參數(shù)改變會影響系統(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的影響較大，壓電系數(shù)居之其后，并且達(dá)到IEC0.2S 級精度等級的要求，高度的改變對系統(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。

三是在電場傳感的同一時間及時測量實(shí)時環(huán)境溫度，當(dāng)然也完全可以完成對溫度的補(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光束的同時間測量出高頻電場和實(shí)時溫度，研究人員通過開發(fā)與全自動伺服控制光學(xué)平臺相關(guān)的新型探針設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的，用來穩(wěn)定電場傳感器響應(yīng)。電光探頭在戶外條件下的響應(yīng)時間超過1h，頻率帶寬從kHz 級到數(shù)十GHz，靈敏度為0.7Vm-1Hz-1/2，溫度精度為40mK。

4 結(jié)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(yù)警系統(tǒng)隨時警醒作業(yè)人員及時采取安全的防護(hù)措施，采用感應(yīng)電壓監(jiān)測的方式，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題，電場傳感器的應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊，依舊需要更多的專業(yè)研究人員繼續(xù)進(jìn)行深入研究與開發(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，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。