電箱內(nèi)漏電檢測盒的研制

麥子穎 陳 爍 胡曉婧 涂傳英 程 順

（廣東電網(wǎng)有限責任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

目前，配網(wǎng)電表箱在安全方面存在一定的隱患，電表箱裝設(shè)于戶外、電桿、臺變和電房旁等處，所處位置環(huán)境較為復雜，大部分都處于一個行人比較容易靠近的地方。除此之外，有時候電表需要人工到達現(xiàn)場，進行抄表工作，或者是電表的消缺檢查作業(yè)，這樣作業(yè)人員就不可避免地需要觸碰、打開電表箱，如果電表箱漏電，毫不知情的路人或者是未按規(guī)程驗電后再作業(yè)的工作人員，就會面臨觸電受傷乃至身亡的風險，但是目前針對電表箱箱體、柜門等可觸碰的地方卻可能僅有一個“止步，高壓危險”這種警示牌或者標語，不足以讓行人、作業(yè)人員提高警惕，謹防漏電的危險。因此，設(shè)計一種裝設(shè)于電表箱內(nèi)部的漏電檢測盒，可以有效地檢測到電表箱箱體、外殼上的漏電壓大小是否已經(jīng)超過人體最大承受電壓，并及時地通過內(nèi)部的蜂鳴器發(fā)出告警的聲音，確保附近的人員能夠聽到告警聲，并迅速遠離，及時向供電所作出反饋；而作業(yè)人員在做好相應的防護措施前提下，才能靠近電表箱進行作業(yè)，從而防止人員誤觸碰帶電設(shè)備[1]。

當前，市面上還沒有應用于金屬電表箱內(nèi)的漏電檢測裝置，僅有與之相關(guān)或類似的技術(shù)：如具備漏電保護開關(guān)的電能表，但是漏電保護開關(guān)不能對箱體、外殼進行監(jiān)測、保護、告警；以及各個供電所里都會有配備蜂鳴式驗電棒，使用驗電棒接觸待測設(shè)備，確認蜂鳴器是否告警，以此判斷被測設(shè)備是否帶電；但是對于在電表箱附近經(jīng)過的人員來說，并不可能隨時配有驗電棒，因此還是不能起到直接的警示作用。

1 漏電情況

如果火線和電器機殼出現(xiàn)連接/連通情況，就會導致其和大地之間存在一定電位差，導致漏電；另外帶電導體如果出現(xiàn)破損情況，就可能會和非帶電體接觸，從而產(chǎn)生漏電[2]。漏電作為電箱中的一種常見的事故，包括短路性漏電、電容性漏電、靜電性漏電以及電阻性漏電等[3]。首先因電箱內(nèi)部存在一些輻射以及摩擦，可能還會引發(fā)靜電性漏電，如果這一過程中不能實現(xiàn)放電而造成靜電電壓積累，長期作用下可能產(chǎn)生電火花從而傷害人體。采用如圖1 所示的模型分析另外3 種漏電情況。

圖1 漏電模型中的R1表征電箱箱殼兒和帶電體之間的電阻，R2表征電箱箱殼兒和大地之間的絕緣電阻，R3表征人體電阻。另外C1表示電箱箱殼和內(nèi)部帶電體之間的分布電容，C2為機殼與大地之間的分布電容。電箱內(nèi)常見的漏電類型包括電容型漏電、電阻型漏電以及短路型漏電等[4]。

圖1 漏電模型

2 漏電檢測流程分析

漏電檢測整體的實現(xiàn)流程如圖2 所示。在漏電檢測的探測端子設(shè)計中需要根據(jù)實際情況進行，合理布置位置同時合理安排探測端子密度。在各個探測端子的協(xié)調(diào)配合下，實現(xiàn)電箱內(nèi)各點電位變化的檢測，每個探測點均需要采樣，同時這一過程需要按照一定頻率進行，另外采集到的各種信息首先需要在信號調(diào)理電路中進行處理，然后傳遞到AD 采樣輸入通道（微控制器）中。微控制器在得到相關(guān)的采集數(shù)據(jù)之后，需要進一步科學處理，最終得到每個探測點的相關(guān)數(shù)據(jù)并進一步分析，分析電位變化量的同時分析電位變化率，以這些參數(shù)來確定檢測位置和檢測區(qū)域的漏電情況。如果監(jiān)測分析得到的電位變化率呈現(xiàn)一致的特征，則判定電箱沒有出現(xiàn)漏電情況，剩余電流保護器不動作；同樣如果監(jiān)測分析得到的電位變化率不一致，則判定電箱區(qū)域漏電，然后進行分析和定位具體漏電點，如果檢測到的具體漏電電流變化量達到相應剩余電流保護器的動作閾值、需要進行動作，則斷開相應電路。

