接触网中验电位置对电容型验电器灵敏度的影响研究*

2021-11-19刘家军高浩博韩思丹

电气工程学报 2021年3期

刘家军高浩博韩思丹

(1. 西安理工大学电气工程学院西安 710048；2. 中国启源工程设计研究院有限公司西安 710018)

1 引言

接触网是电气化铁路动力传输的介质，为了保证供电的可靠性，铁路供电段需要对接触网展开日常巡视和停电检修作业[1]。验电器是检修作业中必不可少的工具，主要用来检测导线和电气设备的带电情况，验电器的使用有利于保障检修现场工作人员的人身安全[2-5]。目前使用最多的是接触式电容型验电器，其原理是通过检测验电器对地杂散电容中流过的电流来反映被测设备是否存在电压，并通过声光报警提醒检修人员带电情况[6-7]。由于接触式电容型验电器具有工作原理简单、验电灵敏度高、检测快速、使用方便等优点，已被广泛应用于接触网检修作业验电操作中。

接触网结构复杂，电场分布存在明显的位置差异。在现场检修作业中，由于选取不同位置验电，有时会出现验电器无法正确检测接触网是否带电的情况，从而影响检修人员的判断以及后续检修作业的进行[8-9]。例如，2012 年北京铁路局供电段检修作业时，发现在靠近定位线夹的接触线验电时无法判断接触网是否带电，但在远离定位线夹后可判断带电[10-13]。

本文针对上述现象，以27.5 kV 接触网为例，在ANSYS Maxwell 仿真软件中搭建接触网模型，从电场的角度研究不同验电位置对验电器灵敏度的影响，可以为检修作业验电操作时验电位置的选取提供一定的理论依据。

2 电容型验电器工作原理

接触网和大地之间存在空气和其他介质，可以等效为一个电容器[14-16]。电容型验电器验电示意图如图1 所示，接触网停电检修时，验电器接触探头靠近接触网接触线或腕臂，接触线或腕臂与验电器之间等效为一个杂散电容C1，验电器通过操作杆、人体与大地构成回路，可以等效为杂散电容C2，两个杂散电容与带电设备构成通路，由分压原理可得验电器分的电压为

图1 电容型验电器验电示意图

电容型验电器通过测量U1的大小，来判断待测设备是否带电，当U1大于电容型验电器的最小启动电压时，发出报警信号，表明设备带电。

验电器电路原理图如图2 所示，主要包括限流电路、放大电路、滤波电路、声光报警电路和自检电路。接触电极靠近接触网待验电设备时，验电器内部的限流电路在高电压的作用下产生微小电流，此微小电流经放大电路放大之后通过滤波电路形成驱动信号，促使验电器内部的振荡电路产生一定频率的振荡信号，声光报警电路接收到振荡信号之后以声光信号提示工作人员。自检电路用来校验验电器内部是否处于正常工作状态。

图2 验电器原理图

验电器对地杂散电容的电流是电容型验电器判断电压是否存在的关键，而验电器周围电场分布会影响其杂散电容电流[17-19]。接触网结构较为复杂，电场分布存在明显的位置差异，由于场强大小随位置变化而改变，致使验电器在不同的验电位置梯度变化明显不同。当被测设备附近电场近似均匀场时，验电器的轴向电位梯度较小，导致流过验电器的杂散电容电流很小，不足以驱动验电器工作，无法准确判断设备是否带电。

本文通过比较不同位置流过验电器的电容电流值与最小启动电流值的大小，来分析验电器灵敏度的变化情况。若电容电流值大于最小启动电流值，则验电器的灵敏度高，可正常工作；若小于启动电流值，验电器则无法启动。可见，最小启动电流值与不同位置电容电流值的确定是问题研究的关键，本文将从这两方面展开具体的分析。

3 验电器最小启动电流

根据图2 验电器内部原理图，在Multisim 中搭建验电器内部电路，通过仿真确定最小启动电流。验电器电路模型如图3 所示，模型中元件的参数设置按照GSY-Ⅱ型27.5 kV 验电器参数设置。其中，Is为流过验电器的电容电流。实际工作使用中电流传导通路为被测设备-验电器-绝缘棒-人体-大地。

图3 电路仿真模型

以验电器作为仿真对象，用电流源Is等效替代验电器，通过改变电容电流的大小，来观察验电器是否启动，以此确定验电器的最小启动电流，如表1 所示。

表1 电路启动情况

电容型验电器的灵敏度是指验电器对待测设备带电电压的最小反应能力，最小启动电流越小，表明验电器的灵敏度越高，但是不宜过小，否则会受感应电影响而误启动，合理地选择最小启动电流是确保准确验电的关键。由表1 可知，验电器启动声光报警所需的最小电容电流为12.5 μA，所以，经仿真确定了验电器的最小启动电流为12.5 μA，该值为后续不同位置的灵敏度分析提供了参考依据。

