電箱內(nèi)漏電檢測盒的研制

麥子穎 陳 爍 胡曉婧 涂傳英 程 順

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

目前，配網(wǎng)電表箱在安全方面存在一定的隱患，電表箱裝設(shè)于戶外、電桿、臺變和電房旁等處，所處位置環(huán)境較為復(fù)雜，大部分都處于一個行人比較容易靠近的地方。除此之外，有時候電表需要人工到達(dá)現(xiàn)場，進(jìn)行抄表工作，或者是電表的消缺檢查作業(yè)，這樣作業(yè)人員就不可避免地需要觸碰、打開電表箱，如果電表箱漏電，毫不知情的路人或者是未按規(guī)程驗電后再作業(yè)的工作人員，就會面臨觸電受傷乃至身亡的風(fēng)險，但是目前針對電表箱箱體、柜門等可觸碰的地方卻可能僅有一個“止步，高壓危險”這種警示牌或者標(biāo)語，不足以讓行人、作業(yè)人員提高警惕，謹(jǐn)防漏電的危險。因此，設(shè)計一種裝設(shè)于電表箱內(nèi)部的漏電檢測盒，可以有效地檢測到電表箱箱體、外殼上的漏電壓大小是否已經(jīng)超過人體最大承受電壓，并及時地通過內(nèi)部的蜂鳴器發(fā)出告警的聲音，確保附近的人員能夠聽到告警聲，并迅速遠(yuǎn)離，及時向供電所作出反饋；而作業(yè)人員在做好相應(yīng)的防護(hù)措施前提下，才能靠近電表箱進(jìn)行作業(yè)，從而防止人員誤觸碰帶電設(shè)備[1]。

當(dāng)前，市面上還沒有應(yīng)用于金屬電表箱內(nèi)的漏電檢測裝置，僅有與之相關(guān)或類似的技術(shù)：如具備漏電保護(hù)開關(guān)的電能表，但是漏電保護(hù)開關(guān)不能對箱體、外殼進(jìn)行監(jiān)測、保護(hù)、告警；以及各個供電所里都會有配備蜂鳴式驗電棒，使用驗電棒接觸待測設(shè)備，確認(rèn)蜂鳴器是否告警，以此判斷被測設(shè)備是否帶電；但是對于在電表箱附近經(jīng)過的人員來說，并不可能隨時配有驗電棒，因此還是不能起到直接的警示作用。

1 漏電情況

如果火線和電器機(jī)殼出現(xiàn)連接/連通情況，就會導(dǎo)致其和大地之間存在一定電位差，導(dǎo)致漏電；另外帶電導(dǎo)體如果出現(xiàn)破損情況，就可能會和非帶電體接觸，從而產(chǎn)生漏電[2]。漏電作為電箱中的一種常見的事故，包括短路性漏電、電容性漏電、靜電性漏電以及電阻性漏電等[3]。首先因電箱內(nèi)部存在一些輻射以及摩擦，可能還會引發(fā)靜電性漏電，如果這一過程中不能實現(xiàn)放電而造成靜電電壓積累，長期作用下可能產(chǎn)生電火花從而傷害人體。采用如圖1 所示的模型分析另外3 種漏電情況。

圖1 漏電模型中的R1表征電箱箱殼兒和帶電體之間的電阻，R2表征電箱箱殼兒和大地之間的絕緣電阻，R3表征人體電阻。另外C1表示電箱箱殼和內(nèi)部帶電體之間的分布電容，C2為機(jī)殼與大地之間的分布電容。電箱內(nèi)常見的漏電類型包括電容型漏電、電阻型漏電以及短路型漏電等[4]。

圖1 漏電模型

2 漏電檢測流程分析

漏電檢測整體的實現(xiàn)流程如圖2 所示。在漏電檢測的探測端子設(shè)計中需要根據(jù)實際情況進(jìn)行，合理布置位置同時合理安排探測端子密度。在各個探測端子的協(xié)調(diào)配合下，實現(xiàn)電箱內(nèi)各點電位變化的檢測，每個探測點均需要采樣，同時這一過程需要按照一定頻率進(jìn)行，另外采集到的各種信息首先需要在信號調(diào)理電路中進(jìn)行處理，然后傳遞到AD 采樣輸入通道（微控制器）中。微控制器在得到相關(guān)的采集數(shù)據(jù)之后，需要進(jìn)一步科學(xué)處理，最終得到每個探測點的相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)一步分析，分析電位變化量的同時分析電位變化率，以這些參數(shù)來確定檢測位置和檢測區(qū)域的漏電情況。如果監(jiān)測分析得到的電位變化率呈現(xiàn)一致的特征，則判定電箱沒有出現(xiàn)漏電情況，剩余電流保護(hù)器不動作；同樣如果監(jiān)測分析得到的電位變化率不一致，則判定電箱區(qū)域漏電，然后進(jìn)行分析和定位具體漏電點，如果檢測到的具體漏電電流變化量達(dá)到相應(yīng)剩余電流保護(hù)器的動作閾值、需要進(jìn)行動作，則斷開相應(yīng)電路。

