一种基于场强分布的新型非接触式高压验电器的研究

胡 爽 景盼盼 徐欣然 徐懂理 于文博 韩 璐 江 健

（南京工程学院电力工程学院，江苏南京211100）

0 引言

随着我国经济水平的日益提高，人们的用电量急剧增加，电压等级也随之增大，在供电系统内部，出现了多起工作人员高压带电操作造成人身伤亡的事故，因此，准确地计算线路附近的电场强度并设计出测量工频电场的装置，能够大大减少以上事故的发生。验电器通过电场来实现对带电设备或者输电线路的检测，在电力系统的安全操作中起着至关重要的作用。

本文所描述的是一种突破传统观念基于高压线路空间电场分布的新型验电器，通过电场的大小来明确高压线路是否带电，作业机械是否进入到高场强区、是否接近线路的最小安全距离，使用起来方便安全，从而减少了电力事故的发生，提高了工作效率，有利于高压网络的正常运行，在电力系统运行操作过程中具有建设性的意义。在输电线路附近分布着的磁场和电场，有着“近场区”的特征，具有似稳场、准静态场、感应场的特点，在稳态运行、线性媒质、正弦激励的条件下，列写以下麦克斯韦方程组：

电力线路附近电场强度水平和垂直分量的近似计算公式为：

式中，y为电力线对地投影到观测点的距离；I为电力线中的交变电流大小；h为电力线平均架设高度；z为观测点高度；σ为大地的视在电导率；μ0=4π×10-7H/m；ω为角频率；γ1为大地传播常数；u为特征参数；J0（）为第1类0阶贝塞尔函数。

1 实现方法及思路

电场传感器通过测量高压输电线路周围的交变电场强度，将传感器采集到的交变电场强度以交流信号形式输出，实现对带电设备或者输电线路的检测。检测元件选用薄铜片，与电力线经线方向一致，置于变化速度缓慢的工频电场中，由于静电平衡，它将分别在近电力线和远电力线的两侧感应出受电场影响分布变化的正负电荷，电荷数量随时间进行工频变化，电荷密度分别为σ（t）与-σ（t），由于电荷左右移动，铜片感应出交变电流。其中：

因此产生的感生电流为：

电流的变化体现了电场强度的变化，将此感生电流进行拾取和处理，即可计算出检测元件位置处的电场强度，近而得出检测点与电力线的距离。该项目通过加装近电报警设备，实现在其使用过程中保持对高压带电物体的安全距离。

2 验电器的设计

本装置由电场传感器、信号处理电路、温湿度检测、显示单元、声光警示、按键控制、硬件复位等部分组成，系统组成图如图1所示。

图1 验电器的基本结构

高压线附近的电场信号由传感器读取，经信号处理电路送入施密特触发器，触发器对输入信号进行判断，发出有电、无电两种信号，最后有无电信号的结论通过显示单元在验电器上显示出来。环境中的温湿度变化会影响电场强度的测量结果，因此，通过温湿度检测模块来检测现场的温度和湿度，进一步修正电场强度的分析结果。

主要电路如下：

2.1 电场传感器

验电器用于高压设备的测量，很容易受到雷击，为了防止雷击事故的发生，加上压敏电阻作为传感器的保护。压敏电阻的特性就是其拥有一个阀值电压，在正常的情况下，若它两端的电压小于阀值电压时，压敏电阻相当于开路，但是若有雷击或者是放电时，其两端的电阻就会变小，这样就可以抑制电路中过大的电压，保护后面的元件。同时，在两个压敏电阻之间加上了共模电感起到滤除信号线上的共模信号的作用。其基本形状如图2所示。

图2 传感器的基本形状

2.2 倍压整流电路

倍压整流电路由多个二极管和电容组成，接收传感器交流信号并转换成直流信号，传给后续电路进行进一步的处理。如图3所示。

图3 倍压整流电路

2.3 差分放大电路

输电线路的发射能力十分低下，所以由检测元件感应出的电压以及电流信号非常微小，根据运算放大器的虚短与虚段原理，可以通过选取不同电阻的阻值，设计合理的放大倍数，对信号进行高倍率放大，如图4所示。

图4 差分放大电路

2.4 施密特触发电路

施密特触发器可以对信号中的波形起到变换和整流的作用，将缓慢变化的三角波或正弦波等信号变为矩形波（即高低电平）输出，使得验电器电路更为稳定，如图5所示。

图5 施密特触发电路

3 测试与应用

（1）在验电器使用前首先应检查其外观是否良好，有无裂纹，保证其外观完好，确保安全。

（2）其次，在真正投入使用之前应在家庭用电如白炽灯附近做实验，保证其具备验电的功能后到变电所或其他专业场所进行进一步的实验。

（3）应选择与所测高压电电压等级相一致的验电器，以满足绝缘要求。使用时工作人员应戴绝缘手套，禁止在雨雪等影响绝缘性能的环境下使用。

（4）验电时，应从远到近逐步靠近高压设备或带电线路。

（5）验电器测量使用完毕后，应缓慢拿下，防止误碰到高压设备或带电线路。

（6）在保管和运输中，避免让验电器强烈振动或者受到猛烈撞击，一旦调试完毕，禁止擅自调整拆装。

4 结语

非接触式高压验电器对于保障电力系统的安全运行具有重大的意义，本文结合验电的工作原理对非接触式高压验电器进行了研究与改进，借助于天线理论的发射与接收原理，给出了电力线附近工频电场的“似稳场”“准静态场”“感应场”的等效处理，通过输电线路麦克斯韦电磁场的近场区模型计算，给出电场强度的理论计算方法和计算公式。根据工频电场的感应测量的原理、导体的静电平衡现象和测量元件的设计，完成了工频电场强度的测量。该方法和设计思路简单易实现，检测精度较高，使它的可靠性、稳定性得到了较大提升，便于变电检修工作实际应用。

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