接觸網中驗電位置對電容型驗電器靈敏度的影響研究*

劉家軍 高浩博 韓思丹

(1. 西安理工大學電氣工程學院 西安 710048；2. 中國啟源工程設計研究院有限公司 西安 710018)

1 引言

接觸網是電氣化鐵路動力傳輸的介質，為了保證供電的可靠性，鐵路供電段需要對接觸網展開日常巡視和停電檢修作業[1]。驗電器是檢修作業中必不可少的工具，主要用來檢測導線和電氣設備的帶電情況，驗電器的使用有利于保障檢修現場工作人員的人身安全[2-5]。目前使用最多的是接觸式電容型驗電器，其原理是通過檢測驗電器對地雜散電容中流過的電流來反映被測設備是否存在電壓，并通過聲光報警提醒檢修人員帶電情況[6-7]。由于接觸式電容型驗電器具有工作原理簡單、驗電靈敏度高、檢測快速、使用方便等優點，已被廣泛應用于接觸網檢修作業驗電操作中。

接觸網結構復雜，電場分布存在明顯的位置差異。在現場檢修作業中，由于選取不同位置驗電，有時會出現驗電器無法正確檢測接觸網是否帶電的情況，從而影響檢修人員的判斷以及后續檢修作業的進行[8-9]。例如，2012 年北京鐵路局供電段檢修作業時，發現在靠近定位線夾的接觸線驗電時無法判斷接觸網是否帶電，但在遠離定位線夾后可判斷帶電[10-13]。

本文針對上述現象，以27.5 kV 接觸網為例，在ANSYS Maxwell 仿真軟件中搭建接觸網模型，從電場的角度研究不同驗電位置對驗電器靈敏度的影響，可以為檢修作業驗電操作時驗電位置的選取提供一定的理論依據。

2 電容型驗電器工作原理

接觸網和大地之間存在空氣和其他介質，可以等效為一個電容器[14-16]。電容型驗電器驗電示意圖如圖1 所示，接觸網停電檢修時，驗電器接觸探頭靠近接觸網接觸線或腕臂，接觸線或腕臂與驗電器之間等效為一個雜散電容C1，驗電器通過操作桿、人體與大地構成回路，可以等效為雜散電容C2，兩個雜散電容與帶電設備構成通路，由分壓原理可得驗電器分的電壓為

圖1 電容型驗電器驗電示意圖

電容型驗電器通過測量U1的大小，來判斷待測設備是否帶電，當U1大于電容型驗電器的最小啟動電壓時，發出報警信號，表明設備帶電。

驗電器電路原理圖如圖2 所示，主要包括限流電路、放大電路、濾波電路、聲光報警電路和自檢電路。接觸電極靠近接觸網待驗電設備時，驗電器內部的限流電路在高電壓的作用下產生微小電流，此微小電流經放大電路放大之后通過濾波電路形成驅動信號，促使驗電器內部的振蕩電路產生一定頻率的振蕩信號，聲光報警電路接收到振蕩信號之后以聲光信號提示工作人員。自檢電路用來校驗驗電器內部是否處于正常工作狀態。

圖2 驗電器原理圖

驗電器對地雜散電容的電流是電容型驗電器判斷電壓是否存在的關鍵，而驗電器周圍電場分布會影響其雜散電容電流[17-19]。接觸網結構較為復雜，電場分布存在明顯的位置差異，由于場強大小隨位置變化而改變，致使驗電器在不同的驗電位置梯度變化明顯不同。當被測設備附近電場近似均勻場時，驗電器的軸向電位梯度較小，導致流過驗電器的雜散電容電流很小，不足以驅動驗電器工作，無法準確判斷設備是否帶電。

本文通過比較不同位置流過驗電器的電容電流值與最小啟動電流值的大小，來分析驗電器靈敏度的變化情況。若電容電流值大于最小啟動電流值，則驗電器的靈敏度高，可正常工作；若小于啟動電流值，驗電器則無法啟動。可見，最小啟動電流值與不同位置電容電流值的確定是問題研究的關鍵，本文將從這兩方面展開具體的分析。

3 驗電器最小啟動電流

根據圖2 驗電器內部原理圖，在Multisim 中搭建驗電器內部電路，通過仿真確定最小啟動電流。驗電器電路模型如圖3 所示，模型中元件的參數設置按照GSY-Ⅱ型27.5 kV 驗電器參數設置。其中，Is為流過驗電器的電容電流。實際工作使用中電 流傳導通路為被測設備-驗電器-絕緣棒-人體-大地。

圖3 電路仿真模型

以驗電器作為仿真對象，用電流源Is等效替代驗電器，通過改變電容電流的大小，來觀察驗電器是否啟動，以此確定驗電器的最小啟動電流，如表1 所示。

表1 電路啟動情況

電容型驗電器的靈敏度是指驗電器對待測設備帶電電壓的最小反應能力，最小啟動電流越小，表明驗電器的靈敏度越高，但是不宜過小，否則會受感應電影響而誤啟動，合理地選擇最小啟動電流是確保準確驗電的關鍵。由表1 可知，驗電器啟動聲光報警所需的最小電容電流為12.5 μA，所以，經仿真確定了驗電器的最小啟動電流為12.5 μA，該值為后續不同位置的靈敏度分析提供了參考依據。

