高压输电线路带电指示器的研究与设计

张永康

0 引言

在电缆分支箱、箱式变压器及环网柜等全绝缘设备中，由于各个带电部件都是全绝缘的，无法直接判断线路是否带电，同时对于架空高压输电线路，由于架设距离较高，且电压等级较高也无法直接判断线路是否带电，为了对上述设备是否带电进行准确判断，本文提出一种基于场强法的高压输电线路带电指示器，可以广泛地应用于室内和室外电压等级为10～500 kV电气设备上，以翻牌形式显示出高压设备带电运行状况，可有效防止误触电、带电挂地线等引起的人身、设备和电力系统停电事故，对电力系统的安全可靠运行具有重要意义。

1 高压输电线路带电指示器设计原理

1.1 从高压输电线路上间接获取电压信号

1.1.1 工频电场计算原理[1～5]

本文主要研究工频交变电场，频率为 50（或60）Hz，其波长远大于所研究场域的几何尺寸，故可以用静电场的一般概念来分析。关于输电线路及附近工频电场的算法，根据“国际大电网会议第36.01工作组”推荐的方法，一般采用以镜像法为理论基础的等效电荷法计算高压送电线下空间工频电场强度。

高压输电线的电场计算采用等效电荷法，高压输电线路上的等效电荷是线电荷，由于高压输电线半径r远远小于架设高度h，所以等效电荷的位置可以认为是在送电导线的几何中心。下文假设输电线路为无限长并平行于地面，且把地面视为良导体，研究计算单位长度导线上的电荷。

1.1.2 单位长度导线上等效电荷的计算

设输电线路为无限长且与地面平行，地面可视为良导体，利用镜像法计算输电线上的等效电荷。为了计算多导线线路中导线的等效电荷，采用麦克斯韦电位系数法计算，可列出下列矩阵方程：

式中，[U]为各导线对地电压单列矩阵；[Q]为各导线上等效电荷单列矩阵；[λ]为各导线自电位系数和互电位系数组成的n阶方阵（n为导线数目）。

[U]矩阵可由输电线的电压和相位确定，以额定电压作为计算电压，由三相线间电压可计算各导线对地电压为。矩阵[λ]可以由镜像原理求得。地面为电位等于零的平面，地面的感应电荷可由对应地面导线的镜像电荷代替，用i，j…表示相互平行的实际导线，用i′，j′…表示它的镜像，如图1所示。

图1 电位系数计算图

电位系数可写为

式中，ε0为空气介电常数，

Ri为送电导线半径，对于分裂导线可以用等效的单根导线代替，Ri计算式为

式中，R为分裂导线半径（图2）；n为次导线根数；r为次导线半径。

图2 等效半径计算图

由[U]和[λ]矩阵，利用式（1）即可解出[Q]矩阵：

由于交流电压随时间不断变化，根据上述原理就会产生变化的电荷，变化的电荷就会产生电流。对于已知的固定排列的三相或多相输电线，[U]和[λ]（[τ]）均为定值，理论上[Q]也为定常值，电位系数[λ]的逆阵[τ]，即为空间某点导体与高压导线之间的电容量。

1.1.3 电场和电压信号的获取电路

当电极与高压输电线路接触时，电极与输电线路之间就可以等效为一电容，如图3所示，利用电容的分压特性在电容C两端可以获得与输电线路电压成分完全一致的电压信号，将该信号送到信号处理电路处理后，就可作为输电线路是否存在电压的判据。

图3 电场耦合式电压信号采集电路图

1.2 从高压输电线路上间接获取电能

当高压输电线路上有较大电流通过时，在其周围就会耦合出磁场，这样使输电线路穿过截面较小的电流互感器（下文简称CT），利用铁心的磁饱和特性可以得到较为稳定的直流电压，这就是该电源设计的理论依据。小CT取电即从高压母线上感应得到交流电能，然后经整流、滤波、泄放、DC-DC变换等，得到稳定的5 V和3.3 V电压，为后面的电子电路提供电能，设计框图如图4所示。从高压侧取得的这部分能量相对于一次侧的总能量是非常小的，不会对高压侧产生影响。

当小CT在进入饱和状态后，输出电压稳定，图5为小CT的铁心深度饱和时的波形图。

图4 小CT取电电路原理框图

从图5可以看出，铁心未饱和时，磁感应强度随时间变化近似成线性；当铁心饱和后磁感应强度增长极其缓慢，可以近似地认为此时的磁感应强度维持在一个定值（BS）不变。其二次侧电压值为

式中，e2为二次侧电压值，N2为二次侧线圈匝数，Φ为主磁通，S为铁心截面积。

在时间t1到t2区间对e2进行积分：

由式（7）可得，在铁心进入饱和后半个周期内的电压值是一个定值，如图5中上面的曲线，而且可以看出，其大小与母线电流无关，只与铁心截面积，二次侧线圈匝数和饱和磁感应强度有关。

图5 铁心深度饱和时磁感应强度和电动势的曲线图

2 高压输电线路带电指示器的设计

高压输电线路带电指示器主要包括电场耦合式电压信号采集电路、信号处理电路、小CT取电电路、电池电源电路、微处理器、翻牌指示驱动电路、翻牌指示器和接口电路。其原理结构见图6。

该带电指示器用专用结构挂接在输电线路上，当输电线路上的电流大于50 A时，利用电场耦合原理即可获得指示器持续工作的电能，同时考虑采用小截面铁心，利用磁场饱和技术解决了大电流时的限流问题，使指示器电流超过3 000 A时仍然可以可靠地工作，当输电线路电流小于50 A时采用电池为指示器提供持续工作的电能，指示器正常工作时电流小于2 mA。当输电线路上有电压时，则指示器翻红牌，输电线路上没有电压时，则指示器翻白牌。

图6 高压输电线路带电指示器原理结构图

3 结论

利用上述原理设计了高压输电线路带电指示器，首先利用磁场耦合原理为指示器工作提供持续的电能，利用磁场饱和技术解决大电流时的限流问题，利用电场原理解决非接触耦合方式测量输电线路电压问题，使输电线路带电指示器的设计变得简单而可靠，高压输电线路带电指示器经现场使用，完全满足输电线路带电指示的要求，为输电线路检修、维护和故障巡检提供了全新的可靠的方法。

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