電壓指示型感應高壓驗電器研究及實現方案

吳小剛

（上海鐵路局杭州供電段，浙江杭州，310009）

?

電壓指示型感應高壓驗電器研究及實現方案

吳小剛

（上海鐵路局杭州供電段，浙江杭州，310009）

摘要：在現有高壓驗電器的設備上，增加電壓指示功能，并能在標準的檢測環境下及現場環境下校準，用于檢測各種工況帶電設備的電壓值及停電線路的感應電壓值；同時進行現場數據采集，進行分析，明確驗電地理位置，確定合理的驗電器起動電壓值。為了保障我國電氣化鐵路安全運行，本文對電壓指示型感應高壓驗電器的使用、管理及安全措施等提出了合理的建議，對實際工作具有指導意義。

關鍵詞：驗電器；感應電壓；電壓指示型

引言

目前，我國電氣化鐵路發展迅猛，雙線電氣化鐵路的接觸網檢修、應急處置作業大多采用“V”型天窗形式進行。由于接觸網與鐵路設均為平行架設，既有為信號電源供電的10kV貫通、自閉線（大多與接觸網平行架設）；同時還有與電力線交叉跨越的情況。10kV貫通、自閉線或接觸網一旦停電后，其感應電壓十分復雜，有的停電線路上的感應電壓可達到幾千伏，最高時電壓可達上萬伏（如在地區樞紐、動車所、線路跨越處感應電壓較高），也有因接觸網的結構復雜，在帶電設備的某部位測試驗電器不報警[1]。如何正確識別停電和帶電線路，對確保電力和接觸網檢修作業人員的人身安全和可靠供電非常迫切。本文對感應高壓驗電器研究及實現方案，對實際工作很有指導意義。

1　感應電壓測試設備研究背景

鐵路接觸網和電力現使用的均為電容型驗電器，其工作原理圖1，等同于場強計，是檢測流過驗電器對地雜散電容中的電流來判斷電壓是否存在的裝置，在驗電點的場強達到驗電器的報警門坎時驗電器會發出聲光報警，因接觸網的電場結構復雜，處在等電位場強處的驗電器所檢測到的場強壓差較小就不會發出聲光報警。電容型驗電器驗電結果存在不確定性，通常包括兩個方面：一是在已知停電線路上驗電，因感應電壓較高，出現驗電器誤報警；二是在已知帶電設備的不同部件上驗電，出現有的位置不報警，驗電器無法正確指示。這就給現場檢修及應急處置工作帶來了較大的困惑，嚴重危及人身和供電安全[2-3]。

圖1　電容型驗電器原理

從圖1分析，絕緣操作桿及操作人員身體均屬于空間雜散電容的范疇，交變回路中電容的電流：I＝2πfCU，式中：C為空間雜散電容，U為指示器所跨越的等電位線的電壓差。

驗電器指示器內部的工作電流及原理如圖2。

圖2　驗電器內工作電流示意圖

a)指示器內部的工作電流的大小取決于U的大小，Z的大小（通過調整Z1——Z5的大小來實現驗電器起動電壓的設定），Vcc為電池電壓。

b）U的大小取決于流過驗電器對地雜散電容中的電流的大小（因為驗電器指示器內部接觸電極與電池負極的阻抗已確定），其主要受以下因素影響：

（1）驗電點環境的場強（影響因素有高壓設備的電壓，設備驗電點距接地體的距離）；

（2）驗電器指示器所在位置的場強分布（即指示器所在位置等電位線的疏密情況，如接觸高壓設備的尖端，此時指示器所在位置的等電位線較密集，所以指示器所跨越的等電位線較多，電壓差U較大，驗電器內部感應的電壓U較高，易報警；接觸高壓設備的拐角凹處（如接觸網定位器），此時指示器所在位置的等電位線較疏松，指示器所跨越的等電位線較少，電壓差U較小，驗電器內部感應的電壓U較低，不易報警；