圖2 漏電檢測實現(xiàn)流程圖

3 應用于電箱內(nèi)的漏電檢測盒的設(shè)計

3.1 設(shè)計原理分析

為了規(guī)避金屬電表箱在出現(xiàn)漏電情況后的風險，在缺少告警的前提下，人員不小心直接觸碰到漏電的金屬電表箱；路人或者供電所人員不能及時發(fā)現(xiàn)漏電的情況，從而延誤消缺；防止出現(xiàn)行人意外接觸電表箱箱體而導致的人身傷亡事件、作業(yè)人員未驗電操作而引起的人身觸電事故的問題，應用于金屬電表箱內(nèi)的漏電檢測盒應運而生。

漏電檢測盒所設(shè)計的線路板電路圖，把漏電檢測盒安裝在電箱內(nèi)，2 條電源連接線和開關(guān)始終連接。當想要測試電箱內(nèi)電壓時，將一條測試線與地線相連，另一條連接另一個測試點。如果電箱內(nèi)的電壓超過36 V 安全電壓線路板將會給一個信號到喇叭，喇叭報警，圖3 為漏電檢測盒模型圖。

電路原理：當電箱內(nèi)漏電時，交變磁場通過檢測電路產(chǎn)生感應電勢，使導通的場效應晶體管VT1 變?yōu)榻刂梗琕T2導通，發(fā)光二極管LED 點亮，蜂鳴器兩端產(chǎn)生壓差從而發(fā)出聲音；當電箱內(nèi)沒有漏電時，電VT1 導通，使VT2 截止。

場效應晶體管VT1，采用的是N 溝道結(jié)型場效應晶體管3DJ6 型，晶體管VT2 用的是硅NPN 型低頻晶體管3DX201B，放大倍數(shù)大于100。發(fā)光二極管用平時透明、通電后發(fā)紅光的進口管，電源用AC_DC 模塊電源，其擁有可以直接安裝于金屬電表箱內(nèi)，所占用空間小、集成度高且可靠的優(yōu)點。

圖3 漏電檢測盒模型圖

3.2 具體設(shè)計方案

3.2.1 電流測量單元設(shè)計

作為電箱中檢測裝置的從機部分，電流測量單元能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸電纜中的負荷電流和剩余電流的有效測量，同時在這一過程中能夠結(jié)合實際情況進行手動切換。該文電箱內(nèi)的監(jiān)測裝置的設(shè)計采用鉗形表頭互感器（直徑6 cm，開口式），為保障準確測量，在導磁片外圍設(shè)置必要的特殊合金屏蔽罩。合金屏蔽罩設(shè)置的主要目的是實現(xiàn)外界磁場干擾的屏蔽，最終保證監(jiān)測到相關(guān)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確性。如果傳輸電纜中存在剩余電流，則監(jiān)測互感器中中性線和相線的電流會存在差異，出現(xiàn)交變磁場，同時在二次線圈中出現(xiàn)感應電動勢。然后進行該輸出信號的采集，并進行預處理，最終傳遞到MCU 中。

3.2.2 無線通信單元設(shè)計

無線通信單元作為整個設(shè)計中的主機，需要保證其能夠接收并發(fā)送超過30 m的從機數(shù)據(jù)信息以及執(zhí)行。因此，需要在從機和主機中分別設(shè)置相應的外置天線，通信方式選用FSK 雙向半雙工方式，為了保證通信正常，選用433 MHz的通用頻率以及<10 dBm 的發(fā)射功率。數(shù)據(jù)傳送中采用IIC總線，如果高電平時鐘信號出現(xiàn)則說明數(shù)據(jù)穩(wěn)定；如果低電平時鐘信號出現(xiàn)時，會導致高低電平發(fā)生變化。為了保障電箱內(nèi)漏電監(jiān)測裝置科學地工作，無線通信單元設(shè)計中的主機采用MCUSTM32F103RCT6，另外的主機設(shè)計中采用STM32F103RCT6。