4 不同位置驗電的仿真分析

驗電器驗電時，流過驗電器的電容電流可由式(2)計算求得，其中電容C為驗電器自身的雜散電容，根據電力行業標準《DL/T 740—2014 電容型驗電器》，接觸網驗電器雜散電容值為23.53 pF，其值大小固定不變；電壓U是接觸電極與蜂鳴器金屬基片之間的電位差。驗電器內部結構如圖4 所示，該電位差值與驗電器所處的空間電場分布有關。本文通過ANSYS Maxwell 仿真軟件搭建接觸網和電容型驗電器模型，計算不同位置驗電時驗電器內部的電壓U，最后得到電容電流，如式(2)所示

圖4 驗電器內部結構圖

接觸網的實際結構如圖5 所示，假設驗電器垂直向上接觸被測點，分別置于圖中1、2、3、4、5的位置，其中位置1 在接觸線處，距軌面高度6 000 mm，該處上方沒有定位線夾，且距離兩邊線夾較遠；位置2 為定位線夾下方的接觸線，距軌面高度6 000 mm；位置3 為定位管最外側，距離邊緣10 cm 處，距軌面高度6 370 mm；位置4 為斜腕臂下方，距離絕緣子10 cm 處，距軌面高度6 100 mm；位置5 為斜腕臂上方，距離平腕臂與斜腕臂交匯點10 cm 處。以27.5 kV 接觸網為例，在ANSYS Maxwell 仿真軟件中搭建接觸網模型，仿真模型零件材料如表2 所示，仿真結構模型如圖6 所示，分別計算不同位置流過驗電器的電容電流。

圖5 接觸網實際結構圖

圖6 接觸網仿真模型

表2 仿真模型零件材料

4.1 位置1

當驗電器在位置1 驗電時，其周圍的電位及電場分布如圖7a、7b 所示。驗電器接觸電極的電勢與線路電壓基本相同，電勢沿著驗電器絕緣棒逐漸減小。接觸電極附近的電位降落快，絕緣棒的外部電位降落緩慢。接觸電極附近的電場強度較高。

圖7 位置1 驗電器周圍電位及電場分布圖

驗電器內部電位及電場分布云圖如圖8a、8b 所示。驗電器的內部電位從接觸電極到驗電器底部逐漸降低，PCB 板兩側銅線與驗電器下方蜂鳴器等電位，接觸電極與板子上方焊點等電位。此時，根據式(2)計算驗電器電容電流為16.56 μA。

圖8 位置1 驗電器內部電位及電場分布圖

4.2 位置2

當驗電器在位置2 驗電時，驗電器內部電位云圖如圖9 所示。根據電位云圖計算可得，驗電器電容電流值為15.52 μA。

圖9 位置2 驗電器內部電位分布云圖

4.3 位置3

當驗電器在位置3 驗電時，如圖10 所示，根據驗電器內部電位分布云圖計算可得，電容電流值為12.84 μA。

圖10 位置3 驗電器內部電位分布云圖

4.4 位置4

當驗電器在位置4 驗電時，如圖11 所示，根據驗電器內部電位分布云圖計算可得，電容電流值為14.59 μA。

圖11 位置4 驗電器內部電位分布云圖

4.5 位置5

當驗電器在位置5 驗電時，如圖12 所示，根據驗電器內部電位分布云圖計算可得，電容電流值為13.85 μA。

圖12 位置5 驗電器內部電位分布云圖

4.6 仿真結果分析

當驗電器在接觸網不同位置驗電時，驗電器內部電容電流的大小如表3 所示。

表3 不同檢測位置驗電器電容電流值

由表3 可以得出如下結論。

(1) 驗電器在腕臂和接觸線驗電時，其靈敏度與穩定性均存在差異。相較于在腕臂驗電，在接觸線驗電時，電容電流值遠大于驗電器最小啟動電流值，說明在接觸線驗電可確保驗電器正常可靠工作。

(2) 在定位管驗電時，電容電流的大小基本和最小啟動電流值一樣，導致驗電器會出現工作不穩定或誤判的現象。

5 現場試驗

為了驗證不同位置對驗電器靈敏度的影響，在南京南鐵路供電段的南京南至江寧西檢修作業期間進行了現場試驗，通過試驗分別驗證在接觸線、上方有定位線夾的接觸線、定位管、斜腕臂下方、斜腕臂上方這五個地方驗電，驗電器能否穩定工作。選取10 只GSY-Ⅱ型27.5 kV 電容型驗電器，對上述五個地方進行試驗，現場試驗圖如圖13 所示。試驗結果如表4 所示。

表4 不同檢測位置驗電器驗電情況

圖13 裝置現場作業圖

根據試驗結果可以得到，在接觸線和斜腕臂下方驗電時，驗電器能夠穩定可靠地工作；在定位管處驗電時，驗電器基本不工作；在有定位線夾的接觸線和斜腕臂上方驗電時，驗電器不能可靠工作。因此，在實際接觸網檢修作業驗電時，要選擇合適的驗電位置。在接觸線驗電時應選擇遠離線夾的位置驗電，在腕臂驗電時應選擇靠近斜腕臂下方的位置，確保驗電器可靠工作，避免檢修人員帶電掛接地線，保證檢修人員的人身安全。

6 結論

本文對接觸網中驗電位置對電容型驗電器靈敏度的影響進行了仿真計算和現場試驗，可以得到如下結論。

(1) 腕臂復雜的結構導致其周圍電場近似于均勻電場，會降低驗電器靈敏度。

(2) 由于接觸線線夾影響了電場分布，使得在上方有線夾的接觸線驗電時的靈敏度要小于沒有線夾時的情況。

(3) 定位管處驗電器靈敏度最低，導致驗電器無法正常工作。

(4) 接觸網檢修作業時選擇遠離線夾或靠近斜腕臂下方的位置進行驗電，避開在定位管驗電。