基于电极振动式电容传感器的高压直流验电装置设计与研发

程 旭，陈 勇，裴星宇

（1.广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海 519000；2.广东电网有限责任公司直流配用电研究中心，广东 珠海 519000）

1 高压直流验电装置整体设计

本文设计的高压直流验电装置系统由验电主机、验电从机以及上位机3部分组成。停电维修前，对换流站的高压直流设备进行测试，应将测试主机安装在可以自由伸缩的绝缘棒上进行安全防护，并将绝缘棒调整到规定的长度，然后使装置的验电主机靠近被测高压带电体，此时验电装置的主机和被测试的带电体未发生直接接触，通过这种措施来提高验电操作的安全性。装置验电器主机上的电极式振动电容传感器输出交流电压信号，通过信号处理变换电路计算得到有效的测量值。当主控系统判断有高压存在时，控制声控报警原件发出带有电压的报警信号。同时，通过近场通信模块把采集到的数据发送给验电从机，验电从机则同时可以得到声音及光电报警的提示，并将测得的电压值进行可视化显示。主探测器和从机之间保持双向通信[1-4]。

2 高压直流验电装置验电主机设计

高压直流验电装置验电主机结构如图1所示，主要由传感器及驱动电路、信号处理电路、主控制器、声光报警单元、ZigBee无线通信单元、可伸缩绝缘杆等组成。验电主机的硬件模块由模拟和数字电路两部分组成，其中数字电路主要由短距离ZigBee无线通信电路与主控制器电路组成，模拟电路则由电源电路和信号处理电路组成。

图1 高压直流验电装置验电主机结构

验电主机传感器采用一种基于传统电极振动式电容传感器的密封式封装结构。信号处理电路包含电压信号调理（降压）和信号滤波两部分。控制部分主要选用功能资源相匹配的单片机。ZigBee无线通信模块主要采用TI公司的CC2530芯片，该芯片集成了处理器模块和无线通信模块。

电极振动式电容传感器在振动电容式传感器结构的基础上，采用新型金属电极式密封封装结构。结构部分示意如图2所示。其中，1为暴露在高压直流环境中的金属探针，用于外部高压直流电磁感应。6为与金属探头连接的感应电极片金属，材质为铜箔。7为交流信号采集用的振动电极，它是一块与6相同形状、相同材料和面积的感应板，两者共同构成一个动态并联电容器。4为提供激励信号的信号线。3为正常工作时驱动振动电极激发运动的振子，驱动信号为正弦信号激发。振动电极7采集的交流信号通过输出信号连接8输出。9为前端信号处理单元。2为感应电极与振动电极之间的密封间隙，用于满足机械强度高、击穿电压高以及电性能稳定性好的要求。整体封装基板采用环氧玻璃纤维板，击穿电压高，电气性能稳定。

图2 电极振动式电容传感器封装结构剖面图

采用电极振动式电容传感器使验电装置可以在各种恶劣的室外环境工作，有效解决了灰尘和湿度对传感器性能的影响。振动电极与感应电极片采用相对安装的方式，可以有效解决现有电容式传感器在测试工作时必须相对被测物体距离近这一问题。电极型密封式封装结构则直接避免了电离子电流对测量精度的影响，消除了传感器的零点漂移问题，进而有效提高了传感器的电场检测能力[5]。同时测试人员在验电操作时使用可伸缩式的绝缘棒验电装置主机直接进行验电操作，从而保证了测试人员的人身安全。绝缘保护杆由环氧树脂和玻璃纤维制成，能有效实现操作人员与被测高压设备的电气绝缘[6]。

验电装置主机中控制器根据采样得到的交变电压进行有效值计算后，与报警阈值比较，判断系统带电与否。装置设定3级保护阈值，根据不同的保护阈值设定不同的报警频率，保护电压阈值越高，声光报警灯闪的频率越高。另外在告警与不告警判断之间增加了滞环处理，防止当采样电压值在边界处时存在系统在带电与不带电状态之间来回切换的情况[7-10]。

验电装置主机控制器验电判断算法流程如图3所示，其中U_alarm1为一级保护，U_alarm2为二级保护，U_alarm3为三级保护，U_alarm1＞U_alarm2＞U_alarm3。传感器通过AD采样测量得到的电压值进行有效值计算得到电压U。当U＞U_alarm1时，声光报警发出20 Hz报警；当U_alarm1＞U＞U_alarm2时，声光报警发出10 Hz报警；当U_alarm2＞U＞U_alarm3时，声光报警发出5 Hz报警；当U＜U_alarm3-U0时，装置取消声光报警，以此实现高压验电功能。

图3 验电装置主机控制器验电判断算法流程

3 高压直流验电装置验电从机设计

高压直流验电装置验电从机主要负责与主机通信，根据通信内容及时发出带电状态报警提示，将验电数据传给上位机，验电从机结构如图4所示，由控制电路、ZigBee无线通信模块、显示模块、GPRS无线通信模块以及声光报警模块组成。ZigBee无线通信模块负责与主机通信；显示模块用于显示验电状态及验电装置状态信息（正常、故障）；声光报警模块可以通过声光报警器及时表征验电状态；GPRS无线模块实现从机与上位机之间的通信，各模块通过控制电路进行连接。

图4 高压直流验电装置验电从机结构

4 高压直流验电装置通信模块设计

目前，广泛应用的验电装置一般由绝缘操作棒以及验电装置的本体部分组成，当验电装置工作时，验电装置的本体部分即可根据测量结果发出是否带电的声光报警提示。但是，验电装置现场环境多变，可能有相对较高的噪音或强光。当验电装置在高处或者距离较远时，验电装置主体发出的报警信号可能会受到干扰，从而令识别报警产生影响，进而对测试产生错误的判断。因此，保持验电装置主机与从机之间的实时双向通信就显得尤为重要。

本装置采用ZigBee无线通信实现验电主机与验电从机的通信，装置通信结构如图5所示。

图5 高压直流验电装置无线通信结构

5 结 论

为解决现有的直流验电装置存在的验电器声光检测不易观察判断导致存在误判可能、适应恶劣天气能力不佳以及传感器测量存在零漂等问题，本文设计了一种基于电极振动式电容传感器的高压直流验电装置，验电装置验电时，验电头和被测量的带电物体保持一定的安全距离。装置验电器主机上的电极式振动电容传感器输出交流电压信号，通过信号处理变换电路计算得到有效的测量值。当主控系统判断有高压存在时，控制声控报警原件发出带有电压的报警信号。同时，通过近场通信模块把采集到的数据发送给验电从机，验电从机则同时可以得到声音及光电报警的提示，并将测得的电压值进行可视化显示。本装置不仅可以判断是否带电，还能够量化其大小，判断被测设备是否带电，同时还可以得到被测试高压带电设备的具体电压等级，从而使测试人员得到的测试结果更加准确。采用非接触式验电，有效防止运检人员误操作引起的触电危险，保护验电系统和操作人员的安全。

他将节足拿至眼前，望了望整齐平滑的切口，心中既痛且恼，道：“天葬刀，果然名不虚传！小生今天，倒要好好讨教一二！”言罢，身躯猛地弹起，节足大展，朝着天葬师扑下。