吸附式光電耦合漏電警示裝置的研究與應(yīng)用

任杰 李志豪 王家云 葉俊 孫思航 云南省電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局

如今電能被廣泛應(yīng)用在照明、動(dòng)力、化學(xué)、通信、廣播、紡織等諸多領(lǐng)域，是當(dāng)今經(jīng)濟(jì)飛躍、科技發(fā)展和人民生活水平提高的主要?jiǎng)恿?。發(fā)電、變電、輸電、配電和用電五個(gè)環(huán)節(jié)組成了電能生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)即電力系統(tǒng)[1]。其中配電是指電力系統(tǒng)中直接與用戶相連并向用戶分配電能的環(huán)節(jié)。因此配電設(shè)備如遇漏電，對(duì)電力運(yùn)行、檢修人員和可能接觸配電設(shè)備的人員存在重大安全隱患。當(dāng)電氣設(shè)備的金屬外殼與內(nèi)部帶電部件之間的絕緣失效時(shí)，如果電氣設(shè)備的金屬外殼未接地，則其對(duì)大地將有較高的電勢(shì)，一旦人體觸碰極易形成對(duì)地回路，電流經(jīng)人體流入大地，造成人員傷亡事故。當(dāng)人的身體直接接觸到電流時(shí)，電流會(huì)通過(guò)人的身體與大地構(gòu)成回路，流經(jīng)人體的電流為幾毫安至幾百毫安，如果沒(méi)有精確的檢測(cè)設(shè)備，這部分電流很難檢測(cè)得到，甚至帶漏電保護(hù)的產(chǎn)品也無(wú)法動(dòng)作。因此，研究一種漏電警示裝置，能降低作業(yè)人員工作的風(fēng)險(xiǎn)，保障作業(yè)人員的安全[2]，是一項(xiàng)值得研究和推廣的技術(shù)。

一、裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

（一）裝置結(jié)構(gòu)

吸附式漏電警示裝置主要由光電耦合器、電磁鐵和導(dǎo)線組成，為一種簡(jiǎn)易便攜的漏電警示裝置。其原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 中的電氣裝置為：①光電耦合器（Optical Coupler）；②電磁鐵。

圖1 吸附式漏電警示裝置電路圖

（二）光電耦合器工作原理

1.發(fā)光二極管、光敏（光電）二極管、光敏三極管

發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode）是一種新型固態(tài)冷光源，發(fā)光二極管具有效能高、使用壽命較長(zhǎng)、工作電壓較低、體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、抗震性能好以及光譜全彩等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛的應(yīng)用。1962年第一批發(fā)光二極管就誕生了，當(dāng)時(shí)的發(fā)光二極管僅僅能發(fā)出紅光，之后發(fā)展出其他單色光的版本，時(shí)至今日能發(fā)出的光已遍及可見(jiàn)光、紅外線及紫外線。發(fā)光二極管具有發(fā)光亮度高、產(chǎn)生的熱量低、使用壽命較長(zhǎng)、安全并且可以回收再利用等突出的優(yōu)點(diǎn)。

光敏二極管（Photodiode）是一個(gè)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的半導(dǎo)體器件。光敏二極管的工作原理實(shí)際上等同于光敏電阻，因此光敏二極管可以非常敏銳的捕捉到光照強(qiáng)度的變化。由于光敏二極管的核心部分即管芯是具有光敏特征且具有單項(xiàng)導(dǎo)電性的P—N 結(jié)，因此外部光照的強(qiáng)弱可以改變電路中電流的大小。為了使光敏二極管更便于接收外部光照，其P—N 截面積會(huì)盡量做的大一些，而電極的面積會(huì)盡量做的小一些，并且P—N 結(jié)深很淺，一般P—N 結(jié)深度會(huì)小于1μm。

光敏三極管（Phototransistor）是一種與常見(jiàn)三極管類似的電子元件，因此也具有電流（Current）放大作用。與普通三級(jí)管不同的地方是它的集電極電流在受基極電路、電流控制的同時(shí)也受到光輻射的控制。光敏三極管通常又被稱作光電三極管，是一種進(jìn)行光——電轉(zhuǎn)換的元件。光敏三極管的基本原理是：當(dāng)有光照到PN 結(jié)上時(shí)，其吸收光的能量并將之轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。常?jiàn)光敏三極管的工作狀態(tài)是：給光敏三極管加上反向電壓，此時(shí)元件中的反向電流會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，隨著關(guān)照強(qiáng)度的減弱而減小。

