近电报警的电场传感器发展研究

广东电网有限责任公司中山供电局 陈岸 周慧彬 罗林吉

上海诚格安全防护用品有限公司 高强

1 引言

随着科学技术的不断发展，工业化水平的不断提高，电力资源在人民生活中越来越重要。保障安全、高效地输送与分配电力资源，是电力系统需要不断优化的重要环节。目前科技的进步、经济的快速发展加上各种改革措施的逐渐深入，促使人们对增强安全生产意识越发重视。安全生产是一切管理条件的前提，也是现代社会文明发展进步的主要表现，电力安全作业的重要意义是由电能生产客观规律和产品特性以及社会功能共同决定的。对电力企业而言，安全生产（或者安全作业）就是所有工作的前提以及中心。

随着电网改造新局面的持续深入，电力企业更加需要确定电力安全生产的目标，预防影响国民正常生产和生活的重大事故的出现，特别是要防止电力生产中可能会出现的人身伤亡事故[1]。

但是从当前来看，电力生产中安全事故仍然偶尔出现。根据相关部门报道，我国各地的电网运行系统当中仍然存在人身伤亡事故。分析多年来的电力工作人员触电事故原因，一部分是因为电力工作人员自身违反安全章程施工，另一部分是电力工作人员误入环境复杂的高压现场或安全防护措施无意识情况下失效造成的，总结原因是电力工作者对安全的作业位置、带电体间的安全距离和防护有效性缺乏清晰实时的判断[2]。但是即便是实践经验较多的电力从业者，也会因为某些客观因素（视觉死角、自然环境、防护工具破损等），出现判定失误[3]，导致自身处于危险状态。

基于上述分析，造成电力作业事故的直接原因就是无法判断周围电场强度是否超过规定范围以及诸如防护手套等工具失效导致。为实现电力安全作业，可以通过电场测量方法完成对电力安全距离的测量[4]，通过近距离的感应电压监测，实现对绝缘手套等安全防护用品是否失效的实时判别，以此避免电力作业事故。本文分别介绍了多种电场测量、感应电流测量的方法以及仪器，以期降低带电作业的危险系数，保障带电作业人员的人身安全。

2 各种电场测量方法的研究和比较

电场测量经过多年的发展，目前已经有多种测量方法，按照原理主要可以分为电学原理和光学原理[5]。

2.1 电学原理电场测量法

电学原理广泛运用在早期的电场测量，即使用电学式电场传感器测量电场。该类传感器构造简单，便于制造，成本也就相对较低，容易进行推广。其工作原理是当导体存在于变化的电场环境当中时，感应电荷汇聚于导体的表面，周围环境的场强与导体表面电荷存在对应关系，可以测试得到在周围环境的场强。电场传感器又分为静电场检测仪和交变式电场检测仪。

2.1.1 静电场测量方法

低频电场或静电场自身无法供应足量的电能，若需要获取环境的电压信息，则必须对环境提供能量。旋转式电场传感器经典结构如图1所示。本结构通过对多次转动电极改变静电场，使得带电导线产生感应的电荷，输出交流信号。随着对静电仪器研究的不断成熟，其广泛应用在了人们的日常生活中，旋转式电场传感器结构如图2所示。

图1 旋转式电场传感器经典结构

图2 旋转式电场传感器结构

旋转叶片式的电场测量仪在大气电场检测当中广泛应用，旋片式电场仪如图3所示。旋转叶片式的电场测量仪由相对稳定的感应片和固定转速的转子构成，感应片在转子转动过程中将产生感应电荷。若将感应片与地相互连接形成通路，将会产生交变电流，测量电流的数值即测得场强。

图3 旋片式电场仪

由图3可知，如果转子转动每个周期T，感应片产生感应电荷的面积与时间t有式（1）：

式（1）中：SN为感应片总面积；ε0为介电常数。则电场E中的产生的感应电荷为式（2）：

感应电荷的微分dQ(t)/dt，就是感生电流为式（3）：

由于静电场E变化率基本为零，感应片总面积与时间变化量相比较可忽略不计，那么感应电流的变化量就可以作是正比于电场E的变化量。设电流通过电阻R，则为式（4）：

把电压展开为傅里叶级数如式（5）：

经选择器保留第一项为式（6）：

因此，可以得到正弦变化的感应电压，但无法判断电场的极性。如需要得到极性，可以通过相敏检波器检测与感应信号同步的参考信号检测，还可以利用带电检测仪与旋片式变电容器的方式来测量合成绝缘子的直流电场，并利用不断测试合成绝缘子中的纵向电场强度，最终确定绝缘子内部导通性有无故障。