3.2.3 圖顯及操作單元設(shè)計

為了實現(xiàn)電箱內(nèi)漏電監(jiān)測裝置的可視化，該文采用LCD 液晶顯示屏顯示相關(guān)監(jiān)測分析信息，其尺寸根據(jù)從機和主機的不同進行一定的區(qū)分，其中主機采用LCD 液晶屏，尺寸大約為10 cm；為了降低成本，從機采用OLCD 屏設(shè)計，并縮減其尺寸，大約為3.2 cm。主機中STM32F103RCT6 的鍵盤輸入采用20 個管腳，并且采用上拉輸入的方式進行。另外，在這一過程中一共設(shè)置了50 mA～500 mA 共計6 檔剩余電流超限告警值，在實際現(xiàn)場漏電監(jiān)測中能夠根據(jù)實際情況結(jié)合按鍵進行相應的設(shè)定和更改，另外，在使用中還能夠結(jié)合配套的無線接收主機設(shè)定更改相關(guān)檔位。通過圖顯及操作單元能夠?qū)崿F(xiàn)超限漏電情況的24 h 連續(xù)監(jiān)測，包括漏電量以及超限漏電次數(shù)，甚至漏電地點等，針對超限漏電問題還能夠給出相應的警告和預警信息指示。

3.2.4 供電單元設(shè)計

為了保證電箱內(nèi)漏電監(jiān)測裝置的實用性，該文設(shè)計中為其配備了可充電的高容量鋰電池，大大提高了其續(xù)航能力。并且在鋰電池的充電中選用TP4056 充電控制器，保證其4.2 V 的恒壓/恒流線性控制充電電壓，在外部電阻器的配合下實現(xiàn)充電電流的有效設(shè)置。在充電過程中如果浮充電壓后降至設(shè)定值的0.1 時，控制器會自動進行調(diào)節(jié)，有效停止檢測器充電。電壓在移除之后，集成電路經(jīng)過調(diào)節(jié)之后會進入低電流狀態(tài)，保證<2 μA 的漏電流。同樣利用分壓電阻在進行大電流充電過程中，能夠有效降低TP4056功耗，同樣在這一過程中通過科學合理的電路設(shè)置還能夠計算電池電壓如果電池電壓低于 3.4 V，MCU 將執(zhí)行關(guān)機操作，以免耗盡電池進而影響使用壽命。

4 電表箱內(nèi)的漏電檢測盒應用效果分析

4.1 應用流程簡介

通過以上設(shè)計的漏電檢測盒經(jīng)過試驗后，當測試線之間的電壓超過36 V 時，漏電檢測盒可靠告警，發(fā)出蜂鳴聲。在試驗合格后，將漏電檢測盒投入各試點中應用。在電箱內(nèi)裝置漏電檢測盒，在保留智能電表的保護功能的同時，通過告警裝置，發(fā)出聲音提醒路人、作業(yè)人員此電箱有危險，需要遠離，同時也方便群眾報障、檢修人員及時發(fā)現(xiàn)，并對其進行消缺。安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，安裝固定時使用漏電檢測盒背面4 個角上的雙面膠進行黏連，可以比較方便地固定在電箱內(nèi)部，不需要考慮在電箱上設(shè)置專門的位置放置，安裝兼容性較高。漏電檢測盒運行使用電箱內(nèi)部的電源，通過交直流變換模塊，直接為電路板供電，不需要外接電源。

4.2 應用效果分析

當漏電檢測盒試驗合格，供電所將其安裝應用于電箱后，經(jīng)過一段時間的觀察，發(fā)現(xiàn)漏電檢測盒不僅能夠有效提高用電臺區(qū)的節(jié)能減損工作，而且通過漏電監(jiān)測裝置的引入，還可以及時發(fā)現(xiàn)了解漏電情況，并對漏電位置進行實時定位，實現(xiàn)臺區(qū)和電箱漏電的科學、高效排查。圖4為漏電檢測盒現(xiàn)場安裝圖片。

供電所通過開展電箱漏電監(jiān)測的工作，有效提高了電箱安全用電管理水平。通過科學合理的漏電監(jiān)測，能夠有效發(fā)現(xiàn)電箱內(nèi)的漏電問題以及漏電安全隱患問題，并可以對此進行針對性的處理，同時結(jié)合監(jiān)測情況進行科學檢查、科學宣傳，最終有效提高了電箱安全用電管理水平。

圖4 漏電檢測盒現(xiàn)場安裝

5 結(jié)語

該文介紹了一種漏電檢測的方法，提出了一種新型典型內(nèi)漏電監(jiān)測儀器設(shè)計方案，提高了檢測的準確性。漏電檢測盒在檢測到漏電壓時，通過蜂鳴器進行告警，使附近人員直觀地意識到電表箱存在漏電危險，及時遠離，避免受到傷害；同時，漏電檢測盒的告警聲也有利于路人向供電所人員進行反饋，從而及時進行消缺。此外，對于某些位于金屬電表箱內(nèi)，需要人工進行抄表的，可以有效防止抄表人員因為各種原因忽略驗電，從而產(chǎn)生的觸電風險。