（3）空間雜散電容C＝ωS/4πkd（影響因素有氣候環境、驗電器的絕緣介質，驗電器指示器內部電源距帶電設備的距離d）；

（4）頻率f。直流頻率為0就沒有電流了，不報警，高頻的頻率高，電流也大，易報警。

綜上所述，現有的電容型驗電器在鐵路電氣化線路上的使用存在很大的局限性，有必要專門研發一種帶電壓指示功能的高壓驗電器，使之滿足標準要求的起動電壓范圍，并能在標準環境及現場環境情況下進行校準指示電壓，進而規范驗電位置，確保現場檢修安全。

2　總體設計要求及技術指標

2.1總體設計要求

在現有電容型驗電器上需增設電壓指示功能，驗電器和電壓指示共用檢測回路，電壓指示部分能夠在規定的檢測起動電壓標準環境下校準并指示電壓，能夠依據現場環境情況進行校準并指示電壓，兩種校準環境指示電壓狀態可切換，且互不影響，互為驗證。

2.2主要技術指標

電壓指示型高壓驗電器應符合DL740《電容型驗電器》、鐵運[2007]69號《接觸網安全工作規程》、鐵運[1999]101號《牽引變電所安全工作規程》標準；具有標態/現態校準后電壓指示功能，明確指示電壓；具有在標準環境下校準并指示電壓功能；具有在現場環境下校準并指示線路電壓功能；以上兩種校準狀態可以切換進行，顯示校準后電壓指示偏差不大于額定電壓的10％；具有電壓顯示最大值保持功能、電壓顯示跟隨和清零功能；伸縮式操作桿，長度可選；具有語音報電壓功能；主從機結構，主機（檢測、顯示、報警）安裝在伸縮式操作桿頭部，從機（顯示、報警、語音）安裝在操作桿手柄上方，主從機采用無線方式通訊。

3　主要技術難點及解決方法

3.1研究制定檢測回路

研制驗電器及電壓指示器共同檢測回路。一般的電壓采樣回路采用的是電阻分壓的原理，而全回路自檢的驗電器是通過檢測采樣回路的電流來判斷現場設備是否帶電，為此在驗電器的采樣回路上利用隔離運放直接采樣的電流轉化為電壓進行指示，從原理上保證驗電及電壓指示效果上的嚴格一致。如在可調壓設備上驗電，逐漸升高設備電壓，當驗電器剛剛發出聲光報警時，此時電壓指示型驗電器指示的電壓值即為電壓指示型驗電器在此驗電環境下的啟動電壓值。

3.2設置低通電路

為防止驗電接觸帶電設備時拉弧過程中的高頻信號對電壓采樣造成影響，需設計低通電路，截止頻率為100HZ，防止拉弧時的高頻信號串入電壓采樣回路。

3.3提高抗電火花性能

由于內部主芯片采用微處理器，相對集成電路的驗電器其抗電火花的能力要偏弱些，需采用一系列的措施如：增加TVS瞬變抑制高效能保護器件，免受各種浪涌脈沖的損壞、采用大面積屏蔽、軟件看門狗，以確保抗電火花試驗通過。

3.4正確判斷感應電壓

當停電設備的感應電壓達到足以使驗電器發出聲光報警時，驗電器就會指示設備帶電。而此時設備是否真正帶電呢？這確實是一個難題。除了進行現場的一些間接判斷方法外，用電壓指示型驗電器可以為此種情況提供又一判據。即按照如下的操作方法：

a）用電壓指示型驗電器在已知的帶電設備驗電點上進行現場環境電壓校準；

b）驗電前在已知電源的驗電點上或驗電器用高壓發生器對電壓指示型驗電器的有效性進行驗證，判定其驗電功能及電壓指示功能正常；

c）對需驗電設備的驗電點進行驗電，根據其是否發出聲光報警及指示的電壓值進行判斷。若已發出聲光報警但指示的電壓不在額定電壓的范圍則可以認為其帶有較高的感應電壓。其中額定電壓范圍的認定是關鍵，需要根據實際情況進行確認。

