蘇華，金立我，黃俊杰，張新寶

(1.國(guó)網(wǎng)常州供電公司，江蘇常州，213000；2.武漢科迪奧電力科技有限公司，湖北武漢，430000)

0 引言

驗(yàn)電器是用于檢測(cè)高壓設(shè)備、架空線路、電纜線路等是否帶電的檢測(cè)裝置。目前多數(shù)10kV電壓等級(jí)的驗(yàn)電器主要為電容式驗(yàn)電器,具有體積小、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，但使用時(shí)需直接接觸裸露的金屬導(dǎo)線，存在一定安全隱患。本文設(shè)計(jì)一種220V/10kV非接觸式驗(yàn)電裝置，該裝置集成220V和10kV兩個(gè)電壓等級(jí)的驗(yàn)電功能，通過(guò)檔位調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)進(jìn)行不同電壓等級(jí)切換。作業(yè)人員無(wú)需攜帶多個(gè)不同電壓等級(jí)的驗(yàn)電器,為線路不停電作業(yè)工作帶來(lái)很大便利。

1 整體方案設(shè)計(jì)

圖1為本驗(yàn)電裝置的設(shè)計(jì)框圖，其主要構(gòu)成有：電場(chǎng)傳感器探頭、信號(hào)處理電路、電源模塊及報(bào)警燈、蜂鳴器等。電場(chǎng)傳感器探頭用于探測(cè)帶電設(shè)備附近的工頻電場(chǎng)，并輸出相關(guān)的雙路差分電壓信號(hào)，分壓電路接收雙路差分電壓信號(hào)并進(jìn)行限流降壓處理，差分放大電路將限流降壓處理后的雙路差分電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成新的電壓信號(hào)，濾波電路從新的電壓信號(hào)中提取工頻電壓信號(hào)并消除其中的直流分量和諧波分量，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集并傳輸工頻電壓信號(hào)至微控制器，對(duì)工頻信號(hào)進(jìn)行幅值提取、電壓電場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及閾值判斷，電場(chǎng)信號(hào)幅值大于或等于所述閾值時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)，功率放大電路放大報(bào)警信號(hào)并控制報(bào)警燈、蜂鳴器工作，進(jìn)行聲光提示。檔位調(diào)節(jié)電路通過(guò)選定檔位控制電源的開(kāi)關(guān)、自檢或測(cè)試的進(jìn)行。

圖1 驗(yàn)電裝置設(shè)計(jì)框圖

2 電場(chǎng)傳感器探頭設(shè)計(jì)

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常用的電場(chǎng)傳感器有旋葉式、光纖式及電容式等，旋葉結(jié)構(gòu)可對(duì)軸向和徑向電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，但功耗較高，難以滿足連續(xù)工作的需求；光纖式電場(chǎng)傳感器抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)精度高，但體積較大，且價(jià)格昂貴；電容式電場(chǎng)傳感器多為平板型、盒型結(jié)構(gòu)，由于邊緣效應(yīng)，極板的邊緣處會(huì)聚集電荷，造成極板周?chē)妶?chǎng)畸變較大，從而影響傳感器精度。

本文提出一種雙球殼結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)傳感器，主要由內(nèi)球殼、外球殼以及填充介質(zhì)組成。外球殼為兩個(gè)不銹鋼材質(zhì)的半球殼通過(guò)導(dǎo)電材料焊接形成；在外球殼和內(nèi)球殼之間填充橡膠材質(zhì)的填充介質(zhì)，形成感應(yīng)球頭。當(dāng)感應(yīng)球頭置于電場(chǎng)區(qū)域中時(shí)，將在電極上積聚微小的電荷，從而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，經(jīng)對(duì)感應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算可得到被測(cè)電場(chǎng)大小。電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 傳感器的測(cè)量原理

當(dāng)雙球殼結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)傳感器置于待測(cè)電場(chǎng)E中時(shí)，傳感器外球殼的上半球面和下半球面為傳感器的兩個(gè)電極，設(shè)傳感器圓心A所在的位置為待測(cè)點(diǎn)，傳感器放入電場(chǎng)前該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為EA，當(dāng)把傳感器放入電場(chǎng)中A點(diǎn)之后，由于存在開(kāi)孔，外球殼無(wú)法完全屏蔽電場(chǎng)，在靜電感應(yīng)的作用下，傳感器兩半球殼的外表面上產(chǎn)生感應(yīng)電荷。

設(shè)上半球殼表面積為S，球殼外表面的面電荷密度為σ，則半球殼的感應(yīng)電荷量為:

球型傳感器放入電場(chǎng)后，球殼上的表面電荷量Q與球心處的電場(chǎng)強(qiáng)度EA成正比:

其中，K為比例系數(shù)。傳感器電容為：

其中，ε為絕緣介質(zhì)介電常數(shù)，a、b為內(nèi)、外球殼半徑。

感應(yīng)電荷將在內(nèi)外球殼間產(chǎn)生一個(gè)微小的電壓:

結(jié)合上式可得:U=KE（Ab-a）/4πεab。

電場(chǎng)傳感器感應(yīng)電壓U與電場(chǎng)強(qiáng)度EA成正比，因此，可通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電壓計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而判斷待測(cè)設(shè)備帶電狀態(tài)。當(dāng)其測(cè)量感應(yīng)電壓大于驗(yàn)電器設(shè)定的閥值電壓時(shí)，驗(yàn)電器發(fā)出報(bào)警提示，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)電。

