可穿戴式電場傳感器測量原理研究

國網(wǎng)安徽省電力有限公司 劉大平 姚蘭波 張永奈 國網(wǎng)安徽送變電工程有限公司 劉秀敏 王 超

1 引言

觸電是威脅電力運維人員人身安全的重要隱患，主要為間接觸電與直接觸電。針對直接觸電事故，可以以強化操作規(guī)范與安全管理來預(yù)防。但是針對間接觸電的規(guī)范，則需要與帶電體之間維持相應(yīng)的安全距離。然而電力運維人員勢必會在工作中近距離接觸高壓設(shè)備，導(dǎo)致長期處在相對危險的環(huán)境之中。

2 可穿戴式電場傳感器測量原理理論

2.1 雙球殼型傳感器的提出

可穿戴式安全警示儀的關(guān)鍵點在于，可以設(shè)計出一款適宜應(yīng)用在可穿戴式電場測量的電場傳感器，該電場傳感器要達到以下幾項標準：一是傳感器要兼具體積小、質(zhì)量輕、方便攜帶等特點；二是傳感器適宜應(yīng)用在測量多電氣設(shè)備所出現(xiàn)的繁雜化電場環(huán)境；三是在人體移動或者是有小幅度肢體工作時，傳感器輸要維持穩(wěn)定化[1]。

雙球殼型電場傳感器主要以涵蓋內(nèi)、外球殼和填充介質(zhì)。A、B為兩個半金屬球殼，半徑均在r1，C是完整金屬球殼，半徑在r2，D屬于填充介質(zhì)。那么在進行制作的過程之中，要預(yù)先將內(nèi)球殼C放置到兩個半金屬球殼A與B之間，然后添加環(huán)氧樹脂將兩個半球殼壓在一起便可以形成一個完整的球殼，那么為了確保A、B可以形成一個完整的外球殼，便運用導(dǎo)電銀漆針對所銜接的縫隙實施密封。內(nèi)外球殼的厚度在0.5mm。傳感器的輸出信號屬于內(nèi)外球殼電勢差UAB，為了降低空間電場針對輸出信號方面的影響，運用屏蔽線來提取所輸出的信號，并通過屏蔽線的屏蔽層和后續(xù)處理電路來進行共地處理。傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 雙球殼型傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 傳感器等效電路分析

空間電場會在傳感器內(nèi)外極板之上出現(xiàn)電勢差，那么在測量該電勢差的時候便可以計算出空間電場的強度。事實上，受傳感器所固有的電容和引出線因素的影響，無法直接性的將傳感器所輸出的電壓測量出來，因此要計算分析傳感器的參數(shù)。傳感器探頭主要涵蓋傳感器與引出線。

3 帶電作業(yè)人員造成電場畸變因素分析

和之前相對傳統(tǒng)的電場測量儀對比之下，可穿戴式電場測量系統(tǒng)預(yù)先通過工作人員佩戴之后再予以測量。處在電場之中的帶電工作人員，會改善電場的原先分布。其主要因素有以下幾點：一是人體在靜電場之中可以當做導(dǎo)體，從理論層面之上來分析電場線處在和人體表面展現(xiàn)出垂直角度，且人體內(nèi)部電場強度是零。然而引發(fā)人體電場畸變的主要因素為各部位的曲率不一，曲率過小的部位便會聚集大量電荷，導(dǎo)致空間電場發(fā)生畸變的情況。研究發(fā)現(xiàn)，不同人體所引發(fā)電場畸變的部位不一，唯有電場畸變的大小會因人而異[2]。

二是安全帽是絕緣體，電場線在碰到高阻抗土體的時候就會出現(xiàn)“排斥”電場的情況，這對于原先電場出現(xiàn)下降而使得電場發(fā)生畸變，那么要以軟件補償?shù)姆绞絹斫鉀Q畸變。

三是在電力作業(yè)的時候，人體的高度、體寬所造成電場畸變不一，身高對豎直方向的電場會出現(xiàn)畸變，體寬則會對水平方向的電場出現(xiàn)畸變。

四是電場傳感器的邊緣效應(yīng)會導(dǎo)致測量信號出現(xiàn)畸變，使得傳感單元檢測的建廠數(shù)據(jù)不精準，因此要以硬件處理的方式在確保感應(yīng)電荷量充裕的基礎(chǔ)上來弱化邊緣效應(yīng)。

4 可穿戴智能預(yù)警頭盔的設(shè)計分析

4.1 非正交內(nèi)襯的設(shè)計分析

為了達到預(yù)警裝置的方便快捷性，在通過全方位分析之后，作業(yè)人員的頭部在強電場的時候容易發(fā)生麻痹的現(xiàn)象，在接近帶電體的時候，諸多工況之下，頭部相對其他身體部位離帶電體更接近，所以要將預(yù)警裝置鑲嵌到作業(yè)人員智能預(yù)警頭盔的內(nèi)部[3]。通過預(yù)警裝置嵌入到安全頭盔內(nèi)部，首先設(shè)計一個內(nèi)襯來裝設(shè)預(yù)警設(shè)備，隨即再將其嵌入到安全頭盔之中，結(jié)合安全頭盔的具體形態(tài)，內(nèi)襯的設(shè)計模型如圖2所示。