4　方案和技術實現

4.1系統組成及工作原理

通過對上述技術難點及解決方法的攻關，由主機、伸縮式絕緣操作桿、電壓指示型驗電器、從機組成電壓指示型高壓驗電器，如圖3所示。主機安裝在伸縮式絕緣操作桿頭部，從機安裝在伸縮式絕緣操作桿手柄上部。主機通過檢測流過驗電器對地雜散電容中的電流來指示電壓是否存在并顯示所帶電壓值。

主機與從機采用無線通訊的方式實現數據通信及狀態切換。

圖3

4.2技術性能

符合D L 7 4 0《電容型驗電器》、鐵運[2007]69號《接觸網安全工作規程》、鐵運[1999]101號《牽引變電所安全工作規程》標準。校準后電壓指示偏差不大于額定電壓的10％。伸縮式操作桿，桿長度可選，具有標態/現態校準后電壓指示功能，明確指示線路電壓，具有在標準環境（標準中規定的起動電壓檢測環境）下校準并指示電壓功能，具有在現場環境下校準并指示線路電壓功能，以上兩種校準狀態可以切換進行顯示，具有電壓顯示最大值保持功能、電壓顯示跟隨功能；電壓顯示清零功能；主從機結構，主機（檢測、顯示、報警）安裝在伸縮式操作桿頭部，從機（顯示、報警、語音）安裝在操作桿手柄上方，主從機采用無線方式通訊，從機接收主機發送的狀態及電壓信息進行狀態及電壓值顯示，并可切換主機工作狀態；從機具有語音報電壓功能。

4.3可靠性分析

可直接作電容型驗電器使用，由于增加了電壓指示功能，而電壓指示與驗電器共用一個采樣回路，所以電壓指示的結果同時也反映了驗電的情況。電壓指示型驗電器自身帶有自檢功能，可以檢測內部所有電路及電池電壓。電壓指示型驗電器與電容型驗電器的預防性試驗周期相同。采用此設備可以檢測已知帶電設備不同位置電壓采樣值并與標準起動電壓檢測環境的電壓值進行對比，可以明確電容型驗電器禁止驗電的區域或部件。采用此技術的驗電器可以檢測各工況下停電設備的感應電壓，也可測出不同帶電部位的場強壓差，從而為判斷現場設備是否帶電提供更多判據。

4.4現場檢測與分析

感應電壓能量有大有小，不同的檢測設備檢測的感應電壓值也不相同，在有感應電壓的情況下，驗電器是否會報警、感應電壓是多少只有用帶電壓指示功能的驗電器檢測才行。初期研發完成的電壓指示型高壓驗電器進行了現場檢測，先后在京滬線昆山至陸家浜火車站變臺桿、10kV貫通線路、蘇州西至外跨塘10kV自閉線路、京滬線接觸網、滬寧高鐵虹封聯絡線接觸網、蘇西牽引所主變壓器、饋出線、隔離開關和上海虹橋鐵路樞紐等進行了檢測，并在驗電器起動電壓試驗的標準環境下校準后對不同工況下停電設備、帶電設備，所帶電壓進行了檢測，得到了許多的試驗數據，通過對現場數據的匯總，總結分析如下：

（1）驗電器及電壓指示型驗電器相當于一個場強計，由于驗電點所處環境的電場強度及梯度差不同會造成電壓指示結果不同。如存在等電位的場所并在等電位的場所中驗電，電壓指示值偏小；在距另一相或地構件較近的點驗電，電壓指示偏高；