3 裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的非接觸式驗(yàn)電裝置可用于220V/10kV線路絕緣導(dǎo)線或裸導(dǎo)線的非接觸式帶電檢測(cè)，當(dāng)被測(cè)部件周?chē)嬖陔妶?chǎng)，指示燈和蜂鳴器發(fā)出連續(xù)的聲光信號(hào)時(shí)，指示物體帶電。裝置組成包括：外筒，感應(yīng)球頭、主板、電池倉(cāng)、蜂鳴器、底座等。外筒的一側(cè)設(shè)置有開(kāi)關(guān)，用作電壓擋位調(diào)節(jié)和自檢檔位選擇；外筒的頂部連接有感應(yīng)球頭（外部安裝自檢罩、外罩）與燈板（外部安裝環(huán)形燈罩、透光板）；外筒的內(nèi)腔安裝有主板支撐座、主板蓋、電池倉(cāng)、蜂鳴器；外筒的底部安裝有底座，底座的下側(cè)有連接絕緣伸縮桿的螺紋接口，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 PCB整體電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)PCB板如圖4，設(shè)計(jì)時(shí)主要采用了以下幾點(diǎn)來(lái)增加系統(tǒng)抗電磁干擾能力:（1）將數(shù)字電路信號(hào)、模擬電路信號(hào)和有大噪聲產(chǎn)生的電路盡可能的分開(kāi)，減少信號(hào)耦合。（2）布線盡量為垂直方向，盡量減小走線的長(zhǎng)度和器件引腳的彎折。（3）在電源電路中跨接去耦電容，以降低電源噪聲干擾。（4）電路板外的引線采用具有屏蔽效果的屏蔽線。

圖4 電路板設(shè)計(jì)

3.3 使用步驟設(shè)計(jì)

使用本裝置進(jìn)行驗(yàn)電操作時(shí)，首先取下外罩將開(kāi)關(guān)切換至“220V”檔位，然后將自檢罩在衣物上快速摩擦，若環(huán)形燈板與蜂鳴器發(fā)出間歇性聲光報(bào)警提示則表示通過(guò)自檢操作，可通過(guò)開(kāi)關(guān)“220V/10kV”檔位的切換進(jìn)行相應(yīng)電壓等級(jí)的驗(yàn)電操作。操作步驟如圖5所示。

圖5 裝置操作流程

3.4 測(cè)試及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的非接觸式驗(yàn)電器的可行性,在實(shí)驗(yàn)室中使用高壓發(fā)生器模擬10kV高壓線路,將研制的驗(yàn)電裝置靠近高壓線路，距離在0～80cm之間變化，對(duì)導(dǎo)線帶電狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和圖6所示。

圖6 模擬測(cè)試場(chǎng)景

表1 10kV模擬導(dǎo)線實(shí)驗(yàn)電場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

35 0.23×104 40 0.22×104 45 0.21×104 50 0.2×104 55 0.2×104 60 0.18×104 65 0.17×104 70 0.16×104 75 0.14×104 80 0.12×104

由圖7可知，電場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離的增大而減小，在0-20cm距離區(qū)間內(nèi)，隨著距離的增大電場(chǎng)衰減趨勢(shì)較為明顯，此后隨著距離繼續(xù)增加，電場(chǎng)保持平穩(wěn)緩慢的下降直至接近于零。因此，推斷可利用電場(chǎng)傳感器在離帶電體0-20cm距離范圍內(nèi)進(jìn)行非接觸式驗(yàn)電，根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)的變化規(guī)律設(shè)置報(bào)警電壓參數(shù)以及各距離下的報(bào)警頻率，通過(guò)檢測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)度，并結(jié)合距離的關(guān)系來(lái)判斷待測(cè)設(shè)備帶電狀態(tài)。

圖7 10kV模擬導(dǎo)線電場(chǎng)分布曲線

繼續(xù)進(jìn)行實(shí)際線路的裝置測(cè)試，根據(jù)模擬場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，設(shè)置20cm處電場(chǎng)強(qiáng)度為報(bào)警閾值，選取220V/10kV線路為測(cè)試目標(biāo)，將所設(shè)計(jì)的驗(yàn)電裝置與導(dǎo)線距離在0-20cm變化 ,對(duì)導(dǎo)線帶電狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)報(bào)警次數(shù)統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證裝置的可靠性，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖8 裝置真實(shí)線路測(cè)試場(chǎng)景

表2 220V/10kV線路驗(yàn)電報(bào)警情況統(tǒng)計(jì)

50 50 100%5 50 49 98%10 50 50 100%15 50 49 98%20 50 48 96%0 10

表2結(jié)果表明，本驗(yàn)電裝置在在20cm檢測(cè)范圍內(nèi)能保持較好的檢測(cè)效果，且測(cè)試距離越近，驗(yàn)電效果越好。因此可以設(shè)置一個(gè)合理的報(bào)警閾值，根據(jù)電力安規(guī)要求的安全距離，盡量選擇靠近待測(cè)物的位置進(jìn)行驗(yàn)電操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前驗(yàn)電作業(yè)存在的一些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種220V/10kV非接觸式驗(yàn)電裝置。研制的樣機(jī)，在模擬環(huán)境和實(shí)際線路上的測(cè)試結(jié)果表明：本驗(yàn)電器在0～20cm的非接觸距離內(nèi)，具有優(yōu)良的驗(yàn)電效果；本設(shè)計(jì)也可為其他更高電壓等級(jí)的驗(yàn)電器設(shè)計(jì)提供參考。