王曉輝 吳 斌 戴 明 孫忠文 姬聯(lián)合

一種帶電報警型接地線的研究與設(shè)計

王曉輝 吳 斌 戴 明 孫忠文 姬聯(lián)合

（國網(wǎng)徐州供電公司，江蘇徐州 221000）

為減少裝設(shè)接地線時人力投入，避免帶電裝設(shè)接地線的惡性操作事故發(fā)生，保證人身和設(shè)備的安全運行，本文研究與設(shè)計一種帶電報警型接地線。根據(jù)接地線接頭間的尺寸，設(shè)計了帶濾波功能、抗電磁干擾功能的近電感應(yīng)器，并對其他模塊進行選型。試驗以及試用結(jié)果證明，本裝置能可靠的在帶電設(shè)備安全距離外發(fā)出報警信號，并有效減少裝設(shè)接地線時的人力投入。

近電感應(yīng)器；接地線；人力投入

隨著電力負荷多樣化的發(fā)展，10kV饋電線路多采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)供電方式，而分布式電源的廣泛應(yīng)用使得環(huán)網(wǎng)接線線路反送電的概率極大增加[1-2]?！秶译娋W(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程》：“驗電時，應(yīng)使用相應(yīng)電壓等級而且合格的接觸式驗電器，在裝設(shè)接地線或合接地刀閘（裝置）處對各相分別驗電。驗電前，應(yīng)先在有電設(shè)備上進行試驗，確證驗電器良好?！盵3]為了防止在驗電后裝設(shè)接地線過程中線路突然來電，操作人員就必須由兩人增加為3人，1人裝設(shè)接地線，1人監(jiān)護，另外1個手持驗電器對線路持續(xù)驗電。

本文提出一種報警型接地線設(shè)計方案，使接地線具備近電報警器的功能，從而在裝設(shè)接地線的過程中由3人減為2人。本文對裝置結(jié)構(gòu)、模塊選型、工作原理以及保護電路進行研究討論和現(xiàn)場實驗，根據(jù)實驗結(jié)果分析報警型接地線的可行性、穩(wěn)定性，設(shè)計出一種實用性強、穩(wěn)定性高的報警型接 地線。

1 裝置結(jié)構(gòu)及模塊化設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了能保證近電驗電器的靈敏度，所以將近電驗電器安裝在接地線的頭部，根據(jù)接地線接頭間的尺寸，利用AutoCAD 2015，設(shè)計面板圖，如圖1所示。同樣，根據(jù)近電報警器尺寸和安裝位置，在地線接頭上開出=2.5mm的圓孔、=1mm的絲孔和厚度=1mm的凹槽，如圖2所示。

圖1 面板圖

圖2 地線接頭開孔實圖

對開孔后的地線接頭進行測試，電阻值基本不變，模擬裝設(shè)接地線，其機械強度能夠滿足工作 需求。

1.2 模塊化設(shè)計

本次設(shè)計的近電感應(yīng)器分為4個模塊，分別為感應(yīng)模塊、電壓比較模塊、報警模塊以及電源模塊，如圖3所示。感應(yīng)模塊根據(jù)交流線路的感應(yīng)電場，將采集到的信號經(jīng)過濾波電路、抗電磁干擾電路以及分壓電路傳輸?shù)诫妷罕容^模塊，如果高于設(shè)定值，報警模塊就發(fā)出報警信號。

圖3 近電感應(yīng)器模塊化設(shè)計

感應(yīng)模塊采用天線與濾波電路以及抗電磁干擾電路串聯(lián)的方式，從而對工頻信號進行采集。電壓比較模塊采用IC集成電路，技術(shù)成熟，體積小，靈活性強。報警模塊采用5V有源蜂鳴器實現(xiàn)報警功能。考慮到帶電報警型接地線采用了側(cè)面鑲嵌式結(jié)構(gòu)方案，由于紐扣電池具有體積小，便于安裝的特點，所以電源模塊選用鋅銀扣式電池[4]。

2 非接觸驗電器工作原理

2.1 驗電器原理圖設(shè)計

本次設(shè)計采用ICL7665電源監(jiān)控模塊，上下閥值通過電阻來設(shè)置，ICL7665具有精確的內(nèi)部基準比較，輸出電流吸入能力高[5-6]，其原理如圖4所示。

