一种非接触式高压验电器的研究

余成波

随着输电线路的电压等级不断提高，线路距离地面也越来越远，采用传统的接触式验电方法也暴露出很多弊端。本文采用模拟电流法建立起输电线路的数学模型，求出输电线路周围的磁场分布，提出了一种安装在输电线路下方一定距离的验电器。该装置利用霍尔传感器在磁场中产生的偏置电流的大小，来实现对输电线路是否带电的判断。求解传感器采集到的磁感应强度的斜率值，排除一定范围内带电设备产生的磁场干扰，提高验电的准确性。

【关键词】磁场分布 非接触式验电器 霍尔传感器 磁场干扰

验电器是用来检测电气设备上是否存在电压的最常用的电力安全工具之一，通过验电器明确验证停电设备是否确无电压，再进行其他操作，以防止出现带电装接地线（合接地刀闸）、误碰有电设备等恶性事故的发生。因此，在电力行业中验电器的作用不可忽视。目前，国内生产及使用的220kV及以下电压等级的高压验电器仅能验明一个电压等级（如110kV的验电器不能在10kV/35kV/220kV等电压等级下使用），验电器绝缘杆的长度不能线性调节，只能全部拉出使用。在直接接触带电设备的过程中，也增加了误触碰相邻带电设备的风险。

非接触式验电器是一类新型的验电器，目前主要有两种方法：一种是利用高压电场传感器读取高压输电线路周围的电场，将传感器采集到的交变电场信号以交流电压或者交流电流的形式输出，经过滤波、放大后、整流转换为直流信号，供测量设备读取，最终实现带电设备的验电；另外一种方法是使用灵敏度极高的紫外线探头，通过测量输电线路周围的紫外线来判断导体是否带电。非接触式验电器不需要和超高压输电线路直接接触，就能方便、快捷的完成验电，对保证验电人员的安全具有十分重要的应用价值。

1 输电线路的数学模型

模拟电流法是用一组离散形式的虚拟电流来等效实际输电线路中的电流，通过给定的初值和边界条件来模拟实际中分布不均匀的电流。为了理论计算的方便，对输电线路进行了以下简化处理：

（1）磁导率取μ0；

（2）看作二维磁场；

（3）不考虑地线和避雷线；

（4）将磁场假设为恒定场。

根据以上的化简，在直角坐标系下画出出输电线路的计算模型，模拟的电流点和匹配点设置在输电线路的同心圆上，如图1所示。

通过解方程组得出一组电流值，然后校验结果的精确度；在导线上取几个点，通过以上的方法进行计算，对比之前的结果算出同一个点的误差。当两次计算得到的差值越小时，表明该模拟电流的精度越高，差值较大则精度较低。

2 实际分析

一条同塔单回220kV的三相输电线路水平排列，传输功率为300MW。在如图1所建立的直角坐标系中，导线中心之间的距离L=6.5m，导线中心距地高度H=10.5m。分裂导线半径为R=0.243m，输电电流有效值为|I|=3×108（2.2×105×）=787A。

根据以上数据，建立起该输电线路的数学模型，匹配点半径设为0.243m，单相线路上设置4个电流的模拟量，计算可得三相输电线路的模拟电流值及磁位如表1所示。

取6个校验点进行校验，误差值如表2所示，模拟量比较符合实际要求。

取导线中心点连线为坐标轴x，磁感应强度为y轴，画出离地4.5米高度处的磁感应强度分布图如图2所示。

由图2可知，最大的磁感应强度位于A、B相和B、C相之间，磁感应强度随距离的变化值△B/△s在0m至±5米的范围内变化较大，根据法拉第电磁感应原理，闭合线圈中磁通量的变化可以产生感应电流。

3 验电的原理

由第2部分分析可知，在0米和±5米处各放置一个霍尔传感器，如图3所示。当附近只有这一条输电线路时，霍尔传感器测得的磁感应强度大于某一个数值时，可以认为该点的磁感应强度是由输电线路的磁场产生的，即输电线路带电。

事实上，输电线路周围还有很多带电的设备，单靠测量输电线路下方的磁感应强度并不能可靠地确认输电线路是否带电。从图2中可以发现，-5m到0m和0m到5m这两段区间上，磁感应强度曲线是对称的，计算出-5m和0m这两点之间磁感应强度曲线的斜率，加入一个θ角的范围，在极坐标系下画出判定是否带电的范围，如图4所示，就可以排除相邻带电设备的干扰。

θ角的取值直接关系到验电的准确性，取值较小可能使装置漏判，取值过大会使得抗相邻线路的干扰能力下降。具体的取值应由参考该地区电压的波动范围和相邻带电设备的距离来决定。

假设第2章所给出的实例中，该条输电线路的右边5m同一水平高度上有一条相同电压等级的带电输电线路L，如图5所示，由图2曲线可得，该线路自身磁场所产生的磁感应强度的差值

理论上讲，只要磁感应强度曲线的斜率在3.6×10-5±3.6×10-5×38.9%范围内，都可以排除距离该输电线路5米外的带电设备的影响。

由于加入了磁感应强度的斜率，相邻线路的磁场对该组霍尔传感器产生的磁感应强度的斜率明显小于该线路本身磁场所产生磁感应强度的斜率，通过设置适当的θ值，就可以排除一定范围内带电设备的影响，如图6所示，阴影部分表示可排除的范围。

当线路通电时，位于线路下方的3个霍尔传感器中均能产生一定大小的偏置电流I1、I2、I3，将3个电流与门槛值进行比较后进行逻辑或运算，再分别求出#1、#2和#2、#3传感器的电流差值I12和I23，与门槛值进行比较后，同比较后的I1、I2、I3值进行逻辑与运算，则可以实现带电的判断，逻辑图如图7所示。

4 结论

采用霍尔传感器在磁场中产生偏置电流这种方法，可以不必接触危险的输电线路来实现验电功能，还克服了线路周围复杂磁场环境的干扰，具有较好的推广意义。但是这种设计只能排除输电线路周围一定范围内的干扰，对于同塔多层次立体結构的杆塔还存在判断的死区，还需进一步研究。

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作者单位

1.重庆理工大学远程测控与信息处理研究所 重庆市 400054

2.重庆理工大学电气与电子工程学院 重庆市 400054