（2）在相同的驗電環境下驗電，電壓指示基本相同，僅受氣候環境的影響；

（3）在接觸網上距帶電體很近的接地構件上驗電，因其電場存在，驗電器有可能指示有電，所以驗接地構件時，應遠離帶電體；

（4）在距復雜構件一定距離的環境下驗電，因其環境較單一，電場梯度基本相同,其結果一致性較好；

（5）在尚未明確規定驗電位置的情況下，接觸網使用的驗電器其起動電壓應不超過額定電壓的25％。即（27.5×O.25）6875V（牽引變電所安全規程的要求），且一定要避免在有等電位場的區域驗電；

（6）在實施V型天窗接觸網停電驗電時，不能在接觸網定位管、凹處和復雜的構架上驗電，一定要避免在有等電位場的區域驗電；

（7）驗電器起動電壓越小越靈敏，但接觸網使用的驗電器其起動電壓不可設的過低，至少應超過4500V，以減小誤報警的機率；根據經驗個別感應電壓較高的場所，驗電器起動電壓可設在6000～6875V之間，已基本能解決接觸網感應電誤報警的問題，最好此驗電器專用；

（8）在10kV的電線路上驗電時，驗電點不應選在有電纜引下線的拐角區域等等電位場所。而應選在變壓器樁頭、接地環等周圍近處無帶電設備的場所；10kV驗電器的起動電壓不應超過額定電壓的30％；

（9）停電設備因感應電使驗電器發出報警時，可使用電壓指示功能判斷設備是否帶電，并判斷停電前后兩者指示值的差別，至少相差30％，才可認為停電。

（10）現場指示的數據是同標準環境下的電壓值進行對比，所以要求在用的驗電器也應在標準環境下檢測起動電壓，使用單位應配置驗電器標準環境的監測裝置。

（11）使用電壓指示型驗電器，在使用前應使用工頻高壓發生器對驗電器進行有效性驗證，確保作業所帶驗電器完好。

5　結束語

電壓指示型高壓驗電器在原有驗電器的基礎上增加了電壓指示功能，且電壓指示與驗電共用檢測回路，電壓指示為驗電情況提供了更直觀的顯示，加上語音提示電壓、實用性更強、更安全可靠。能在標準的檢測環境下及現場環境下校準，用于檢測各種工況帶電設備的電壓值及停電線路的感應電壓值，通過在現場不同工況下進行測試并根據原理進行分析，明確了接觸網驗電位置及注意事項并確定了合理的驗電器起動電壓值。通過以上驗電管理措施的實施，大大提高了驗電結果的正確性，確保了作業人員及供電安全。

參考文獻

[1]許學文,覃家露,馮家威.10kV驗電器“聲光”功能失效的探究與原因分析 《通訊世界》,2015(24).

[2]李禾,鄧志祥,王闖,衛昕卓,彭宗仁.電容型驗電器驗電盲區問題的研究 《 低壓電器》 2014,15.

[3]馬雷,白家琨.27.5kV電容型高壓驗電器驗電死區問題的探討《電氣化鐵道》,2013(4):14-15.

吳小剛(1957-7)，本科，工程師。研究方向：電力運行檢修技術。

E-mail:13906514736@163.com

Voltage Indicator Research and Scheme of Induction Type High Voltage Electroscope

Xiaogang Wu
(Hangzhou Power Supply Section of Shanghai Railway Section,Zhejiang,Hangzhou,310009,China)

Abstract:In the existing high voltage electroscope equipment,application technology can increase the voltage indication function,and can calibrate in the standard testing environment and field environment for detection of various conditions.Charged device voltage and power line induced voltage value;technology acquisition scene of visual data analysis is carried out at the same time,clear electrical inspection location determined reasonable electroscope starting voltage value.In order to ensure the safe operation of electrified railways,this paper provides a voltage instructions electroscope type of use,management and safety measures is put forward.It is reasonable,has great guiding significance to the practical work.

Key words:Electroscope;Induction voltage;Voltage type

作者簡介：

DOI:工業技術創新 URL:http//www.china-iti.com10.14103/j.issn.2095-8412.2016.01.004

中圖分類號：TH2

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8412(2016)01-644-05