2.光電耦合器

光電耦合器（Optical Coupler）是一種可以實(shí)現(xiàn)電—光—電轉(zhuǎn)換的元件，其可以傳輸電信號(hào)的媒介是光電。光電耦合器由兩部分組成即發(fā)光源與受光器。在同一個(gè)密閉的外殼內(nèi)組裝上發(fā)光源和受光器兩個(gè)部并用透明的絕緣體將兩個(gè)部件隔離。光電耦合器的輸入端為發(fā)光源的引腳，常見(jiàn)的發(fā)光源為發(fā)光二極管，光電耦合器的輸出端為受光器的引腳，光敏二極管、三極管均常常被用作受光器，綜上所述，光電耦合器的輸入電路與輸出電路的電器元件之間是相互隔離的，加之電信號(hào)在傳播時(shí)具有單項(xiàng)性等優(yōu)點(diǎn)，因此光電耦合器具有良好的電絕緣能力和抗電磁波干擾能力。在光電耦合器的輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電—光—電的轉(zhuǎn)換[3]。

光電耦合器具有眾多優(yōu)點(diǎn)，例如：可以單向傳輸信號(hào)、輸入端與輸出端之間相互絕緣、抗電磁波干擾能力強(qiáng)、器件體積小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛使用。[4][5]

（三）吸附式光電耦合漏電警示裝置的研究與應(yīng)用

如圖1 所示，這是一個(gè)小巧的吸附式漏電警示裝置，將之吸附于在電力設(shè)備本體（箱式變電站、戶外開(kāi)關(guān)站）的柜門上，當(dāng)發(fā)生電力設(shè)備本體漏電的情況，柜門上電流的變化使穿過(guò)該警示裝置閉合電路的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流將流過(guò)吸附式漏電警示裝置中的光電耦合器，光電耦合器內(nèi)部的二極管將發(fā)光，起到警示該電力設(shè)備漏電的作用[6][7]。

二、吸附式光電耦合漏電警示裝置的運(yùn)用與推廣前景

當(dāng)人體直接觸電時(shí)，電流通過(guò)人體與大地構(gòu)成回路，流經(jīng)人體的電流為幾毫安至幾百毫安，如果沒(méi)有精確的檢測(cè)設(shè)備，這部分電流很難檢測(cè)得到，甚至帶漏電保護(hù)的產(chǎn)品也無(wú)法動(dòng)作。一款安裝靈活便捷，造價(jià)低，便于全面推行的電氣設(shè)備柜體漏電警示裝置正在被電力行業(yè)所需要。本文通過(guò)對(duì)10kV戶外開(kāi)關(guān)站漏電可能性的研究，采用模擬柜體帶電的方法，簡(jiǎn)化模型，通過(guò)柜體帶電取得電源，通過(guò)一種吸附式帶電警示裝置轉(zhuǎn)換為物理狀態(tài)轉(zhuǎn)換，對(duì)電力設(shè)備柜體是否帶電做出警示，從而低作業(yè)人員工作的風(fēng)險(xiǎn)，保障作業(yè)人員的安全[8]。

（1）吸附式光電耦合漏電警示裝置能檢測(cè)電氣設(shè)備外殼箱體的漏電情況，彌補(bǔ)現(xiàn)有電力設(shè)備本體漏電情況下的預(yù)警功能缺失的問(wèn)題，通過(guò)光電耦合器發(fā)光對(duì)電力設(shè)備柜體是否帶電提出預(yù)警，保障作業(yè)人員的生命安全。

（2）吸附式光電耦合漏電警示裝置使用磁鐵吸附于各式電氣設(shè)備金屬箱體外殼處，安裝便捷，避免大規(guī)模的電氣設(shè)備箱體改造，警示效果突出，所有電氣表柜中均能有效運(yùn)用，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的漏電檢測(cè)警示裝置，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益與推廣前景。