一种带电报警型接地线的研究与设计

王晓辉 吴 斌 戴 明 孙忠文 姬联合

一种带电报警型接地线的研究与设计

王晓辉 吴 斌 戴 明 孙忠文 姬联合

（国网徐州供电公司，江苏徐州 221000）

为减少装设接地线时人力投入，避免带电装设接地线的恶性操作事故发生，保证人身和设备的安全运行，本文研究与设计一种带电报警型接地线。根据接地线接头间的尺寸，设计了带滤波功能、抗电磁干扰功能的近电感应器，并对其他模块进行选型。试验以及试用结果证明，本装置能可靠的在带电设备安全距离外发出报警信号，并有效减少装设接地线时的人力投入。

近电感应器；接地线；人力投入

随着电力负荷多样化的发展，10kV馈电线路多采用环形网络供电方式，而分布式电源的广泛应用使得环网接线线路反送电的概率极大增加[1-2]。《国家电网公司电力安全工作规程》：“验电时，应使用相应电压等级而且合格的接触式验电器，在装设接地线或合接地刀闸（装置）处对各相分别验电。验电前，应先在有电设备上进行试验，确证验电器良好。”[3]为了防止在验电后装设接地线过程中线路突然来电，操作人员就必须由两人增加为3人，1人装设接地线，1人监护，另外1个手持验电器对线路持续验电。

本文提出一种报警型接地线设计方案，使接地线具备近电报警器的功能，从而在装设接地线的过程中由3人减为2人。本文对装置结构、模块选型、工作原理以及保护电路进行研究讨论和现场实验，根据实验结果分析报警型接地线的可行性、稳定性，设计出一种实用性强、稳定性高的报警型接 地线。

1 装置结构及模块化设计

1.1 结构设计

为了能保证近电验电器的灵敏度，所以将近电验电器安装在接地线的头部，根据接地线接头间的尺寸，利用AutoCAD 2015，设计面板图，如图1所示。同样，根据近电报警器尺寸和安装位置，在地线接头上开出=2.5mm的圆孔、=1mm的丝孔和厚度=1mm的凹槽，如图2所示。

图1 面板图

图2 地线接头开孔实图

对开孔后的地线接头进行测试，电阻值基本不变，模拟装设接地线，其机械强度能够满足工作 需求。

1.2 模块化设计

本次设计的近电感应器分为4个模块，分别为感应模块、电压比较模块、报警模块以及电源模块，如图3所示。感应模块根据交流线路的感应电场，将采集到的信号经过滤波电路、抗电磁干扰电路以及分压电路传输到电压比较模块，如果高于设定值，报警模块就发出报警信号。

图3 近电感应器模块化设计

感应模块采用天线与滤波电路以及抗电磁干扰电路串联的方式，从而对工频信号进行采集。电压比较模块采用IC集成电路，技术成熟，体积小，灵活性强。报警模块采用5V有源蜂鸣器实现报警功能。考虑到带电报警型接地线采用了侧面镶嵌式结构方案，由于纽扣电池具有体积小，便于安装的特点，所以电源模块选用锌银扣式电池[4]。

2 非接触验电器工作原理

2.1 验电器原理图设计

本次设计采用ICL7665电源监控模块，上下阀值通过电阻来设置，ICL7665具有精确的内部基准比较，输出电流吸入能力高[5-6]，其原理如图4所示。

1）当SET2＞1.3V时，OUT2开关关闭，HYST2开关打开，OUT2点为高电压。

2）当SET2＜1.3V时，OUT2开关打开，HYST2开关关闭，OUT2点为低电压。

图4 近电感应器原理图

3）当按下S1时，CC为5V，由于1+2+5远大于41+42，所以SET2＞1.3V，OUT2点为高电压。

4）当J1感应到交流线路的电压时，根据分压原理，设置500kW大小来调节SET2的电压，使SET2＞1.3V。

2.2 滤波电路设计

图5所示为有源的二阶带通滤波器，它是一个负反馈滤波器，使用一个运算放大器，单电源供。根据调节参数，可以使上、下限截止频率非常接近，可以达到工频的频率选择性，非常适用于近电验电器。令1=2=3=1mF，eq=1//2。品质因数等于中心频率除以带宽，如式（3）所示。由式可以看出，可以通过让3＞＞eq来获得理想的值。值越大，频率选择性越好，带宽越小。

图5 带通滤波器电路

其中：

（2）

（3）

根据我国电能质量的要求，频率范围为

本滤波器可以通过的频率范围为

可见，符合设计要求。

2.3 抗电磁干扰设计

1）浪涌

浪涌是间接雷击所产生的大电流以及电源系统切换产生的干扰、附近设备大型开关跳动的干扰、各种系统性故障等。

模拟电压：共模4kV（4级），差模2kV（4级）。

模拟波形：1.2/50ms，使模拟雷击时线缆上产生的感应过电压的波形，如图6所示，将从1.2ms开始持续50ms的电压波形加载到各线路上对线路进行测试。

图6 1.2/50ms过电压脉冲波形

针对浪涌实验的技术特性，应作出相应的过压保护，在浪涌信号瞬间加在输出和信号端口时，在端口内应有保护器件，可以在纳秒时间内对电压进行吸收或者钳位。解决方案如下。

（1）压敏电阻。压敏电阻的工作原理主要是根据电压的大小相应的改变阻值的大小，在电压大于限定值时，压敏电阻将起到分压作用，可以对输入电压进行有效的钳位，在电压低于限定值时，压敏电阻则不导电[7]。