圖2 內(nèi)襯模型

內(nèi)襯模型在設(shè)計中涵蓋主控板座、電池座、線槽、傳感器槽1、下載端子槽、傳感器槽2、傳感器槽3。安全頭盔內(nèi)襯中，主控板座主要運用在安裝主控板之上，電池座運用在安裝電池，線槽運用在連接排線的布置，傳感器槽1、傳感器槽2、傳感器槽3則分別是運用在安裝傳感器1、傳感器2、傳感器3。為了將各模塊安裝在內(nèi)襯之上，并且為減少輸電環(huán)境下電磁場感染到主控板，由此在處理數(shù)據(jù)的時候而引發(fā)相對較大的誤差、元器件工作不穩(wěn)定等情況，在主控板上部添加一個屏蔽罩，便可較好預(yù)防上述問題[4]。

連接排線主要是將傳感器1、傳感器2、傳感器3、下載端子分別和主控板進行連接，電池以兩級導(dǎo)線和主控板來進行連接，其主要功能表現(xiàn)在可以為主控板提供充裕的電能，傳感器1、傳感器2、傳感器3實則就是用來采各放線的電場值。下載端子主要是針對電池實施充電，且更新主控板的程序，在下載端子之上還會有一個開關(guān)，以開關(guān)來控制主控板、傳感器1、傳感器2、傳感器3等模塊的工作狀態(tài)。主控板實則是以連接線接收傳感器1、傳感器2、傳感器3所采集到的電場值，以主控板內(nèi)部的MCU處理器來分析處理所采集到的數(shù)據(jù)。

結(jié)合二維旋轉(zhuǎn)坐標系，來提出單位非正交分層的傳感器布局結(jié)構(gòu)，以上述3個傳感器空間部位來進行鏡像對稱布局，通過權(quán)重自適應(yīng)的電場強度合成技術(shù)，達到電場增強方向的快速檢測，降低運動過程中電場畸變對于測量結(jié)果的影響情況。具體見圖3所示。

圖3 三維非正交分層的傳感器布局結(jié)構(gòu)

4.2 多矢量傳感器的融合分析

為降低電力作業(yè)工況之下電場強度所出現(xiàn)的測量誤差、降低測量過程中由于未知干擾源所引發(fā)的單個傳感器測量的電場值所引發(fā)的畸變，由此來進一步提升電場強度測量的安全可靠性，本文對傳感器非正交、分層、多維的布局構(gòu)建全面化的電廠融合模型。

4.3 測量系統(tǒng)總體設(shè)計

智能預(yù)警頭盔的功能主要集中在檢測電力系統(tǒng)的空間電場，以檢測空間電場數(shù)據(jù)來聯(lián)合人體姿態(tài)等信息，來達到作業(yè)人員的驗電作用，為了達到精準化驗電階段實施電場畸變來避免和解決人體抖動出現(xiàn)的電場測量不精準的情況。在這之中，驗電傳感器的設(shè)計，其是運用造提取空間電場的信號，然而因檢測電場所出現(xiàn)的畸變，由此引發(fā)驗電時無法將安全預(yù)警作用優(yōu)勢發(fā)揮出來。

聯(lián)合智能作業(yè)、安全預(yù)警和可穿戴方式，在確保功能的基礎(chǔ)上考慮整個系統(tǒng)功耗、質(zhì)量與體積等問題。但是可穿戴式電場測量系統(tǒng)要依照作業(yè)規(guī)律來予以設(shè)計，不得新加入輔助設(shè)備而干擾到電力規(guī)范行為，另外要求系統(tǒng)的集成度要嚴格，不得分離設(shè)計、組裝。尤其針對電力方面的應(yīng)用，要針對系統(tǒng)的感染力、電磁兼容重復(fù)設(shè)計來達到強電磁場的環(huán)境[5]。

4.4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

因為電場采集端是一個電容傳感器，信號采集單元以微弱電流信號更換成電壓信號。設(shè)計信號處理電路的時候，通過濾波電路來控制環(huán)境之中的高頻分量。因為所輸入的信號是屬于十分微弱的交流小信號，所以在設(shè)計上要通過低噪運放實施前端設(shè)計，通過高信噪比的運放當作采集單元。

