高壓輸電線路帶電指示器的研究與設(shè)計(jì)

張永康

0 引言

在電纜分支箱、箱式變壓器及環(huán)網(wǎng)柜等全絕緣設(shè)備中，由于各個(gè)帶電部件都是全絕緣的，無(wú)法直接判斷線路是否帶電，同時(shí)對(duì)于架空高壓輸電線路，由于架設(shè)距離較高，且電壓等級(jí)較高也無(wú)法直接判斷線路是否帶電，為了對(duì)上述設(shè)備是否帶電進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，本文提出一種基于場(chǎng)強(qiáng)法的高壓輸電線路帶電指示器，可以廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)和室外電壓等級(jí)為10～500 kV電氣設(shè)備上，以翻牌形式顯示出高壓設(shè)備帶電運(yùn)行狀況，可有效防止誤觸電、帶電掛地線等引起的人身、設(shè)備和電力系統(tǒng)停電事故，對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

1 高壓輸電線路帶電指示器設(shè)計(jì)原理

1.1 從高壓輸電線路上間接獲取電壓信號(hào)

1.1.1 工頻電場(chǎng)計(jì)算原理[1～5]

本文主要研究工頻交變電場(chǎng)，頻率為 50（或60）Hz，其波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于所研究場(chǎng)域的幾何尺寸，故可以用靜電場(chǎng)的一般概念來(lái)分析。關(guān)于輸電線路及附近工頻電場(chǎng)的算法，根據(jù)“國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議第36.01工作組”推薦的方法，一般采用以鏡像法為理論基礎(chǔ)的等效電荷法計(jì)算高壓送電線下空間工頻電場(chǎng)強(qiáng)度。

高壓輸電線的電場(chǎng)計(jì)算采用等效電荷法，高壓輸電線路上的等效電荷是線電荷，由于高壓輸電線半徑r遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于架設(shè)高度h，所以等效電荷的位置可以認(rèn)為是在送電導(dǎo)線的幾何中心。下文假設(shè)輸電線路為無(wú)限長(zhǎng)并平行于地面，且把地面視為良導(dǎo)體，研究計(jì)算單位長(zhǎng)度導(dǎo)線上的電荷。

1.1.2 單位長(zhǎng)度導(dǎo)線上等效電荷的計(jì)算

設(shè)輸電線路為無(wú)限長(zhǎng)且與地面平行，地面可視為良導(dǎo)體，利用鏡像法計(jì)算輸電線上的等效電荷。為了計(jì)算多導(dǎo)線線路中導(dǎo)線的等效電荷，采用麥克斯韋電位系數(shù)法計(jì)算，可列出下列矩陣方程：

式中，[U]為各導(dǎo)線對(duì)地電壓?jiǎn)瘟芯仃嚕籟Q]為各導(dǎo)線上等效電荷單列矩陣；[λ]為各導(dǎo)線自電位系數(shù)和互電位系數(shù)組成的n階方陣（n為導(dǎo)線數(shù)目）。

[U]矩陣可由輸電線的電壓和相位確定，以額定電壓作為計(jì)算電壓，由三相線間電壓可計(jì)算各導(dǎo)線對(duì)地電壓為。矩陣[λ]可以由鏡像原理求得。地面為電位等于零的平面，地面的感應(yīng)電荷可由對(duì)應(yīng)地面導(dǎo)線的鏡像電荷代替，用i，j…表示相互平行的實(shí)際導(dǎo)線，用i′，j′…表示它的鏡像，如圖1所示。

圖1 電位系數(shù)計(jì)算圖

電位系數(shù)可寫(xiě)為

式中，ε0為空氣介電常數(shù)，

Ri為送電導(dǎo)線半徑，對(duì)于分裂導(dǎo)線可以用等效的單根導(dǎo)線代替，Ri計(jì)算式為

式中，R為分裂導(dǎo)線半徑（圖2）；n為次導(dǎo)線根數(shù)；r為次導(dǎo)線半徑。

圖2 等效半徑計(jì)算圖

由[U]和[λ]矩陣，利用式（1）即可解出[Q]矩陣：

由于交流電壓隨時(shí)間不斷變化，根據(jù)上述原理就會(huì)產(chǎn)生變化的電荷，變化的電荷就會(huì)產(chǎn)生電流。對(duì)于已知的固定排列的三相或多相輸電線，[U]和[λ]（[τ]）均為定值，理論上[Q]也為定常值，電位系數(shù)[λ]的逆陣[τ]，即為空間某點(diǎn)導(dǎo)體與高壓導(dǎo)線之間的電容量。

