感应式高压报警电路的探讨与设计

山西工程技术学院 崔建国 宁永香

对于高压电气工作人员，为了保护他们的安全，很有必要配备一个高压报警电路，针对市场上众多的同类型设备，利用场效应管高输入阻抗的特点，设计两套感应式高压报警电路，其一利用压电陶瓷片兼做发声和反馈元件设计一套报警电路，其二利用555时基电路设计一套报警电路，两套方案都可以高效完成较远距离探测高压电的人员，性价比皆比较高。

引言：现代电网结构日趋复杂，电网容量不断扩大，对电网运行的可靠性要求也越来越高。所以在高压线路遍布全国的今天，为了保障维护和检修人员的安全，针对高电压都有一定的安全距离范围，误入其内会发生伤亡事故的应用问题，很有必要来设计一种感应式高压侦测与报警装置，根据不同高电压等级的安全距离标准，自动给出报警，并能侦测出与高压源的距离，显示出来。这样不仅仅是保障了线路人员的生命安全，也是对整个电网稳定运行提供了一定的保障（李中年.控制电器及应用[M].北京:清华大学出版社,2007）。

电气检修人员需要的感应式高压报警器能够在不接触的前提下，探测线路是否带有高压。它能检测交流市电(220V或380V)，显像管高压以及高压输电线路的探测。由于不许接触高压线路，所以感应片所探测到的信号非常微弱，由于场效应管有高输入阻抗以及电压放大特性，故一般的感应式高压报警器通常皆以场效应管作为输入级，下面设计两个方案以供探讨。

1 压电蜂鸣器兼做反馈电容的音频振荡器报警电路

用两个三极管组成一个直接耦合型多级放大电路，以报警发声元件压电蜂鸣器兼做反馈电容，从而构成一个简单的音频振荡器，实现报警的目的，如图1所示。

在图1所示的感应式高压报警线路中，T1是结型场效应管，利用其高输入阻抗的特点以及电压放大特性作信号捡拾和放大，T2作开关管用，D1为稳压二极管，用来改善开关特性。感应片没有捡拾到信号时，D1、T2均截止。

当接近高压时，场效应管栅极感应到信号，放大后由漏极输出。当漏极电位大于D1的稳压值与UBE2值之和时，开关管T2导通，接通声音报警和发光报警的电源，线路既有声光报警信号。

电位器P是用来调整报警启动灵敏度的，通过调整P，一般可以达到以下指标：交流220V时，感应报警距离为5～20CM；10KV高压输电线路时，感应报警距离为80～250CM；显像管高压为10～30CM。

LED可选用圆形红色的或黄色的。

三极管T3、T4组成音频振荡器，压电蜂鸣器HTD兼做反馈电容；T2的β值最好能大于100，其余三极管的β值在50～100间选用；电源可选用9V叠层电池，以缩小体积。

调试时先不接T1，接通电源，调电位器P使T2饱和导通，此时LED应发光，压电蜂鸣器应发声，如压电蜂鸣器不发声，可改变R2的阻值，使振荡器T3、T4起振。

然后关上电源，接好T1，将T1栅极套上塑料套管，弯成一个开口的小圆环以拾取信号。整机装好后，调试W使T2退出饱和区，并根据所需的灵敏度确定其阻值。

调好后的整机静态待机时耗电约0.3mA，报警时耗电约15mA。

2 以555时基电路接成无稳态多谐振荡器的报警电路

该设计可以实现在报警器接近高压带电体时，会发出响亮的报警声，它是电气工作人员检修高压线路的一种适用保安工具。

图2 以555时基电路接成无稳态多谐振荡器的报警电路

2.1 报警器电气原理

电路如图2所示，图中的555时基电路接成一个无稳态自激多谐振荡器。感应片所连接的感应电路BG选择场效应管，充分利用其高输入阻抗的特点，可以使非常微若的感应信号顺利进入报警电路，作为555多谐振荡电路的触发信号（李仁.电器控制[M].北京:机械工业出版社,2013）。

而且场效应管BG必须选择耗尽型场效应管，可以是结型场效应管或绝缘栅场效应管中的耗尽型场效应管,本设计采用3DJ4系列结型场效应管(N道沟)。这类耗尽型场效应管在栅极未加电压时D（漏）S（源）间存在有导电沟道，加了栅极反向电压后可以将原有的导电沟道夹断，使电流进入饱和区，通过所加栅极的高低来控制其导电沟道的大小，起到电压控制电流的作用。正因为未加栅极电压时DS间有导电沟道，所以用欧姆表测量DS间就有了固定电阻值（韩广兴.电子元器件与实用电路基础[M].北京:电子工业出版社(修订版),2005）。

平时，场效应管BG处于零偏状态，由于漏、源极之间的电阻较小，与漏极相连的的IC（555时基电路）的第4脚处于低电位（＜0.7V）,时基电路不工作，压电陶瓷片HTD不发声，一旦报警器接近高压带电体，与BG栅极相连的感应片就会感应到电场信号，使BG漏源之间的电阻增大，IC第4脚获得高电位，振荡器起振，IC第8脚输出一系列音频振荡信号，经输出电容C2耦合、音频变压器B升压后，驱动压电陶瓷片HTD发出响亮的报警声（刘畅生.传感器简明手册及应用电路[M].陕西:西安电子科技大学出版社,2006）。

整机可焊装在体积仅55*50*20mm2的非金属绝缘材料小盒内。IC可选用NE555、5G1555等型时基电路，BG选用3DJ6型结型场效应管，要求饱和漏极电流小于1mA。变压器B采用晶体管收音机里常用的小型输出音频变压器来代替，C1用涤纶或瓷介电容器皆可，电源E用4F20型6V叠层干电池。

感应片用面积约15*15mm2的小金属片制作，HTD用普通压电陶瓷片蜂鸣片，这两者安装时均应用环氧树脂粘贴在机盒内壁上。

2.2 使用注意事项

使用时，将报警器安放在电气工作人员的安全帽或上衣袋内，即可起到防误登带高压电杆（塔）或误入带电高压禁区的报警。

本机报警灵敏度与感应片面积大小、和R1阻值大小有关，改变R1阻值可改变报警灵敏度。

实测报警距离为：110～220kV高压输电线路为5～10米；35kV高压输电线路为2～6米；10kV高压输电线路为0.8～2.5米；交流220V市电线路为5～20厘米。

使用者在取得一定经验数据后，还可根据报警距离估计高压高低，此外，该装置在靠近工频时，其音频信号受50hZ周波的调制，发声为蟋蟀颤音，当处于静电场中时，发声为电笛样直音。

3 结语

通过以上两个感应式高压报警线路的设计与分析，可以看出报警器的感应端都比较相似，但基于振荡电路设计的不同，其报警距离有所不同。两个设计各有千秋，其对电气行业的工作人员的安全都可以起到很好的保护，随使用者的喜好而选择其即可。