一種基于場(chǎng)強(qiáng)分布的新型非接觸式高壓驗(yàn)電器的研究

胡 爽 景盼盼 徐欣然 徐懂理 于文博 韓 璐 江 健

（南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇南京211100）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的日益提高，人們的用電量急劇增加，電壓等級(jí)也隨之增大，在供電系統(tǒng)內(nèi)部，出現(xiàn)了多起工作人員高壓帶電操作造成人身傷亡的事故，因此，準(zhǔn)確地計(jì)算線路附近的電場(chǎng)強(qiáng)度并設(shè)計(jì)出測(cè)量工頻電場(chǎng)的裝置，能夠大大減少以上事故的發(fā)生。驗(yàn)電器通過(guò)電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電設(shè)備或者輸電線路的檢測(cè)，在電力系統(tǒng)的安全操作中起著至關(guān)重要的作用。

本文所描述的是一種突破傳統(tǒng)觀念基于高壓線路空間電場(chǎng)分布的新型驗(yàn)電器，通過(guò)電場(chǎng)的大小來(lái)明確高壓線路是否帶電，作業(yè)機(jī)械是否進(jìn)入到高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)、是否接近線路的最小安全距離，使用起來(lái)方便安全，從而減少了電力事故的發(fā)生，提高了工作效率，有利于高壓網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，在電力系統(tǒng)運(yùn)行操作過(guò)程中具有建設(shè)性的意義。在輸電線路附近分布著的磁場(chǎng)和電場(chǎng)，有著“近場(chǎng)區(qū)”的特征，具有似穩(wěn)場(chǎng)、準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)、感應(yīng)場(chǎng)的特點(diǎn)，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、線性媒質(zhì)、正弦激勵(lì)的條件下，列寫(xiě)以下麥克斯韋方程組：

電力線路附近電場(chǎng)強(qiáng)度水平和垂直分量的近似計(jì)算公式為：

式中，y為電力線對(duì)地投影到觀測(cè)點(diǎn)的距離；I為電力線中的交變電流大??；h為電力線平均架設(shè)高度；z為觀測(cè)點(diǎn)高度；σ為大地的視在電導(dǎo)率；μ0=4π×10-7H/m；ω為角頻率；γ1為大地傳播常數(shù)；u為特征參數(shù)；J0（）為第1類(lèi)0階貝塞爾函數(shù)。

1 實(shí)現(xiàn)方法及思路

電場(chǎng)傳感器通過(guò)測(cè)量高壓輸電線路周?chē)慕蛔冸妶?chǎng)強(qiáng)度，將傳感器采集到的交變電場(chǎng)強(qiáng)度以交流信號(hào)形式輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電設(shè)備或者輸電線路的檢測(cè)。檢測(cè)元件選用薄銅片，與電力線經(jīng)線方向一致，置于變化速度緩慢的工頻電場(chǎng)中，由于靜電平衡，它將分別在近電力線和遠(yuǎn)電力線的兩側(cè)感應(yīng)出受電場(chǎng)影響分布變化的正負(fù)電荷，電荷數(shù)量隨時(shí)間進(jìn)行工頻變化，電荷密度分別為σ（t）與-σ（t），由于電荷左右移動(dòng)，銅片感應(yīng)出交變電流。其中：

因此產(chǎn)生的感生電流為：

電流的變化體現(xiàn)了電場(chǎng)強(qiáng)度的變化，將此感生電流進(jìn)行拾取和處理，即可計(jì)算出檢測(cè)元件位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度，近而得出檢測(cè)點(diǎn)與電力線的距離。該項(xiàng)目通過(guò)加裝近電報(bào)警設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在其使用過(guò)程中保持對(duì)高壓帶電物體的安全距離。

2 驗(yàn)電器的設(shè)計(jì)

本裝置由電場(chǎng)傳感器、信號(hào)處理電路、溫濕度檢測(cè)、顯示單元、聲光警示、按鍵控制、硬件復(fù)位等部分組成，系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 驗(yàn)電器的基本結(jié)構(gòu)

高壓線附近的電場(chǎng)信號(hào)由傳感器讀取，經(jīng)信號(hào)處理電路送入施密特觸發(fā)器，觸發(fā)器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行判斷，發(fā)出有電、無(wú)電兩種信號(hào)，最后有無(wú)電信號(hào)的結(jié)論通過(guò)顯示單元在驗(yàn)電器上顯示出來(lái)。環(huán)境中的溫濕度變化會(huì)影響電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果，因此，通過(guò)溫濕度檢測(cè)模塊來(lái)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度和濕度，進(jìn)一步修正電場(chǎng)強(qiáng)度的分析結(jié)果。