研究人员基于旋片式电场仪做了进一步的完善，开发了一种电场检测传感芯片。

微型二维电场传感器结构如图4所示。

图4 微型二维电场传感器结构

微型二维电场传感器结构由四个电场检测的微型单元和一个电镀驱动微结构整合而成，从而完成了单晶片的电场检测功能，这种构造对一些共模噪声同样可以形成抑制效果。四支悬臂梁构成弹性元件，不仅能够对屏蔽电极有着支撑和连接的作用，也可以保证电场传感器的鲁棒性。此电场传感器的理想作用模式是在平面内旋转振动。因此，在设计时选择了悬臂梁的设计方法，从而显著地减少了与相邻模态的耦合影响。

研究人员提出一种由单转子、双定子组成的旋片式三维大气电场仪。两个定子交错安装，在各个方向均使用两对感应电极，以电极电荷变化量为输出信息。这样一方面可以减少高空带电粒子的影响，另一方面又可以提高灵敏度。三维大气电场仪还能进行对地面静电场环境和15km 以上的高空测量，在低温条件下依旧可以正常运行。

随着微机电系统（MEMS Micro-Electronics Mechanical System）技术的不断完善发展，国内外已有许多科学家设计出了基于MEMS的静电场传感器，这类静电场传感器相较其他传感器具备的优势有小尺寸、高集成度、低功耗并且可以实现批量生产。基于MEMS的低轴间耦合三维电场传感器可以用于检测垂直对称轴向的面内电场分量，并且消除存在的耦合干扰。实测结果表明，在100kV/m范围内，此类电场传感器灵敏度小于3.46%，电场测量误差可控制在7.23%以内。

MEMS三维电场传感器的实物如图5所示。

图5 MEMS三维电场传感器的实物

2.1.2 交变电场测量方法

处在交变电场中的导体，其感应电荷与周围电场随着时间的改变而不断发生变化，研究人员对感应电荷进行分析，可以获得与待测电场中成比例的输出信号，完成电场测量。交变传感器通过绝缘物质分成2个部分，球型传感器结构如图6所示，形成了电容传感器，分隔后的2个部分为传感器的2个电极，在电极间安装测量电容，装置中产生的电压就是输出信号。

图6 球型传感器结构

假定传感器表面积为A，表面电荷密度为σ(t)，那么感应电荷总量为式（7）：

因此可知，传感器置于电场，表面电荷量Q(t)与电场强度Eo(t)成正比为（8）：

式（8）中：K为比例系数，感应电荷在测量电容CM上产生电压为式（9）：

式（9） 代入式（8） 后可以得出：UM(t)=KEo(t)/CM。通过测量电容上的电压可以得周围环境电场强度Eo(t)。

2.2 光学原理电场测量法

随着光学原理、光学材料、光学技术等的不断深入研究，光学式电场测量飞跃性地发展。光学传感器在电场测量领域中，性能方面相较电子式传感器具有很大优势，绝缘性能好、响应速度快、安全性高、体积小等优点，使得其在电场测量中具备竞争力。就目前而言，国内外已有许多科学家设计出了基于光学原理的电流、电压传感器，概括了一些简单的光学电场测量传感器。根据光学传感机理分类，介绍常用的光学电场传感器。

2.2.1 光电式球形电场传感器

光电式球形电场传感器是一种传统的光学原理电场传感器，主要原理是在待测电场中，电磁感应原理得到感应电荷，再使用集成电路将电学信号放大并变换为光学信号，然后通过光纤网络传送到信号处理模块，从而实现周围待测电场强度检测。光电式球形电场传感器具有结构简单、易制作、在工频准确测量电场等优点，但是由于自身结构的缺陷，探测器对被测电场有一定的轻微的干扰。

2.2.2 基于晶体Pockels效应的电场传感器

基于闪烁锗酸铋晶体(BGO）横向Pockels 效应的电场传感机理如图7所示。

图7 基于闪烁锗酸铋晶体(BGO）横向Pockels效应的电场传感机理

Pockels 效应即线性光电效应，主要原理是因外加电场强度与一些晶体的光电相位延迟存在正比关系。在外加电场作用下，将偏振光载波发射到Pockels 晶体中，产生光电双折射，调制到椭圆偏振光为止。Eα和Eβ外加被测电场的2 个正交分量，分光棱镜将传感光束分别发射到2 个不同的方向，其中一束通过主透光方向为α 方向的检偏器，光强度与电场E 呈线性关系；另一束通过主透光方向与α 方向成45°角的检偏器，光强度与电场Eα 程线性关系。因而，同时检测这2 束光强度即可以获知被测二维电场。线性光电效应在静态和脉冲电场的光学测量上已成功得到应用。

