非接觸式高壓驗電器的開發(圖)

文章介紹了非接觸式驗電器的工作原理和結構，并對現場中出現的問題進行了分析和解決,通過實際中的應用驗證了設計原理的正確性。

高壓線路停電檢修時必須遵循停電、驗電、掛地再開始操作的規定。驗電操作必須通過驗電器來完成。驗電器是用來檢測電力設備上是否存在電壓的常用電力安全工具之一，通過驗電器明確驗證停電設備是否確無電壓，再進行其他操作，以防止出現帶電裝接地線（合接地刀閘)、誤碰有電設備等惡性事故的發生。因此，在電力行業中驗電器的作用不可忽視。

傳統的驗電器都是便攜式的，通常是把驗電器安裝在操作桿上，操作時用驗電器直接與高壓線路接觸，驗電器中的電阻將高電壓降低到安全的電壓值（通常是幾伏），通過人體到大地形成一個回路，驗電器中通常都帶有聲音或發光指示線路是否帶電。傳統的驗電器小巧、攜帶方便，但必須與高壓線路接觸才能使用，因此仍然存在安全隱患。傳統驗電器在使用中要用到電池，這給使用帶來不便，并且在使用中如果電池電能耗盡而沒有及時更換導致驗電器不能正確發聲或發光也會帶來安全隱患。非接觸式驗電器是一種新型驗電器，它突破了傳統驗電器設計理論和思路的束縛，無須接觸即可檢測高壓線是否帶電，使用起來安全、方便、正確。

非接觸式高壓驗電器簡介
非接觸式高壓驗電器功能簡介
非接觸式驗電器是一種新型驗電器，它不直接與高壓線接觸，利用高壓線附近的電場來檢測高壓線路是否帶電，通過指示燈發出有電或無電信息，同時還可以給監控設備發送有電或無電的監控信息。本裝置固定安裝在室外某段高壓線的電線桿上，它采用交流或直流電源對整個設備供電，免去了更換電池的煩惱，因此它既可以用于檢測高壓線是否帶電，也可以用于長期監視高壓線工作。本裝置外部安裝了防水盒，完全可以滿足室外工作的要求。

本次開發的驗電器主要用于鐵路中高壓輸電線路的監測工作，其設計要求是監測鐵路中27.5kV電壓線路的運行情況。

非接觸式高壓驗電器使用現場簡介
鐵路上一般都有兩路以上的電線，因此相互線路之間都存在電場干擾，從現場測得的結果來看最大相互干擾不超過0.9V，在本線路有電情況下傳感器讀出來的信號一般在3～5V，最低為2.47V，本線路無電而其他相鄰線路有電時信號一般為0.5～0.8V，最高為0.89V。

傳感器輸出信號跟天氣有一定關系，晴天信號較強，一般在4～5V，雨天特別是大雨天信號相對較弱，一般在3～4V。本文認為下雨天特別是大雨天，傳感器外殼被雨淋濕，而傳感器外殼與大地連接，使得傳感器外殼上的水膜形成了一個與大地連接的屏蔽罩，最終導致傳感器讀取的信號較弱。

現場存在各種干擾信號，主要是來自于電力機車，從示波器中測得的波形來看都是高次諧波，表現為波峰（谷）處或附近出現毛刺波形。因此濾波必不可少。

非接觸式高壓驗電器的工作原理
本裝置由傳感器、信號跟隨電路、濾波電路、倍壓整流電路、減法電路、放大電路、施密特觸發電路、信號指示和監控信號發送電路組成，其原理圖如圖1所示。傳感器讀取高壓線附近的電場信號，傳感器送出的交流信號經過信號跟隨電路跟隨并正向偏置后進行濾波，然后將交流信號倍壓整流成直流信號，減法器減掉相鄰線路間的干擾信號，放大器將信號進行必要的放大后送入施密特觸發器，觸發器根據輸入信號的大小送出有電、無電兩種信號，信號指示燈將有電無電信號在驗電器上顯示出來，同時監控信號發送電路將有電無電信號送入室內監控設備。