优点：响应时间比较快（小于等于25ns）。

缺点：使用寿命较短，能承受浪涌的次数较少。

（2）瞬态抑制二极管。这是一种二极管形式的保护过电压的元器件，当保护区域受到大电压或者大电流的时候，可以将保护的端口的输入高阻抗变为低阻抗，可以吸收几千瓦功率的浪涌波形。

优点：向应时间非常快（小于等于1ns）。

缺点：通常用于DC电路，耐流能力比较差。

可以将压敏电阻和TVS管的性能总结为表1。

表1 压敏电阻和TVS特性表

当流过的过电流太大时，压敏电阻有可能会应为被击穿而失效，而TVS的通流量在限压型保护器中是最小的，适用于直流电源处。从表1可以看出，两种电路保护器件的特性可以互补，所以本次设计在需要进行浪涌实验的输入输出口，压敏电阻和TVS管将共同对电路进行两级保护。

2）脉冲磁场

闪电、接地故障以及机械开关对点感性负载的切换，通常会对系统中的电路产生瞬时扰动，它们共同点有：脉冲成群出现、脉冲的重复率较高、脉冲波形的上升时间短暂、单个秒冲的能量较低，会使设备产生误动作[8]。本控制终端需要通过脉冲磁场试验，内容如下。

脉冲群干扰为共模性质，通过容性的耦合加入设备，相当于通过一个高通滤波器，只有高频信号就可以进入设备，所以要对高频信号进行处理，本控制终端电路设计时，将有可能通过高频信号的电路串联共模电感，作用有两点：

（1）电感本身的特性可以衰减掉一些高频干扰成分。

（2）耦合电容和共模电感产生串联谐振，若，增大，则减小，这样可以抑制频率比较低的脉冲群信号干扰；若减小，则增大，这样就可以抑制频率比较搞的脉冲群信号干扰。

3）保护电路

如图7所示，信号输入端并联一个TVS管和一个压敏电阻，在压敏电阻与TVS管之间串联两个共模电感，作为近电感应器的保护电路，从而限制浪涌以及脉冲群的影响。

图7 抗电磁干扰电路

3 现场实验及结果分析

3.1 近电感应器试验

本次研究与设计的带电报警型接地线的整体组装实物图如图8所示，在变内将带电报警型接地线在相应电压等级安全距离范围内做报警试验，试验结果见表2，其报警距离均大于《国家电网公司电力安全工作规程》规定的“设备不停电的安全距离”，而且成功率为100%，因此满足线路突然来电在安全距离内的报警功能需求。

图8 整体组装实物图

表2 试验结果

3.2 带电报警型接地线试用

带电报警型接地线首先在国网徐州供电公司变电运维室刘湾运维班进行试用，试用期间，共装设了20次接地线，试用结果见表3。

由表3可知，在装设接地线过程中，能够一人监护，一人完成装设接地线的工作，省去一人同时持验电器持续验电的工作量；而且在装设接地线过程中成功发现35kV黄张线线路反送电，避免了可能发生的人身和设备事故。

4 结论

本次研究设计的带电报警型接地线，在保证操作安全的前提下，成功将验电、装设接地线操作从3人恢复至2人，减少了人力投入。原操作模式每次投入人数为3人；新操作模式每次投入人数2人。原操作模式总人力投入=3人×20次=60人·次，新操作模式总人力投入=2人×20次=40人·次，试用期内共减少人力投入：20人·次。

表3 装设接地线情况统计表

带电报警型接地线具备线路突然来电时报警功能。当出现线路反送电时，向操作人员二次提醒，使其及时发现线路带电，有效避免带电装设接地线的恶性操作事故发生，从而保证了人身和设备的安全运行。

[1] 陈国恩, 张磊, 王跃强. 分布式电源智能调控系统研究与实践[J]. 电气技术, 2016, 17(3): 90-93.

[2] 周林, 任伟, 廖波, 等. 并网型光伏电站无功电压控制[J]. 电工技术学报, 2015, 30(20): 168-175.

[3] Q/GDW 1799.1—2013. 国家电网公司电力安全工作规程(变电部分)[S].

[4] 丁月明. 高电压现场施工安全距离报警新技术及样机开发研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2011.

[5] ICL7665 Data Sheets[Z]. MAXIM, 1989.

[6] 王永成, 党源源, 徐抒岩, 等. ICL7667实现步进电机高频斩波控制[J]. 光学精密工程, 2008, 16(11): 2193-2198.

[7] 王宏建, 王佳. 浪涌保护器在仪表中的应用[J]. 自动化与仪器仪表, 2009(5): 73, 117.

[8] 马建明, 庄爽, 杨亮, 等. 固定灭火系统控制装置的电磁兼容性[J]. 消防科学与技术, 2006, 25(4): 502-504.

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

王晓辉（1990-），男，江苏徐州人，工学硕士，助理工程师，从事变电站运维检修工作。