2.2.3 集成光波导式电场传感器

光波导的电场传感器，主要通过安装在周围电场中的感应天线得出感应电压，具有Pockels 效应的集成光波导将传感感应电压，从而实现电场的光学传感。有研究人员提出将3 个带天线的Mach-Zehnder 干涉仪结构的光波导固定在一个三棱柱的3 个面上，集成光波导式三维电场传感头如图8所示，传感器已经实现三维电场传感，广泛应用高频电场测量。

图8 集成光波导式三维电场传感头

2.2.4 基于电光Kerr效应的电场传感器

Kerr 效应即为二次电光效应，是指电光相位延迟与外加电场的平方成正比关系。与Pockels 效应相比，基于Kerr 效应的电场传感器灵敏度通常较低，但测量范围较大。

2.2.5 其他光学电场传感方案实例

排除上文描述的经典传感方案之后，现在的文献中仍然有着大量不同的方案。

一种光机电式电场传感器如图9所示，其中主要的结构是铜支架和硅薄膜，铜支架和硅薄膜之间有微型弹簧相互连接。通过电场力，铜支架和硅薄膜的相对位置发生变化，采取激光位置传感器测量得出这个位移就可以知悉被测电场的大小。虽然此类传感器的结构简单，制作工艺流程精简，但灵敏度也相对更低，且传感信号受到周围环境振动的影响。

图9 光机电式电场传感器

3 问题和讨论

光学电场传感器与电学电场传感器相比较，具有绝缘性好、响应速度快、安全性高等优点，在诸多方面都优于电学电场传感器，所以在电力现场工作时，光学电场传感器比电学电场传感器更加实用，但是光学电场器也存在一定的局限性。

电场传感材料具有电光效应，温度的高低是效应产生变化的重要因素之一。材料的双折射和旋光性受到温度变化产生的影响较为明显，实际相位延迟量受到温度变化产生的影响也较大，所以具有光电效应的电场传感器在实际的正常工作状态下，温度漂移是必须考虑的重要影响因素之一，现在研究人员已经对温度漂移做了大量且精细的研究讨论工作，已经初步讨论了光学电压传感器的不同温度特性，得出主要结论是温度漂移也合宜于电场传感器。对于有差异的传感机理，改变（提高）温度的稳定性的举措也是不同的。下文则是列举了一些已有的相对有效的改进对策。

一是可以使用二路光传感信号实现电压传感器输出随着温度漂移的补偿办法，被测电压大约5.5kV，温度漂移约为±2.1%。本文提出的无须额外光源的光电式电压传感器，并同时具有构造简便、生产成本相对较低诸多优势。

二是选取琼斯矩阵建设成立了反射式光纤电压传感器系统热致误差数学模型，将数学模型与有限元的方法相结合，精确计算出不同温度扰动下石英晶体的物理参数（周长、高度、压电系数），并对参数进行有效分析，得出参数改变会影响系统的输出精度。研究人员计算与分析得出如下结论。

在-40～+85℃的温度范围之内，系统的输出精度受到晶体边长的影响较大，压电系数居之其后，并且达到IEC0.2S 级精度等级的要求，高度的改变对系统输出误差的影响效果则较为轻微，在±0.06%之内。此外，实际温度的改变与系统误差相位呈线性关系。本文为控制和减小反射式光纤电压传感器热致系统误差提出了理论依据和基础，为温度补偿理论提供了参考价值。

三是在电场传感的同一时间及时测量实时环境温度，当然也完全可以完成对温度的补偿，采用一种带尾纤的电光探头，这种电光探头可以在激光探测光束的同时间测量出高频电场和实时温度，研究人员通过开发与全自动伺服控制光学平台相关的新型探针设计来实现的，用来稳定电场传感器响应。电光探头在户外条件下的响应时间超过1h，频率带宽从kHz 级到数十GHz，灵敏度为0.7Vm-1Hz-1/2，温度精度为40mK。

4 结语

本文针对电力工作安全事故，提出了使用电场检测手段完成非接触式安全距离测定工作，为使用安全距离预警系统随时警醒作业人员及时采取安全的防护措施，采用感应电压监测的方式，判断绝缘手套等防护工具是否有效，从而进一步降低了带电作业的危险系数，更好地保障带电作业人员的人身安全。

本文综合描述了一些经典的传感方案以及问题，电场传感器的应用前景相当广阔，依旧需要更多的专业研究人员继续进行深入研究与开发。传统的电学传感方法与光学传感方法有着截然不同的优缺点和现实应用范围，同时，也需要研究人员进一步研究和分析，以期为电力系统安全稳定运行提供保障。