圖2 漏電檢測實現(xiàn)流程圖

3 應(yīng)用于電箱內(nèi)的漏電檢測盒的設(shè)計

3.1 設(shè)計原理分析

為了規(guī)避金屬電表箱在出現(xiàn)漏電情況后的風(fēng)險，在缺少告警的前提下，人員不小心直接觸碰到漏電的金屬電表箱；路人或者供電所人員不能及時發(fā)現(xiàn)漏電的情況，從而延誤消缺；防止出現(xiàn)行人意外接觸電表箱箱體而導(dǎo)致的人身傷亡事件、作業(yè)人員未驗電操作而引起的人身觸電事故的問題，應(yīng)用于金屬電表箱內(nèi)的漏電檢測盒應(yīng)運而生。

漏電檢測盒所設(shè)計的線路板電路圖，把漏電檢測盒安裝在電箱內(nèi)，2 條電源連接線和開關(guān)始終連接。當(dāng)想要測試電箱內(nèi)電壓時，將一條測試線與地線相連，另一條連接另一個測試點。如果電箱內(nèi)的電壓超過36 V 安全電壓線路板將會給一個信號到喇叭，喇叭報警，圖3 為漏電檢測盒模型圖。

電路原理：當(dāng)電箱內(nèi)漏電時，交變磁場通過檢測電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢，使導(dǎo)通的場效應(yīng)晶體管VT1 變?yōu)榻刂梗琕T2導(dǎo)通，發(fā)光二極管LED 點亮，蜂鳴器兩端產(chǎn)生壓差從而發(fā)出聲音；當(dāng)電箱內(nèi)沒有漏電時，電VT1 導(dǎo)通，使VT2 截止。

場效應(yīng)晶體管VT1，采用的是N 溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管3DJ6 型，晶體管VT2 用的是硅NPN 型低頻晶體管3DX201B，放大倍數(shù)大于100。發(fā)光二極管用平時透明、通電后發(fā)紅光的進(jìn)口管，電源用AC_DC 模塊電源，其擁有可以直接安裝于金屬電表箱內(nèi)，所占用空間小、集成度高且可靠的優(yōu)點。

圖3 漏電檢測盒模型圖

3.2 具體設(shè)計方案

3.2.1 電流測量單元設(shè)計

作為電箱中檢測裝置的從機(jī)部分，電流測量單元能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸電纜中的負(fù)荷電流和剩余電流的有效測量，同時在這一過程中能夠結(jié)合實際情況進(jìn)行手動切換。該文電箱內(nèi)的監(jiān)測裝置的設(shè)計采用鉗形表頭互感器（直徑6 cm，開口式），為保障準(zhǔn)確測量，在導(dǎo)磁片外圍設(shè)置必要的特殊合金屏蔽罩。合金屏蔽罩設(shè)置的主要目的是實現(xiàn)外界磁場干擾的屏蔽，最終保證監(jiān)測到相關(guān)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確性。如果傳輸電纜中存在剩余電流，則監(jiān)測互感器中中性線和相線的電流會存在差異，出現(xiàn)交變磁場，同時在二次線圈中出現(xiàn)感應(yīng)電動勢。然后進(jìn)行該輸出信號的采集，并進(jìn)行預(yù)處理，最終傳遞到MCU 中。

3.2.2 無線通信單元設(shè)計

無線通信單元作為整個設(shè)計中的主機(jī)，需要保證其能夠接收并發(fā)送超過30 m的從機(jī)數(shù)據(jù)信息以及執(zhí)行。因此，需要在從機(jī)和主機(jī)中分別設(shè)置相應(yīng)的外置天線，通信方式選用FSK 雙向半雙工方式，為了保證通信正常，選用433 MHz的通用頻率以及<10 dBm 的發(fā)射功率。數(shù)據(jù)傳送中采用IIC總線，如果高電平時鐘信號出現(xiàn)則說明數(shù)據(jù)穩(wěn)定；如果低電平時鐘信號出現(xiàn)時，會導(dǎo)致高低電平發(fā)生變化。為了保障電箱內(nèi)漏電監(jiān)測裝置科學(xué)地工作，無線通信單元設(shè)計中的主機(jī)采用MCUSTM32F103RCT6，另外的主機(jī)設(shè)計中采用STM32F103RCT6。

