吸附式光电耦合漏电警示装置的研究与应用

任杰 李志豪 王家云 叶俊 孙思航 云南省电网有限责任公司昆明供电局

如今电能被广泛应用在照明、动力、化学、通信、广播、纺织等诸多领域，是当今经济飞跃、科技发展和人民生活水平提高的主要动力。发电、变电、输电、配电和用电五个环节组成了电能生产与消费系统即电力系统[1]。其中配电是指电力系统中直接与用户相连并向用户分配电能的环节。因此配电设备如遇漏电，对电力运行、检修人员和可能接触配电设备的人员存在重大安全隐患。当电气设备的金属外壳与内部带电部件之间的绝缘失效时，如果电气设备的金属外壳未接地，则其对大地将有较高的电势，一旦人体触碰极易形成对地回路，电流经人体流入大地，造成人员伤亡事故。当人的身体直接接触到电流时，电流会通过人的身体与大地构成回路，流经人体的电流为几毫安至几百毫安，如果没有精确的检测设备，这部分电流很难检测得到，甚至带漏电保护的产品也无法动作。因此，研究一种漏电警示装置，能降低作业人员工作的风险，保障作业人员的安全[2]，是一项值得研究和推广的技术。

一、装置结构及工作原理

（一）装置结构

吸附式漏电警示装置主要由光电耦合器、电磁铁和导线组成，为一种简易便携的漏电警示装置。其原理图见图1。

图1 中的电气装置为：①光电耦合器（Optical Coupler）；②电磁铁。

图1 吸附式漏电警示装置电路图

（二）光电耦合器工作原理

1.发光二极管、光敏（光电）二极管、光敏三极管

发光二极管（Light-Emitting Diode）是一种新型固态冷光源，发光二极管具有效能高、使用寿命较长、工作电压较低、体积小、重量轻、响应速度快、抗震性能好以及光谱全彩等优点，因此被广泛的应用。1962年第一批发光二极管就诞生了，当时的发光二极管仅仅能发出红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线。发光二极管具有发光亮度高、产生的热量低、使用寿命较长、安全并且可以回收再利用等突出的优点。

光敏二极管（Photodiode）是一个将光信号转变为电信号的半导体器件。光敏二极管的工作原理实际上等同于光敏电阻，因此光敏二极管可以非常敏锐的捕捉到光照强度的变化。由于光敏二极管的核心部分即管芯是具有光敏特征且具有单项导电性的P—N 结，因此外部光照的强弱可以改变电路中电流的大小。为了使光敏二极管更便于接收外部光照，其P—N 截面积会尽量做的大一些，而电极的面积会尽量做的小一些，并且P—N 结深很浅，一般P—N 结深度会小于1μm。

光敏三极管（Phototransistor）是一种与常见三极管类似的电子元件，因此也具有电流（Current）放大作用。与普通三级管不同的地方是它的集电极电流在受基极电路、电流控制的同时也受到光辐射的控制。光敏三极管通常又被称作光电三极管，是一种进行光——电转换的元件。光敏三极管的基本原理是：当有光照到PN 结上时，其吸收光的能量并将之转变为电能。常见光敏三极管的工作状态是：给光敏三极管加上反向电压，此时元件中的反向电流会随着光照强度的增强而增大，随着关照强度的减弱而减小。

2.光电耦合器

光电耦合器（Optical Coupler）是一种可以实现电—光—电转换的元件，其可以传输电信号的媒介是光电。光电耦合器由两部分组成即发光源与受光器。在同一个密闭的外壳内组装上发光源和受光器两个部并用透明的绝缘体将两个部件隔离。光电耦合器的输入端为发光源的引脚，常见的发光源为发光二极管，光电耦合器的输出端为受光器的引脚，光敏二极管、三极管均常常被用作受光器，综上所述，光电耦合器的输入电路与输出电路的电器元件之间是相互隔离的，加之电信号在传播时具有单项性等优点，因此光电耦合器具有良好的电绝缘能力和抗电磁波干扰能力。在光电耦合器的输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电—光—电的转换[3]。

光电耦合器具有众多优点，例如：可以单向传输信号、输入端与输出端之间相互绝缘、抗电磁波干扰能力强、器件体积小、使用寿命长等优点，因此被广泛使用。[4][5]

（三）吸附式光电耦合漏电警示装置的研究与应用

如图1 所示，这是一个小巧的吸附式漏电警示装置，将之吸附于在电力设备本体（箱式变电站、户外开关站）的柜门上，当发生电力设备本体漏电的情况，柜门上电流的变化使穿过该警示装置闭合电路的磁通量发生变化，产生感应电流，感应电流将流过吸附式漏电警示装置中的光电耦合器，光电耦合器内部的二极管将发光，起到警示该电力设备漏电的作用[6][7]。

二、吸附式光电耦合漏电警示装置的运用与推广前景

当人体直接触电时，电流通过人体与大地构成回路，流经人体的电流为几毫安至几百毫安，如果没有精确的检测设备，这部分电流很难检测得到，甚至带漏电保护的产品也无法动作。一款安装灵活便捷，造价低，便于全面推行的电气设备柜体漏电警示装置正在被电力行业所需要。本文通过对10kV户外开关站漏电可能性的研究，采用模拟柜体带电的方法，简化模型，通过柜体带电取得电源，通过一种吸附式带电警示装置转换为物理状态转换，对电力设备柜体是否带电做出警示，从而低作业人员工作的风险，保障作业人员的安全[8]。

（1）吸附式光电耦合漏电警示装置能检测电气设备外壳箱体的漏电情况，弥补现有电力设备本体漏电情况下的预警功能缺失的问题，通过光电耦合器发光对电力设备柜体是否带电提出预警，保障作业人员的生命安全。

（2）吸附式光电耦合漏电警示装置使用磁铁吸附于各式电气设备金属箱体外壳处，安装便捷，避免大规模的电气设备箱体改造，警示效果突出，所有电气表柜中均能有效运用，是一种经济实用的漏电检测警示装置，具有很大的经济效益与推广前景。