1）當SET2＞1.3V時，OUT2開關(guān)關(guān)閉，HYST2開關(guān)打開，OUT2點為高電壓。

2）當SET2＜1.3V時，OUT2開關(guān)打開，HYST2開關(guān)關(guān)閉，OUT2點為低電壓。

圖4 近電感應(yīng)器原理圖

3）當按下S1時，CC為5V，由于1+2+5遠大于41+42，所以SET2＞1.3V，OUT2點為高電壓。

4）當J1感應(yīng)到交流線路的電壓時，根據(jù)分壓原理，設(shè)置500kW大小來調(diào)節(jié)SET2的電壓，使SET2＞1.3V。

2.2 濾波電路設(shè)計

圖5所示為有源的二階帶通濾波器，它是一個負反饋濾波器，使用一個運算放大器，單電源供。根據(jù)調(diào)節(jié)參數(shù)，可以使上、下限截止頻率非常接近，可以達到工頻的頻率選擇性，非常適用于近電驗電器。令1=2=3=1mF，eq=1//2。品質(zhì)因數(shù)等于中心頻率除以帶寬，如式（3）所示。由式可以看出，可以通過讓3＞＞eq來獲得理想的值。值越大，頻率選擇性越好，帶寬越小。

圖5 帶通濾波器電路

其中：

（2）

（3）

根據(jù)我國電能質(zhì)量的要求，頻率范圍為

本濾波器可以通過的頻率范圍為

可見，符合設(shè)計要求。

2.3 抗電磁干擾設(shè)計

1）浪涌

浪涌是間接雷擊所產(chǎn)生的大電流以及電源系統(tǒng)切換產(chǎn)生的干擾、附近設(shè)備大型開關(guān)跳動的干擾、各種系統(tǒng)性故障等。

模擬電壓：共模4kV（4級），差模2kV（4級）。

模擬波形：1.2/50ms，使模擬雷擊時線纜上產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓的波形，如圖6所示，將從1.2ms開始持續(xù)50ms的電壓波形加載到各線路上對線路進行測試。

圖6 1.2/50ms過電壓脈沖波形

針對浪涌實驗的技術(shù)特性，應(yīng)作出相應(yīng)的過壓保護，在浪涌信號瞬間加在輸出和信號端口時，在端口內(nèi)應(yīng)有保護器件，可以在納秒時間內(nèi)對電壓進行吸收或者鉗位。解決方案如下。

（1）壓敏電阻。壓敏電阻的工作原理主要是根據(jù)電壓的大小相應(yīng)的改變阻值的大小，在電壓大于限定值時，壓敏電阻將起到分壓作用，可以對輸入電壓進行有效的鉗位，在電壓低于限定值時，壓敏電阻則不導(dǎo)電[7]。

優(yōu)點：響應(yīng)時間比較快（小于等于25ns）。

缺點：使用壽命較短，能承受浪涌的次數(shù)較少。

（2）瞬態(tài)抑制二極管。這是一種二極管形式的保護過電壓的元器件，當保護區(qū)域受到大電壓或者大電流的時候，可以將保護的端口的輸入高阻抗變?yōu)榈妥杩梗梢晕諑浊吖β实睦擞坎ㄐ巍?/p>

優(yōu)點：向應(yīng)時間非?？欤ㄐ∮诘扔?ns）。

缺點：通常用于DC電路，耐流能力比較差。

可以將壓敏電阻和TVS管的性能總結(jié)為表1。

表1 壓敏電阻和TVS特性表

當流過的過電流太大時，壓敏電阻有可能會應(yīng)為被擊穿而失效，而TVS的通流量在限壓型保護器中是最小的，適用于直流電源處。從表1可以看出，兩種電路保護器件的特性可以互補，所以本次設(shè)計在需要進行浪涌實驗的輸入輸出口，壓敏電阻和TVS管將共同對電路進行兩級保護。

2）脈沖磁場

閃電、接地故障以及機械開關(guān)對點感性負載的切換，通常會對系統(tǒng)中的電路產(chǎn)生瞬時擾動，它們共同點有：脈沖成群出現(xiàn)、脈沖的重復(fù)率較高、脈沖波形的上升時間短暫、單個秒沖的能量較低，會使設(shè)備產(chǎn)生誤動作[8]。本控制終端需要通過脈沖磁場試驗，內(nèi)容如下。