5 可穿戴式電場測量系統(tǒng)試驗

5.1 電場測量系統(tǒng)校正試驗

該電場測量系統(tǒng)可以通過空間的電場依照比例轉(zhuǎn)化成電壓來予以輸出，為了可以得到傳感器輸出電壓和空間電場之間比例的關(guān)系，要針對電場傳感器實施校正試驗來標定傳感器的重要技術(shù)指標。結(jié)合國家標準《GB/T12720-1991》來針對電場傳感器的標定要在一個充裕的已知強度的均勻電場之中來實施，針對平行板極電的尺寸來進行規(guī)范。為了降低傳感器對校準設(shè)備所產(chǎn)生的影響，平行板之間距離要比電場傳感器側(cè)面尺寸大1.5倍；為了從根本上加大校準設(shè)備中間均勻電場區(qū)域的范圍，探頭距離上級板或下極板的任何一個邊緣要比板間距大出2倍；為了降低外部設(shè)備對于校準設(shè)備的干擾度，平行板和地面、校準人員的間距要比板間距大出2倍，平行板的電壓指示器要放置在校準設(shè)備外側(cè)并具有屏蔽性。一旦通過上述標準來限制校準設(shè)備，校準電場的理論值和實際值之間的誤差要控制在0.5%以內(nèi)，這要比校準所需要的高度高很多。本研究傳感器的最大尺寸在25mm（外球殼直徑），結(jié)合上述標準來進行計算，假使是正方形極板，那么理論層面上極板的邊長最小在175mm。

5.2 電場傳感器性能測試試驗

在實驗室環(huán)境之中構(gòu)建單相試驗平臺來針對電場測量系統(tǒng)的性能實施測試。試驗平臺的主體主要由導(dǎo)線、導(dǎo)線支架、單相變壓器與單相調(diào)壓器構(gòu)建而成。調(diào)壓器輸入的電壓在220V交流電，輸出0～250V便可以調(diào)節(jié)交流電壓，容量10kVA；升壓變壓器變比為200∶1，容量10kVA。通過升壓變壓器施加導(dǎo)線之上的電壓是0～50kV來調(diào)節(jié)交流電壓。

導(dǎo)線在空間之中會出現(xiàn)電場，（a）、（b）分別是通過EFA-300與自制可穿戴式電場測量系統(tǒng)來實施電場測量。EFA-300是一款由德國Narda公司所生產(chǎn)的適宜應(yīng)用在工作環(huán)境與公共環(huán)境的電磁場測量儀，電場測量范圍在0.1～200kV/m，測量寬帶在5～1kHz。因此，本文認為EFA-300的測量結(jié)果是空間原電場值，主要是用來自制可穿戴式電場測量系統(tǒng)的性能實施測試。

5.3 三相輸電線試驗

在單相輸電線路來模擬平臺主要是為了以試驗驗證該測量系統(tǒng)在可穿戴式電場測量之中的測量成效，隨即構(gòu)建三相試驗平臺。該試驗平臺的主體是通過示波器、高壓探頭、支架、三相線路、三相升壓變壓器以及三相調(diào)壓器組建而成。

一是三相調(diào)壓器，輸入的是380V三相電壓，輸出的是0～400V三相電壓。二是三相升壓變壓器變比在1∶50，所以在三相線路上來施加線電壓，并將其控制在0～20kV。三是三相線路由三根銅棒組建而成，通過木制支架來予以支撐。四是高壓探頭，為了預(yù)防調(diào)壓器的示數(shù)誤差，所以要應(yīng)用高壓探頭來直接性的監(jiān)測電壓，高壓探頭變比在1000∶1。五是示波器，主要是用來檢測高壓探頭輸出電壓。六是木制支架分成兩檔，可以將線路的高度設(shè)置在2m或是2.5m，所以結(jié)合不同的具體情況，來設(shè)置三相輸電線路水平排列、正三角排列或者是倒三角排列。七是EFA-300電場測量探頭。八是EFA-300電場測量操作儀所應(yīng)用光纖和探頭來傳輸數(shù)據(jù)。

測量儀精準化驗證為了具體研究并評估人體對于穿戴式電場測量系統(tǒng)方面的影響，來選擇距離輸電線路中部水平距離2.5m的一點來當做測量點，運用EFA-300與可穿戴式電場測量系統(tǒng)來分別針對電場實施測量。

在三相繁雜的電場環(huán)境之中，自制電場測量系統(tǒng)與商用電場測量儀測量結(jié)果基本一致，意味著自制測量系統(tǒng)的測量精準性相對較高。

5.4 穿戴式測量試驗

選擇輸電線路中部水平間距2.5m的一點來當做測量點，來分別運用EFA-300與可穿戴式電場測量系統(tǒng)實施穿戴式試驗。

在進行穿戴式測量過程之中，EFA-300的示數(shù)也會變得愈發(fā)不穩(wěn)定，難以實施精準化測量。但是自制測量系統(tǒng)的測量結(jié)果相對穩(wěn)定，和空間原電場值展現(xiàn)出正比的關(guān)系，原因是以軟件設(shè)計來校正測量結(jié)果。

6 結(jié)語

目前，針對電力系統(tǒng)工作人員實施安全預(yù)警所引發(fā)的問題，本文所提出建立在可穿戴式電場測量的安全預(yù)警裝置，由此來設(shè)計出一款可以適宜應(yīng)用在可穿戴式電場測量的新型結(jié)構(gòu)的傳感器，以仿真和試驗研究出可穿戴式電場測量之中人體針對電場的影響，并一一驗證可穿戴式電廠測量系統(tǒng)的精準性，以此來更好的為電力系統(tǒng)工作人員的安全防護問題提供新型安全解決方案。