基于pockels电光效应的电场测量传感器研究

王德贺 潘 科 张月金

(1.贵州电网有限责任公司培训与评价中心，贵州 清镇 551417； 2.武汉黑金科技有限公司，湖北 武汉 430074)

0 引言

近年来，为了满足我国日益增长的电力能源需求，我国电力基础设施建设力度和电网改扩建项目的规模均逐步扩大。与此同时，电力作业人员在高压线路上进行带电作业是输配电线路检修检测的日常例行工作内容，为我国电力系统的可靠运行和经济效益提升发挥了极为重要的作用[1]。目前在高压线路带电作业过程中，工作人员在作业的过程中对距离的判断会存在一定误差，导致工作人员身体超过了安全距离从而发生放电，或工作人员由于无意识的身体移动直接触碰到带电设备造成的伤亡事故非常之多[2]。因此，为了最大程度保证电力作业人员的安全，急需研制一种稳定可靠便于携带的电压电场预警装置。但是以往的预警技术是采用单一电场传感器对电场值进行采集，从而对危险电场进行预警，而电场检测系统由于采用的是传统的机械加工技术，传感探头尺寸较大，且容易引起电场畸变，从而致使测量误差比较大[3-5]，并且由于采用的是单探头的测量机制，在作业人员身体晃动的时候很容易受到干扰，导致测量准确度下降。为了解决上述问题，本文采用光学电压电场传感器，利用电光调制原理和光电子技术实时解算出带电作业人员周边电场强度，当测算到的电场强度超过了工频电场暴露限制阈值或者安全距离临界阈值时，测量装置可以及时发出告警信号，对保障高压输电线路下的电力工作人员安全和高压输电网络稳定可靠运行具有极其重大的现实意义。

1 pockels电光效应测量电压电场的原理

根据固体量子学理论，晶体束缚电荷受到电场作用发生重新分布，进而引起晶体特性发生变化。晶体介电张量的变化，将导致折射率分布发生一定程度的变化，从而使晶体的光学性质发生改变。这种在外加电场作用下，晶体发生光学特性的改变现象被称作pockels电光效应[6]。

依据pockels电光效应而设计加工的电场测量传感器基本技术原理是：光纤传入起偏器将LED光源所产生的光波信号由光纤传入起偏器先转变成线性偏振光，经过1/4波片变化后，又被转变为圆偏振光，在环境外加电场、电压影响下，透过晶体传感器的光线将产生双折射现象，所施加电压与双折射光波成正比关系，且与输出光线强度成线性关系，因此，从理论上讲，经电光转化以及相应的信号处理之后即可测量出电压值。

(1)

式中：λ0——光波长(空气中)；

l——BGO晶体长度(Z轴向)。

由于直接测量光波相位存在一定的技术难度，因此，可采用相应的光路系统进行光强测量，进而解决这个问题。那么，进行电光振幅调制后，入射光与出射光之间的光强之比如式(2)所示：

l0/li=(1-cos(AEz+Δθ0+Δθ1))/2

(2)

对于特定电光效应晶体和调制方法而言，A是常数，λ是光波波长，Δθ0是自然双折射所导致的相位差，晶体Δθ0=0，Δθ1是电光晶体的电光延迟Г。

2 电压电场测量传感器设计

依据pockels电光效应测量电压电场的原理，设计电压电场传感器，其主要由传感探头(如图1所示)、信号传输光纤及测量连接系统(如图2所示)等部分组成。其中，光探测器采用PIN结二极管光电接收组件，选用LED光源，波长1 550 nm，采用单模光纤传输LED光源的光信号。传感探头主要由BGO晶体、1/4波片、检偏器、起偏器、短程透镜等部分组成。通过短程透镜准直后，再进行起偏器转变，LED光源光波变为线偏振光，通过1/4波片，转变为圆偏振光，再穿过BGO晶体，在其作用下，圆偏振光转变为椭圆偏振光，然后，利用检偏器进行检偏处理，产生调制度相当于电场和电压的光信号。综上所述，通过检测光信号间接测量加载在BGO晶体上的电信号是可行的。

但是，上述电压电场测量装置中耦合到光纤中的能量不足2 μW，并且由于有1/4波片、起偏器以及检偏器的作用，电压电场传感器的插入损耗大约在8 dB～10 dB之间，测量装置仅能检测100 nW数量级的光波能量。因此，选用能检测nW数量级光功率光电探测元件成为必然。