圖1 非接觸式驗電器原理圖

非接觸式高壓驗電器的結構
電源
電源對整個設備提供12V的直流工作電壓。本裝置一般安裝在鐵路配電所附近，各個配電所能提供的電源不同，有交流220V也有直流110V，因此本裝置中選用了北京新興博思達科技有限公司的HQE 15W 交流/直流隔離變換器作為電源，該電源輸入可以是交、直流，輸出電壓為直流12V。

傳感器
傳感器安裝在距離高壓線0.8m的正下方，用于讀取高壓線附近的電場信號。本裝置中的傳感器采用銅片電容設計，從電容兩端分別引出兩根導線，靠近高壓線處銅片引出的導線作為信號輸出的正極，另一端接地。傳感器的信號線外都加有屏蔽層，屏蔽層與傳感器信號線中的地線一同接地。傳感器送出的信號為工頻50Hz交流電壓信號。

圖2 信號跟隨電路

信號跟隨電路
電容式傳感器電流驅動能力較弱，這就對驗電器的輸入阻抗有較嚴格的要求。從實際使用的情況來看，輸入阻抗最佳值是在1～2MΩ。另外由于傳感器送出的是交流信號，并且驗電器使 用單電源，故在信號進入后必須進行偏置，否則在濾波處就會將信號負半周截止掉。信號跟隨電路如圖2所示。信號由C1―1輸入，C1―3接地，電容C101隔去直流干擾信號。電位器W101接電源，另一端與R101連接組成偏置電路，通過調節W101來為輸入新提供合適的偏置電壓。C102為退偶電容。

濾波電路
本電路中采用了一階巴特沃思低通濾波，濾波截止頻率為50Hz。信號經過濾波之后高次諧波得到明顯的削弱，驗電器的穩定性得到加強。

倍壓整流電路
倍壓整流電路將交流信號轉換為直流信號。驗電器最后只需檢測出高壓線有電和無電兩種狀態，信號經過整流之后就轉化為直流信號供后續電路處理。

減法電路
相鄰線路之間存在著相互干擾信號，減法電路可以將干擾信號減掉或將過強的信號衰減到合適的值。

放大電路
不同現場中信號強弱不一樣，有些現場的信號經過倍壓之后不足以驅動后續電路工作，放大器可以將信號放大到合適的大小。

施密特觸發電路
現場中信號在電力機車通過的時候難免出現一定幅度的波動，在之前設計的驗電器中曾經出現過指示燈連續跳動的問題，跳動頻率幾十赫茲。施密特觸發電路可以很好的解決這個問題。本電路采用NE555設計，閾值電壓為4V和8V，即輸入電壓大于8V時輸出為低電平，輸入電壓低于4V時輸出為高電平。

信號指示和監控信號發送電路
指示燈將高壓線有電或無電信號在驗電器上顯示出來，監控信號發送電路將有電或無電信號送入監控室。施密特觸發電路輸出的信號控制兩路并聯繼電器，一路控制信號燈，另一路繼電器根據輸入端的信號發出斷開、閉兩個狀態將有電無電信號送如室內監控設備。

結束語
本裝置不需要與高壓線直接接觸，使用起來安全、方便、正確。本項目從2007年元月開始使用，經過幾個月的運行至今沒有出現問題，能正確發出有電、無電指示信號和監控信號，電力機車通過時的干擾信號得到有效的衰減，整個設備運行穩定，完全可以滿足實際應用。因此本裝置設計原理和思路的正確性得到驗證。非接觸式驗電器的出現將會對新型驗電器的發展起到一點推動作用。

本裝置也存在不足：從有電狀態向無電狀態跳變時有幾秒的延遲，現場中表現出來的現象為指示燈、繼電器和監控信號的發出同時都有幾秒的延遲。此處原因在于觸發器輸入端加了較大容量的電容，并且NE555耗電較小，在從有電向無電狀態跳變時電容有較長時間的放電過程，因此出現較長時間的延遲。由于延遲時間較短，不影響驗電器運行和使用，并且觸發器輸入端電容起穩定電路和濾波作用而不能去掉，故此處電路沒做改動。