吸附式光電耦合漏電警示裝置的研究與應用

任杰 李志豪 王家云 葉俊 孫思航 云南省電網有限責任公司昆明供電局

如今電能被廣泛應用在照明、動力、化學、通信、廣播、紡織等諸多領域，是當今經濟飛躍、科技發展和人民生活水平提高的主要動力。發電、變電、輸電、配電和用電五個環節組成了電能生產與消費系統即電力系統[1]。其中配電是指電力系統中直接與用戶相連并向用戶分配電能的環節。因此配電設備如遇漏電，對電力運行、檢修人員和可能接觸配電設備的人員存在重大安全隱患。當電氣設備的金屬外殼與內部帶電部件之間的絕緣失效時，如果電氣設備的金屬外殼未接地，則其對大地將有較高的電勢，一旦人體觸碰極易形成對地回路，電流經人體流入大地，造成人員傷亡事故。當人的身體直接接觸到電流時，電流會通過人的身體與大地構成回路，流經人體的電流為幾毫安至幾百毫安，如果沒有精確的檢測設備，這部分電流很難檢測得到，甚至帶漏電保護的產品也無法動作。因此，研究一種漏電警示裝置，能降低作業人員工作的風險，保障作業人員的安全[2]，是一項值得研究和推廣的技術。

一、裝置結構及工作原理

（一）裝置結構

吸附式漏電警示裝置主要由光電耦合器、電磁鐵和導線組成，為一種簡易便攜的漏電警示裝置。其原理圖見圖1。

圖1 中的電氣裝置為：①光電耦合器（Optical Coupler）；②電磁鐵。

圖1 吸附式漏電警示裝置電路圖

（二）光電耦合器工作原理

1.發光二極管、光敏（光電）二極管、光敏三極管

發光二極管（Light-Emitting Diode）是一種新型固態冷光源，發光二極管具有效能高、使用壽命較長、工作電壓較低、體積小、重量輕、響應速度快、抗震性能好以及光譜全彩等優點，因此被廣泛的應用。1962年第一批發光二極管就誕生了，當時的發光二極管僅僅能發出紅光，之后發展出其他單色光的版本，時至今日能發出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線。發光二極管具有發光亮度高、產生的熱量低、使用壽命較長、安全并且可以回收再利用等突出的優點。

光敏二極管（Photodiode）是一個將光信號轉變為電信號的半導體器件。光敏二極管的工作原理實際上等同于光敏電阻，因此光敏二極管可以非常敏銳的捕捉到光照強度的變化。由于光敏二極管的核心部分即管芯是具有光敏特征且具有單項導電性的P—N 結，因此外部光照的強弱可以改變電路中電流的大小。為了使光敏二極管更便于接收外部光照，其P—N 截面積會盡量做的大一些，而電極的面積會盡量做的小一些，并且P—N 結深很淺，一般P—N 結深度會小于1μm。

光敏三極管（Phototransistor）是一種與常見三極管類似的電子元件，因此也具有電流（Current）放大作用。與普通三級管不同的地方是它的集電極電流在受基極電路、電流控制的同時也受到光輻射的控制。光敏三極管通常又被稱作光電三極管，是一種進行光——電轉換的元件。光敏三極管的基本原理是：當有光照到PN 結上時，其吸收光的能量并將之轉變為電能。常見光敏三極管的工作狀態是：給光敏三極管加上反向電壓，此時元件中的反向電流會隨著光照強度的增強而增大，隨著關照強度的減弱而減小。

2.光電耦合器

光電耦合器（Optical Coupler）是一種可以實現電—光—電轉換的元件，其可以傳輸電信號的媒介是光電。光電耦合器由兩部分組成即發光源與受光器。在同一個密閉的外殼內組裝上發光源和受光器兩個部并用透明的絕緣體將兩個部件隔離。光電耦合器的輸入端為發光源的引腳，常見的發光源為發光二極管，光電耦合器的輸出端為受光器的引腳，光敏二極管、三極管均常常被用作受光器，綜上所述，光電耦合器的輸入電路與輸出電路的電器元件之間是相互隔離的，加之電信號在傳播時具有單項性等優點，因此光電耦合器具有良好的電絕緣能力和抗電磁波干擾能力。在光電耦合器的輸入端加電信號使發光源發光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到受光器上后，因光電效應而產生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現了電—光—電的轉換[3]。

光電耦合器具有眾多優點，例如：可以單向傳輸信號、輸入端與輸出端之間相互絕緣、抗電磁波干擾能力強、器件體積小、使用壽命長等優點，因此被廣泛使用。[4][5]

（三）吸附式光電耦合漏電警示裝置的研究與應用

如圖1 所示，這是一個小巧的吸附式漏電警示裝置，將之吸附于在電力設備本體（箱式變電站、戶外開關站）的柜門上，當發生電力設備本體漏電的情況，柜門上電流的變化使穿過該警示裝置閉合電路的磁通量發生變化，產生感應電流，感應電流將流過吸附式漏電警示裝置中的光電耦合器，光電耦合器內部的二極管將發光，起到警示該電力設備漏電的作用[6][7]。

二、吸附式光電耦合漏電警示裝置的運用與推廣前景

當人體直接觸電時，電流通過人體與大地構成回路，流經人體的電流為幾毫安至幾百毫安，如果沒有精確的檢測設備，這部分電流很難檢測得到，甚至帶漏電保護的產品也無法動作。一款安裝靈活便捷，造價低，便于全面推行的電氣設備柜體漏電警示裝置正在被電力行業所需要。本文通過對10kV戶外開關站漏電可能性的研究，采用模擬柜體帶電的方法，簡化模型，通過柜體帶電取得電源，通過一種吸附式帶電警示裝置轉換為物理狀態轉換，對電力設備柜體是否帶電做出警示，從而低作業人員工作的風險，保障作業人員的安全[8]。

（1）吸附式光電耦合漏電警示裝置能檢測電氣設備外殼箱體的漏電情況，彌補現有電力設備本體漏電情況下的預警功能缺失的問題，通過光電耦合器發光對電力設備柜體是否帶電提出預警，保障作業人員的生命安全。

（2）吸附式光電耦合漏電警示裝置使用磁鐵吸附于各式電氣設備金屬箱體外殼處，安裝便捷，避免大規模的電氣設備箱體改造，警示效果突出，所有電氣表柜中均能有效運用，是一種經濟實用的漏電檢測警示裝置，具有很大的經濟效益與推廣前景。