针对电压、电场测量实际需求，BGO晶体传感器的体积必须要足够的小。为了满足机械强度及电器性能的基本要求，需要采用电子环氧树脂胶黏剂对光学元件进行包封处理。同时，由于传感探头的存在，会使其周边空间的电场发生一定程度的畸变，所以必须尽可能的减小封装材料的介电常数，以确保降低这种畸变造成的影响。

3 特性实测

采用设计的电压电场测量传感器进行特性实测，我们以平板电极为高电位，尺寸为边长为1 m、厚度为2 mm的正方形，材质选用不锈钢材料。以测试台面为地，选用尺寸略大于上极板的不锈钢材料长方形台面，用绝缘柱使平板电极和测试台面保持平行。晶体的介电常数ε=16，通光方向d的长度为5 cm，电光系数γ约为1 pm/V，折射率n0=2。

实测采用两种方式进行，分别为：

1)横向放置于地极板顶部，高度约为23 cm，极板之间的间隔为43 cm。2)放置于地极板表面，极板之间的间隔为23 cm。实测结果如表1所示。

表1 测试结果

可得到：E1=30.8 kV/m；

理想状态下，BGO晶体、空气间的界面为无限大，其介电常数为16，则其感应电场为晶体周围空间电场的1/16，即0.062 5。但实际状态下，BGO晶体尺寸肯定有限，在一定距离上，其周边空间电场分布必然会受到其形状的影响。科学研究表明，晶体尺寸加工的越小，则其内电场感应强度和空气中实际电场的强度间差异性也就越小。

从本次实测结果可知：

1)传感器探头BGO晶体介电常数很小，测量结果容易受到传感探头表面的感应电荷的影响。

2)对于BGO晶体悬空、贴近地极2情况，感应电场测量灵敏度存在较大差别，这主要是因为靠近上极板和下极板位置的空间电场产生了较大畸变，因此，需将BGO晶体在悬空状态下所测得的数据作为基本参考标定量。

4 结语

从带电作业等电力作业的安全需求出发，探讨了基于pockels电光效应的电场测量传感器的基本原理和特性，开发了小型化传感器，开展了2种模式的实验测试，讨论了传感探头对空间电场分布所造成的影响，验证了传感头布置位置、方向与内感应电场强度的相关性，同时得出了:

1)传感探头的尺寸在制作时应当尽可能小型化；

2)应选用介电常数小的非金属材料光学元件等重要的结论。

随着智能电网和高压电力系统对量测装置要求的不断提高，基于pockels电光效应电压电场测量传感器因其具有频带宽、绝缘强度高、抗干扰性强、精度高、灵敏度好、动态范围大、响应速度快、尺寸小等优点，克服了以往有源线圈传感探头易漂移、体积较大、受电磁干扰大等缺点，相比于以往的测量方式，基于pockels电光效应的电压电场测量技术显示出了巨大的优越性和广阔的行业应用潜力。研究结论对于今后关于基于pockels电光效应的电压电场测量技术研究具有积极的指导意义。

参考文献：

[1] 胡 毅.送变电带电作业技术[M].北京:中国电力出版社，2004.

[2] 许 箴，秦勇明，唐 盼,等．35 kV线路带电作业安全距离计算与放电特性分析[J].电力科学与技术学报，2014，29(2):71-75.

[3] 任东宇，彭春荣，夏善红．基于LabVIEW和MEMS敏感结构的工频电场无线检测系统[J]．仪表技术与传感器，2014(1):53-56.

[4] 王 宇，方东明，陈 博，等．基于旋转谐振结构的单芯片二维电场传感器[J]．传感器与微系统，2016，35(2):1-3.

[5] 汪金刚，林 伟，李 健，等．电容式交变电场传感器与工频电场检测试验研究[J]．传感器与微系统，2010，29(9):21-23.

[6] 赵 勇．光纤传感原理与应用技术[M]．北京:清华大学出版社，2007.

[7] OKABES,KUMADAA.Measurement Methods of Accumulated Electric Chargeson Spacerin GasInsulated Switchgear[J].IEEE Transactionson Power Delivery,2007,22(3):1547-1556.