一種基于場強分布的新型非接觸式高壓驗電器的研究

胡 爽 景盼盼 徐欣然 徐懂理 于文博 韓 璐 江 健

（南京工程學院電力工程學院，江蘇南京211100）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟水平的日益提高，人們的用電量急劇增加，電壓等級也隨之增大，在供電系統(tǒng)內(nèi)部，出現(xiàn)了多起工作人員高壓帶電操作造成人身傷亡的事故，因此，準確地計算線路附近的電場強度并設計出測量工頻電場的裝置，能夠大大減少以上事故的發(fā)生。驗電器通過電場來實現(xiàn)對帶電設備或者輸電線路的檢測，在電力系統(tǒng)的安全操作中起著至關重要的作用。

本文所描述的是一種突破傳統(tǒng)觀念基于高壓線路空間電場分布的新型驗電器，通過電場的大小來明確高壓線路是否帶電，作業(yè)機械是否進入到高場強區(qū)、是否接近線路的最小安全距離，使用起來方便安全，從而減少了電力事故的發(fā)生，提高了工作效率，有利于高壓網(wǎng)絡的正常運行，在電力系統(tǒng)運行操作過程中具有建設性的意義。在輸電線路附近分布著的磁場和電場，有著“近場區(qū)”的特征，具有似穩(wěn)場、準靜態(tài)場、感應場的特點，在穩(wěn)態(tài)運行、線性媒質(zhì)、正弦激勵的條件下，列寫以下麥克斯韋方程組：

電力線路附近電場強度水平和垂直分量的近似計算公式為：

式中，y為電力線對地投影到觀測點的距離；I為電力線中的交變電流大?。籬為電力線平均架設高度；z為觀測點高度；σ為大地的視在電導率；μ0=4π×10-7H/m；ω為角頻率；γ1為大地傳播常數(shù)；u為特征參數(shù)；J0（）為第1類0階貝塞爾函數(shù)。

1 實現(xiàn)方法及思路

電場傳感器通過測量高壓輸電線路周圍的交變電場強度，將傳感器采集到的交變電場強度以交流信號形式輸出，實現(xiàn)對帶電設備或者輸電線路的檢測。檢測元件選用薄銅片，與電力線經(jīng)線方向一致，置于變化速度緩慢的工頻電場中，由于靜電平衡，它將分別在近電力線和遠電力線的兩側(cè)感應出受電場影響分布變化的正負電荷，電荷數(shù)量隨時間進行工頻變化，電荷密度分別為σ（t）與-σ（t），由于電荷左右移動，銅片感應出交變電流。其中：

因此產(chǎn)生的感生電流為：

電流的變化體現(xiàn)了電場強度的變化，將此感生電流進行拾取和處理，即可計算出檢測元件位置處的電場強度，近而得出檢測點與電力線的距離。該項目通過加裝近電報警設備，實現(xiàn)在其使用過程中保持對高壓帶電物體的安全距離。

2 驗電器的設計

本裝置由電場傳感器、信號處理電路、溫濕度檢測、顯示單元、聲光警示、按鍵控制、硬件復位等部分組成，系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 驗電器的基本結(jié)構(gòu)

高壓線附近的電場信號由傳感器讀取，經(jīng)信號處理電路送入施密特觸發(fā)器，觸發(fā)器對輸入信號進行判斷，發(fā)出有電、無電兩種信號，最后有無電信號的結(jié)論通過顯示單元在驗電器上顯示出來。環(huán)境中的溫濕度變化會影響電場強度的測量結(jié)果，因此，通過溫濕度檢測模塊來檢測現(xiàn)場的溫度和濕度，進一步修正電場強度的分析結(jié)果。

主要電路如下：

2.1 電場傳感器

驗電器用于高壓設備的測量，很容易受到雷擊，為了防止雷擊事故的發(fā)生，加上壓敏電阻作為傳感器的保護。壓敏電阻的特性就是其擁有一個閥值電壓，在正常的情況下，若它兩端的電壓小于閥值電壓時，壓敏電阻相當于開路，但是若有雷擊或者是放電時，其兩端的電阻就會變小，這樣就可以抑制電路中過大的電壓，保護后面的元件。同時，在兩個壓敏電阻之間加上了共模電感起到濾除信號線上的共模信號的作用。其基本形狀如圖2所示。

圖2 傳感器的基本形狀

2.2 倍壓整流電路

倍壓整流電路由多個二極管和電容組成，接收傳感器交流信號并轉(zhuǎn)換成直流信號，傳給后續(xù)電路進行進一步的處理。如圖3所示。

圖3 倍壓整流電路

2.3 差分放大電路

輸電線路的發(fā)射能力十分低下，所以由檢測元件感應出的電壓以及電流信號非常微小，根據(jù)運算放大器的虛短與虛段原理，可以通過選取不同電阻的阻值，設計合理的放大倍數(shù)，對信號進行高倍率放大，如圖4所示。

圖4 差分放大電路

2.4 施密特觸發(fā)電路

施密特觸發(fā)器可以對信號中的波形起到變換和整流的作用，將緩慢變化的三角波或正弦波等信號變?yōu)榫匦尾ǎ锤叩碗娖剑┹敵?，使得驗電器電路更為穩(wěn)定，如圖5所示。

圖5 施密特觸發(fā)電路

3 測試與應用

（1）在驗電器使用前首先應檢查其外觀是否良好，有無裂紋，保證其外觀完好，確保安全。

（2）其次，在真正投入使用之前應在家庭用電如白熾燈附近做實驗，保證其具備驗電的功能后到變電所或其他專業(yè)場所進行進一步的實驗。

（3）應選擇與所測高壓電電壓等級相一致的驗電器，以滿足絕緣要求。使用時工作人員應戴絕緣手套，禁止在雨雪等影響絕緣性能的環(huán)境下使用。

（4）驗電時，應從遠到近逐步靠近高壓設備或帶電線路。

（5）驗電器測量使用完畢后，應緩慢拿下，防止誤碰到高壓設備或帶電線路。

（6）在保管和運輸中，避免讓驗電器強烈振動或者受到猛烈撞擊，一旦調(diào)試完畢，禁止擅自調(diào)整拆裝。

4 結(jié)語

非接觸式高壓驗電器對于保障電力系統(tǒng)的安全運行具有重大的意義，本文結(jié)合驗電的工作原理對非接觸式高壓驗電器進行了研究與改進，借助于天線理論的發(fā)射與接收原理，給出了電力線附近工頻電場的“似穩(wěn)場”“準靜態(tài)場”“感應場”的等效處理，通過輸電線路麥克斯韋電磁場的近場區(qū)模型計算，給出電場強度的理論計算方法和計算公式。根據(jù)工頻電場的感應測量的原理、導體的靜電平衡現(xiàn)象和測量元件的設計，完成了工頻電場強度的測量。該方法和設計思路簡單易實現(xiàn)，檢測精度較高，使它的可靠性、穩(wěn)定性得到了較大提升，便于變電檢修工作實際應用。

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