主要電路如下：

2.1 電場(chǎng)傳感器

驗(yàn)電器用于高壓設(shè)備的測(cè)量，很容易受到雷擊，為了防止雷擊事故的發(fā)生，加上壓敏電阻作為傳感器的保護(hù)。壓敏電阻的特性就是其擁有一個(gè)閥值電壓，在正常的情況下，若它兩端的電壓小于閥值電壓時(shí)，壓敏電阻相當(dāng)于開(kāi)路，但是若有雷擊或者是放電時(shí)，其兩端的電阻就會(huì)變小，這樣就可以抑制電路中過(guò)大的電壓，保護(hù)后面的元件。同時(shí)，在兩個(gè)壓敏電阻之間加上了共模電感起到濾除信號(hào)線上的共模信號(hào)的作用。其基本形狀如圖2所示。

圖2 傳感器的基本形狀

2.2 倍壓整流電路

倍壓整流電路由多個(gè)二極管和電容組成，接收傳感器交流信號(hào)并轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，傳給后續(xù)電路進(jìn)行進(jìn)一步的處理。如圖3所示。

圖3 倍壓整流電路

2.3 差分放大電路

輸電線路的發(fā)射能力十分低下，所以由檢測(cè)元件感應(yīng)出的電壓以及電流信號(hào)非常微小，根據(jù)運(yùn)算放大器的虛短與虛段原理，可以通過(guò)選取不同電阻的阻值，設(shè)計(jì)合理的放大倍數(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行高倍率放大，如圖4所示。

圖4 差分放大電路

2.4 施密特觸發(fā)電路

施密特觸發(fā)器可以對(duì)信號(hào)中的波形起到變換和整流的作用，將緩慢變化的三角波或正弦波等信號(hào)變?yōu)榫匦尾ǎ锤叩碗娖剑┹敵?，使得?yàn)電器電路更為穩(wěn)定，如圖5所示。

圖5 施密特觸發(fā)電路

3 測(cè)試與應(yīng)用

（1）在驗(yàn)電器使用前首先應(yīng)檢查其外觀是否良好，有無(wú)裂紋，保證其外觀完好，確保安全。

（2）其次，在真正投入使用之前應(yīng)在家庭用電如白熾燈附近做實(shí)驗(yàn)，保證其具備驗(yàn)電的功能后到變電所或其他專(zhuān)業(yè)場(chǎng)所進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。

（3）應(yīng)選擇與所測(cè)高壓電電壓等級(jí)相一致的驗(yàn)電器，以滿足絕緣要求。使用時(shí)工作人員應(yīng)戴絕緣手套，禁止在雨雪等影響絕緣性能的環(huán)境下使用。

（4）驗(yàn)電時(shí)，應(yīng)從遠(yuǎn)到近逐步靠近高壓設(shè)備或帶電線路。

（5）驗(yàn)電器測(cè)量使用完畢后，應(yīng)緩慢拿下，防止誤碰到高壓設(shè)備或帶電線路。

（6）在保管和運(yùn)輸中，避免讓驗(yàn)電器強(qiáng)烈振動(dòng)或者受到猛烈撞擊，一旦調(diào)試完畢，禁止擅自調(diào)整拆裝。

4 結(jié)語(yǔ)

非接觸式高壓驗(yàn)電器對(duì)于保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重大的意義，本文結(jié)合驗(yàn)電的工作原理對(duì)非接觸式高壓驗(yàn)電器進(jìn)行了研究與改進(jìn)，借助于天線理論的發(fā)射與接收原理，給出了電力線附近工頻電場(chǎng)的“似穩(wěn)場(chǎng)”“準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)”“感應(yīng)場(chǎng)”的等效處理，通過(guò)輸電線路麥克斯韋電磁場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)模型計(jì)算，給出電場(chǎng)強(qiáng)度的理論計(jì)算方法和計(jì)算公式。根據(jù)工頻電場(chǎng)的感應(yīng)測(cè)量的原理、導(dǎo)體的靜電平衡現(xiàn)象和測(cè)量元件的設(shè)計(jì)，完成了工頻電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量。該方法和設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)精度較高，使它的可靠性、穩(wěn)定性得到了較大提升，便于變電檢修工作實(shí)際應(yīng)用。

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