4 不同位置验电的仿真分析

验电器验电时，流过验电器的电容电流可由式(2)计算求得，其中电容C为验电器自身的杂散电容，根据电力行业标准《DL/T 740—2014 电容型验电器》，接触网验电器杂散电容值为23.53 pF，其值大小固定不变；电压U是接触电极与蜂鸣器金属基片之间的电位差。验电器内部结构如图4 所示，该电位差值与验电器所处的空间电场分布有关。本文通过ANSYS Maxwell 仿真软件搭建接触网和电容型验电器模型，计算不同位置验电时验电器内部的电压U，最后得到电容电流，如式(2)所示

图4 验电器内部结构图

接触网的实际结构如图5 所示，假设验电器垂直向上接触被测点，分别置于图中1、2、3、4、5的位置，其中位置1 在接触线处，距轨面高度6 000 mm，该处上方没有定位线夹，且距离两边线夹较远；位置2 为定位线夹下方的接触线，距轨面高度6 000 mm；位置3 为定位管最外侧，距离边缘10 cm 处，距轨面高度6 370 mm；位置4 为斜腕臂下方，距离绝缘子10 cm 处，距轨面高度6 100 mm；位置5 为斜腕臂上方，距离平腕臂与斜腕臂交汇点10 cm 处。以27.5 kV 接触网为例，在ANSYS Maxwell 仿真软件中搭建接触网模型，仿真模型零件材料如表2 所示，仿真结构模型如图6 所示，分别计算不同位置流过验电器的电容电流。

图5 接触网实际结构图

图6 接触网仿真模型

表2 仿真模型零件材料

4.1 位置1

当验电器在位置1 验电时，其周围的电位及电场分布如图7a、7b 所示。验电器接触电极的电势与线路电压基本相同，电势沿着验电器绝缘棒逐渐减小。接触电极附近的电位降落快，绝缘棒的外部电位降落缓慢。接触电极附近的电场强度较高。

图7 位置1 验电器周围电位及电场分布图

验电器内部电位及电场分布云图如图8a、8b 所示。验电器的内部电位从接触电极到验电器底部逐渐降低，PCB 板两侧铜线与验电器下方蜂鸣器等电位，接触电极与板子上方焊点等电位。此时，根据式(2)计算验电器电容电流为16.56 μA。

图8 位置1 验电器内部电位及电场分布图

4.2 位置2

当验电器在位置2 验电时，验电器内部电位云图如图9 所示。根据电位云图计算可得，验电器电容电流值为15.52 μA。

图9 位置2 验电器内部电位分布云图

4.3 位置3

当验电器在位置3 验电时，如图10 所示，根据验电器内部电位分布云图计算可得，电容电流值为12.84 μA。

图10 位置3 验电器内部电位分布云图

4.4 位置4

当验电器在位置4 验电时，如图11 所示，根据验电器内部电位分布云图计算可得，电容电流值为14.59 μA。

图11 位置4 验电器内部电位分布云图

4.5 位置5

当验电器在位置5 验电时，如图12 所示，根据验电器内部电位分布云图计算可得，电容电流值为13.85 μA。

图12 位置5 验电器内部电位分布云图

4.6 仿真结果分析

当验电器在接触网不同位置验电时，验电器内部电容电流的大小如表3 所示。

表3 不同检测位置验电器电容电流值

由表3 可以得出如下结论。

(1) 验电器在腕臂和接触线验电时，其灵敏度与稳定性均存在差异。相较于在腕臂验电，在接触线验电时，电容电流值远大于验电器最小启动电流值，说明在接触线验电可确保验电器正常可靠工作。

(2) 在定位管验电时，电容电流的大小基本和最小启动电流值一样，导致验电器会出现工作不稳定或误判的现象。

5 现场试验

为了验证不同位置对验电器灵敏度的影响，在南京南铁路供电段的南京南至江宁西检修作业期间进行了现场试验，通过试验分别验证在接触线、上方有定位线夹的接触线、定位管、斜腕臂下方、斜腕臂上方这五个地方验电，验电器能否稳定工作。选取10 只GSY-Ⅱ型27.5 kV 电容型验电器，对上述五个地方进行试验，现场试验图如图13 所示。试验结果如表4 所示。

表4 不同检测位置验电器验电情况

图13 装置现场作业图

根据试验结果可以得到，在接触线和斜腕臂下方验电时，验电器能够稳定可靠地工作；在定位管处验电时，验电器基本不工作；在有定位线夹的接触线和斜腕臂上方验电时，验电器不能可靠工作。因此，在实际接触网检修作业验电时，要选择合适的验电位置。在接触线验电时应选择远离线夹的位置验电，在腕臂验电时应选择靠近斜腕臂下方的位置，确保验电器可靠工作，避免检修人员带电挂接地线，保证检修人员的人身安全。