一種非接觸式高壓驗電器的研究

余成波

隨著輸電線路的電壓等級不斷提高，線路距離地面也越來越遠，采用傳統(tǒng)的接觸式驗電方法也暴露出很多弊端。本文采用模擬電流法建立起輸電線路的數(shù)學模型，求出輸電線路周圍的磁場分布，提出了一種安裝在輸電線路下方一定距離的驗電器。該裝置利用霍爾傳感器在磁場中產(chǎn)生的偏置電流的大小，來實現(xiàn)對輸電線路是否帶電的判斷。求解傳感器采集到的磁感應強度的斜率值，排除一定范圍內(nèi)帶電設備產(chǎn)生的磁場干擾，提高驗電的準確性。

【關鍵詞】磁場分布 非接觸式驗電器 霍爾傳感器 磁場干擾

驗電器是用來檢測電氣設備上是否存在電壓的最常用的電力安全工具之一，通過驗電器明確驗證停電設備是否確無電壓，再進行其他操作，以防止出現(xiàn)帶電裝接地線（合接地刀閘）、誤碰有電設備等惡性事故的發(fā)生。因此，在電力行業(yè)中驗電器的作用不可忽視。目前，國內(nèi)生產(chǎn)及使用的220kV及以下電壓等級的高壓驗電器僅能驗明一個電壓等級（如110kV的驗電器不能在10kV/35kV/220kV等電壓等級下使用），驗電器絕緣桿的長度不能線性調(diào)節(jié)，只能全部拉出使用。在直接接觸帶電設備的過程中，也增加了誤觸碰相鄰帶電設備的風險。

非接觸式驗電器是一類新型的驗電器，目前主要有兩種方法：一種是利用高壓電場傳感器讀取高壓輸電線路周圍的電場，將傳感器采集到的交變電場信號以交流電壓或者交流電流的形式輸出，經(jīng)過濾波、放大后、整流轉換為直流信號，供測量設備讀取，最終實現(xiàn)帶電設備的驗電；另外一種方法是使用靈敏度極高的紫外線探頭，通過測量輸電線路周圍的紫外線來判斷導體是否帶電。非接觸式驗電器不需要和超高壓輸電線路直接接觸，就能方便、快捷的完成驗電，對保證驗電人員的安全具有十分重要的應用價值。

1 輸電線路的數(shù)學模型

模擬電流法是用一組離散形式的虛擬電流來等效實際輸電線路中的電流，通過給定的初值和邊界條件來模擬實際中分布不均勻的電流。為了理論計算的方便，對輸電線路進行了以下簡化處理：

（1）磁導率取μ0；

（2）看作二維磁場；

（3）不考慮地線和避雷線；

（4）將磁場假設為恒定場。

根據(jù)以上的化簡，在直角坐標系下畫出出輸電線路的計算模型，模擬的電流點和匹配點設置在輸電線路的同心圓上，如圖1所示。

通過解方程組得出一組電流值，然后校驗結果的精確度；在導線上取幾個點，通過以上的方法進行計算，對比之前的結果算出同一個點的誤差。當兩次計算得到的差值越小時，表明該模擬電流的精度越高，差值較大則精度較低。

2 實際分析

一條同塔單回220kV的三相輸電線路水平排列，傳輸功率為300MW。在如圖1所建立的直角坐標系中，導線中心之間的距離L=6.5m，導線中心距地高度H=10.5m。分裂導線半徑為R=0.243m，輸電電流有效值為|I|=3×108（2.2×105×）=787A。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，建立起該輸電線路的數(shù)學模型，匹配點半徑設為0.243m，單相線路上設置4個電流的模擬量，計算可得三相輸電線路的模擬電流值及磁位如表1所示。

取6個校驗點進行校驗，誤差值如表2所示，模擬量比較符合實際要求。

取導線中心點連線為坐標軸x，磁感應強度為y軸，畫出離地4.5米高度處的磁感應強度分布圖如圖2所示。

由圖2可知，最大的磁感應強度位于A、B相和B、C相之間，磁感應強度隨距離的變化值△B/△s在0m至±5米的范圍內(nèi)變化較大，根據(jù)法拉第電磁感應原理，閉合線圈中磁通量的變化可以產(chǎn)生感應電流。

3 驗電的原理

由第2部分分析可知，在0米和±5米處各放置一個霍爾傳感器，如圖3所示。當附近只有這一條輸電線路時，霍爾傳感器測得的磁感應強度大于某一個數(shù)值時，可以認為該點的磁感應強度是由輸電線路的磁場產(chǎn)生的，即輸電線路帶電。

事實上，輸電線路周圍還有很多帶電的設備，單靠測量輸電線路下方的磁感應強度并不能可靠地確認輸電線路是否帶電。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，-5m到0m和0m到5m這兩段區(qū)間上，磁感應強度曲線是對稱的，計算出-5m和0m這兩點之間磁感應強度曲線的斜率，加入一個θ角的范圍，在極坐標系下畫出判定是否帶電的范圍，如圖4所示，就可以排除相鄰帶電設備的干擾。

θ角的取值直接關系到驗電的準確性，取值較小可能使裝置漏判，取值過大會使得抗相鄰線路的干擾能力下降。具體的取值應由參考該地區(qū)電壓的波動范圍和相鄰帶電設備的距離來決定。

假設第2章所給出的實例中，該條輸電線路的右邊5m同一水平高度上有一條相同電壓等級的帶電輸電線路L，如圖5所示，由圖2曲線可得，該線路自身磁場所產(chǎn)生的磁感應強度的差值

理論上講，只要磁感應強度曲線的斜率在3.6×10-5±3.6×10-5×38.9%范圍內(nèi)，都可以排除距離該輸電線路5米外的帶電設備的影響。

由于加入了磁感應強度的斜率，相鄰線路的磁場對該組霍爾傳感器產(chǎn)生的磁感應強度的斜率明顯小于該線路本身磁場所產(chǎn)生磁感應強度的斜率，通過設置適當?shù)摩戎?，就可以排除一定范圍?nèi)帶電設備的影響，如圖6所示，陰影部分表示可排除的范圍。

當線路通電時，位于線路下方的3個霍爾傳感器中均能產(chǎn)生一定大小的偏置電流I1、I2、I3，將3個電流與門檻值進行比較后進行邏輯或運算，再分別求出#1、#2和#2、#3傳感器的電流差值I12和I23，與門檻值進行比較后，同比較后的I1、I2、I3值進行邏輯與運算，則可以實現(xiàn)帶電的判斷，邏輯圖如圖7所示。

4 結論

采用霍爾傳感器在磁場中產(chǎn)生偏置電流這種方法，可以不必接觸危險的輸電線路來實現(xiàn)驗電功能，還克服了線路周圍復雜磁場環(huán)境的干擾，具有較好的推廣意義。但是這種設計只能排除輸電線路周圍一定范圍內(nèi)的干擾，對于同塔多層次立體結構的桿塔還存在判斷的死區(qū)，還需進一步研究。

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作者單位

1.重慶理工大學遠程測控與信息處理研究所 重慶市 400054

2.重慶理工大學電氣與電子工程學院 重慶市 400054