3.2.3 圖顯及操作單元設(shè)計

為了實現(xiàn)電箱內(nèi)漏電監(jiān)測裝置的可視化，該文采用LCD 液晶顯示屏顯示相關(guān)監(jiān)測分析信息，其尺寸根據(jù)從機(jī)和主機(jī)的不同進(jìn)行一定的區(qū)分，其中主機(jī)采用LCD 液晶屏，尺寸大約為10 cm；為了降低成本，從機(jī)采用OLCD 屏設(shè)計，并縮減其尺寸，大約為3.2 cm。主機(jī)中STM32F103RCT6 的鍵盤輸入采用20 個管腳，并且采用上拉輸入的方式進(jìn)行。另外，在這一過程中一共設(shè)置了50 mA～500 mA 共計6 檔剩余電流超限告警值，在實際現(xiàn)場漏電監(jiān)測中能夠根據(jù)實際情況結(jié)合按鍵進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定和更改，另外，在使用中還能夠結(jié)合配套的無線接收主機(jī)設(shè)定更改相關(guān)檔位。通過圖顯及操作單元能夠?qū)崿F(xiàn)超限漏電情況的24 h 連續(xù)監(jiān)測，包括漏電量以及超限漏電次數(shù)，甚至漏電地點等，針對超限漏電問題還能夠給出相應(yīng)的警告和預(yù)警信息指示。

3.2.4 供電單元設(shè)計

為了保證電箱內(nèi)漏電監(jiān)測裝置的實用性，該文設(shè)計中為其配備了可充電的高容量鋰電池，大大提高了其續(xù)航能力。并且在鋰電池的充電中選用TP4056 充電控制器，保證其4.2 V 的恒壓/恒流線性控制充電電壓，在外部電阻器的配合下實現(xiàn)充電電流的有效設(shè)置。在充電過程中如果浮充電壓后降至設(shè)定值的0.1 時，控制器會自動進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效停止檢測器充電。電壓在移除之后，集成電路經(jīng)過調(diào)節(jié)之后會進(jìn)入低電流狀態(tài)，保證<2 μA 的漏電流。同樣利用分壓電阻在進(jìn)行大電流充電過程中，能夠有效降低TP4056功耗，同樣在這一過程中通過科學(xué)合理的電路設(shè)置還能夠計算電池電壓如果電池電壓低于 3.4 V，MCU 將執(zhí)行關(guān)機(jī)操作，以免耗盡電池進(jìn)而影響使用壽命。

4 電表箱內(nèi)的漏電檢測盒應(yīng)用效果分析

4.1 應(yīng)用流程簡介

通過以上設(shè)計的漏電檢測盒經(jīng)過試驗后，當(dāng)測試線之間的電壓超過36 V 時，漏電檢測盒可靠告警，發(fā)出蜂鳴聲。在試驗合格后，將漏電檢測盒投入各試點中應(yīng)用。在電箱內(nèi)裝置漏電檢測盒，在保留智能電表的保護(hù)功能的同時，通過告警裝置，發(fā)出聲音提醒路人、作業(yè)人員此電箱有危險，需要遠(yuǎn)離，同時也方便群眾報障、檢修人員及時發(fā)現(xiàn)，并對其進(jìn)行消缺。安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，安裝固定時使用漏電檢測盒背面4 個角上的雙面膠進(jìn)行黏連，可以比較方便地固定在電箱內(nèi)部，不需要考慮在電箱上設(shè)置專門的位置放置，安裝兼容性較高。漏電檢測盒運行使用電箱內(nèi)部的電源，通過交直流變換模塊，直接為電路板供電，不需要外接電源。

4.2 應(yīng)用效果分析

當(dāng)漏電檢測盒試驗合格，供電所將其安裝應(yīng)用于電箱后，經(jīng)過一段時間的觀察，發(fā)現(xiàn)漏電檢測盒不僅能夠有效提高用電臺區(qū)的節(jié)能減損工作，而且通過漏電監(jiān)測裝置的引入，還可以及時發(fā)現(xiàn)了解漏電情況，并對漏電位置進(jìn)行實時定位，實現(xiàn)臺區(qū)和電箱漏電的科學(xué)、高效排查。圖4為漏電檢測盒現(xiàn)場安裝圖片。

供電所通過開展電箱漏電監(jiān)測的工作，有效提高了電箱安全用電管理水平。通過科學(xué)合理的漏電監(jiān)測，能夠有效發(fā)現(xiàn)電箱內(nèi)的漏電問題以及漏電安全隱患問題，并可以對此進(jìn)行針對性的處理，同時結(jié)合監(jiān)測情況進(jìn)行科學(xué)檢查、科學(xué)宣傳，最終有效提高了電箱安全用電管理水平。

圖4 漏電檢測盒現(xiàn)場安裝

5 結(jié)語

該文介紹了一種漏電檢測的方法，提出了一種新型典型內(nèi)漏電監(jiān)測儀器設(shè)計方案，提高了檢測的準(zhǔn)確性。漏電檢測盒在檢測到漏電壓時，通過蜂鳴器進(jìn)行告警，使附近人員直觀地意識到電表箱存在漏電危險，及時遠(yuǎn)離，避免受到傷害；同時，漏電檢測盒的告警聲也有利于路人向供電所人員進(jìn)行反饋，從而及時進(jìn)行消缺。此外，對于某些位于金屬電表箱內(nèi)，需要人工進(jìn)行抄表的，可以有效防止抄表人員因為各種原因忽略驗電，從而產(chǎn)生的觸電風(fēng)險。