1.1.3 電場(chǎng)和電壓信號(hào)的獲取電路

當(dāng)電極與高壓輸電線路接觸時(shí)，電極與輸電線路之間就可以等效為一電容，如圖3所示，利用電容的分壓特性在電容C兩端可以獲得與輸電線路電壓成分完全一致的電壓信號(hào)，將該信號(hào)送到信號(hào)處理電路處理后，就可作為輸電線路是否存在電壓的判據(jù)。

圖3 電場(chǎng)耦合式電壓信號(hào)采集電路圖

1.2 從高壓輸電線路上間接獲取電能

當(dāng)高壓輸電線路上有較大電流通過(guò)時(shí)，在其周?chē)蜁?huì)耦合出磁場(chǎng)，這樣使輸電線路穿過(guò)截面較小的電流互感器（下文簡(jiǎn)稱(chēng)CT），利用鐵心的磁飽和特性可以得到較為穩(wěn)定的直流電壓，這就是該電源設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。小CT取電即從高壓母線上感應(yīng)得到交流電能，然后經(jīng)整流、濾波、泄放、DC-DC變換等，得到穩(wěn)定的5 V和3.3 V電壓，為后面的電子電路提供電能，設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。從高壓側(cè)取得的這部分能量相對(duì)于一次側(cè)的總能量是非常小的，不會(huì)對(duì)高壓側(cè)產(chǎn)生影響。

當(dāng)小CT在進(jìn)入飽和狀態(tài)后，輸出電壓穩(wěn)定，圖5為小CT的鐵心深度飽和時(shí)的波形圖。

圖4 小CT取電電路原理框圖

從圖5可以看出，鐵心未飽和時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化近似成線性；當(dāng)鐵心飽和后磁感應(yīng)強(qiáng)度增長(zhǎng)極其緩慢，可以近似地認(rèn)為此時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度維持在一個(gè)定值（BS）不變。其二次側(cè)電壓值為

式中，e2為二次側(cè)電壓值，N2為二次側(cè)線圈匝數(shù)，Φ為主磁通，S為鐵心截面積。

在時(shí)間t1到t2區(qū)間對(duì)e2進(jìn)行積分：

由式（7）可得，在鐵心進(jìn)入飽和后半個(gè)周期內(nèi)的電壓值是一個(gè)定值，如圖5中上面的曲線，而且可以看出，其大小與母線電流無(wú)關(guān)，只與鐵心截面積，二次側(cè)線圈匝數(shù)和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)。

圖5 鐵心深度飽和時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度和電動(dòng)勢(shì)的曲線圖

2 高壓輸電線路帶電指示器的設(shè)計(jì)

高壓輸電線路帶電指示器主要包括電場(chǎng)耦合式電壓信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路、小CT取電電路、電池電源電路、微處理器、翻牌指示驅(qū)動(dòng)電路、翻牌指示器和接口電路。其原理結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

該帶電指示器用專(zhuān)用結(jié)構(gòu)掛接在輸電線路上，當(dāng)輸電線路上的電流大于50 A時(shí)，利用電場(chǎng)耦合原理即可獲得指示器持續(xù)工作的電能，同時(shí)考慮采用小截面鐵心，利用磁場(chǎng)飽和技術(shù)解決了大電流時(shí)的限流問(wèn)題，使指示器電流超過(guò)3 000 A時(shí)仍然可以可靠地工作，當(dāng)輸電線路電流小于50 A時(shí)采用電池為指示器提供持續(xù)工作的電能，指示器正常工作時(shí)電流小于2 mA。當(dāng)輸電線路上有電壓時(shí)，則指示器翻紅牌，輸電線路上沒(méi)有電壓時(shí)，則指示器翻白牌。

圖6 高壓輸電線路帶電指示器原理結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

利用上述原理設(shè)計(jì)了高壓輸電線路帶電指示器，首先利用磁場(chǎng)耦合原理為指示器工作提供持續(xù)的電能，利用磁場(chǎng)飽和技術(shù)解決大電流時(shí)的限流問(wèn)題，利用電場(chǎng)原理解決非接觸耦合方式測(cè)量輸電線路電壓?jiǎn)栴}，使輸電線路帶電指示器的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單而可靠，高壓輸電線路帶電指示器經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用，完全滿足輸電線路帶電指示的要求，為輸電線路檢修、維護(hù)和故障巡檢提供了全新的可靠的方法。

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