脈沖群干擾為共模性質(zhì)，通過容性的耦合加入設(shè)備，相當于通過一個高通濾波器，只有高頻信號就可以進入設(shè)備，所以要對高頻信號進行處理，本控制終端電路設(shè)計時，將有可能通過高頻信號的電路串聯(lián)共模電感，作用有兩點：

（1）電感本身的特性可以衰減掉一些高頻干擾成分。

（2）耦合電容和共模電感產(chǎn)生串聯(lián)諧振，若，增大，則減小，這樣可以抑制頻率比較低的脈沖群信號干擾；若減小，則增大，這樣就可以抑制頻率比較搞的脈沖群信號干擾。

3）保護電路

如圖7所示，信號輸入端并聯(lián)一個TVS管和一個壓敏電阻，在壓敏電阻與TVS管之間串聯(lián)兩個共模電感，作為近電感應(yīng)器的保護電路，從而限制浪涌以及脈沖群的影響。

圖7 抗電磁干擾電路

3 現(xiàn)場實驗及結(jié)果分析

3.1 近電感應(yīng)器試驗

本次研究與設(shè)計的帶電報警型接地線的整體組裝實物圖如圖8所示，在變內(nèi)將帶電報警型接地線在相應(yīng)電壓等級安全距離范圍內(nèi)做報警試驗，試驗結(jié)果見表2，其報警距離均大于《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程》規(guī)定的“設(shè)備不停電的安全距離”，而且成功率為100%，因此滿足線路突然來電在安全距離內(nèi)的報警功能需求。

圖8 整體組裝實物圖

表2 試驗結(jié)果

3.2 帶電報警型接地線試用

帶電報警型接地線首先在國網(wǎng)徐州供電公司變電運維室劉灣運維班進行試用，試用期間，共裝設(shè)了20次接地線，試用結(jié)果見表3。

由表3可知，在裝設(shè)接地線過程中，能夠一人監(jiān)護，一人完成裝設(shè)接地線的工作，省去一人同時持驗電器持續(xù)驗電的工作量；而且在裝設(shè)接地線過程中成功發(fā)現(xiàn)35kV黃張線線路反送電，避免了可能發(fā)生的人身和設(shè)備事故。

4 結(jié)論

本次研究設(shè)計的帶電報警型接地線，在保證操作安全的前提下，成功將驗電、裝設(shè)接地線操作從3人恢復(fù)至2人，減少了人力投入。原操作模式每次投入人數(shù)為3人；新操作模式每次投入人數(shù)2人。原操作模式總?cè)肆ν度?3人×20次=60人·次，新操作模式總?cè)肆ν度?2人×20次=40人·次，試用期內(nèi)共減少人力投入：20人·次。

表3 裝設(shè)接地線情況統(tǒng)計表

帶電報警型接地線具備線路突然來電時報警功能。當出現(xiàn)線路反送電時，向操作人員二次提醒，使其及時發(fā)現(xiàn)線路帶電，有效避免帶電裝設(shè)接地線的惡性操作事故發(fā)生，從而保證了人身和設(shè)備的安全運行。

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Research and Design of a Kind of Grounding Line with Power-alarm

Wang Xiaohui Wu Bin Dai Ming Sun Zhongwen Ji Lianhe

(State Grid Xuzhou Power Supply Company, Xuzhou, Jiangsu 221000)

In order to reduce the manpower input to install the grounding wire, to avoid the malignant operation accident of installation grounding wire in the case of electricity and to ensure the safe operation of the personal and equipment, this paper studies and designs a kind of ground wire for power-alarm. According to the size of the grounding line joint, a power-alarm with filtering function and anti-electromagnetic interference function is designed, with other modules being matched. The test and the results show that the device can reliably send out alarm signals outside the safe distance of the charged equipment, and effectively reduce the manpower input when the grounding wire is installed.

power-alarm; grounding line; manpower input

王曉輝（1990-），男，江蘇徐州人，工學碩士，助理工程師，從事變電站運維檢修工作。