非接觸式高壓驗(yàn)電器的開發(fā)(圖)

文章介紹了非接觸式驗(yàn)電器的工作原理和結(jié)構(gòu)，并對現(xiàn)場中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析和解決,通過實(shí)際中的應(yīng)用驗(yàn)證了設(shè)計原理的正確性。

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

傳統(tǒng)的驗(yàn)電器都是便攜式的，通常是把驗(yàn)電器安裝在操作桿上，操作時用驗(yàn)電器直接與高壓線路接觸，驗(yàn)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(yàn)電器中通常都帶有聲音或發(fā)光指示線路是否帶電。傳統(tǒng)的驗(yàn)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(tǒng)驗(yàn)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(dǎo)致驗(yàn)電器不能正確發(fā)聲或發(fā)光也會帶來安全隱患。非接觸式驗(yàn)電器是一種新型驗(yàn)電器，它突破了傳統(tǒng)驗(yàn)電器設(shè)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(yàn)電器簡介
非接觸式高壓驗(yàn)電器功能簡介
非接觸式驗(yàn)電器是一種新型驗(yàn)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(fā)出有電或無電信息，同時還可以給監(jiān)控設(shè)備發(fā)送有電或無電的監(jiān)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(shè)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(jiān)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(fā)的驗(yàn)電器主要用于鐵路中高壓輸電線路的監(jiān)測工作，其設(shè)計要求是監(jiān)測鐵路中27.5kV電壓線路的運(yùn)行情況。

非接觸式高壓驗(yàn)電器使用現(xiàn)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(xiàn)場測得的結(jié)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(guān)系，晴天信號較強(qiáng)，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(rèn)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(dǎo)致傳感器讀取的信號較弱。

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

非接觸式高壓驗(yàn)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(fā)電路、信號指示和監(jiān)控信號發(fā)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(jīng)過信號跟隨電路跟隨并正向偏置后進(jìn)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(jìn)行必要的放大后送入施密特觸發(fā)器，觸發(fā)器根據(jù)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(yàn)電器上顯示出來，同時監(jiān)控信號發(fā)送電路將有電無電信號送入室內(nèi)監(jiān)控設(shè)備。

圖1 非接觸式驗(yàn)電器原理圖

非接觸式高壓驗(yàn)電器的結(jié)構(gòu)
電源
電源對整個設(shè)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(dá)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(shè)計，從電容兩端分別引出兩根導(dǎo)線，靠近高壓線處銅片引出的導(dǎo)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(qū)動能力較弱，這就對驗(yàn)電器的輸入阻抗有較嚴(yán)格的要求。從實(shí)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(yàn)電器使 用單電源，故在信號進(jìn)入后必須進(jìn)行偏置，否則在濾波處就會將信號負(fù)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(diào)節(jié)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(jīng)過濾波之后高次諧波得到明顯的削弱，驗(yàn)電器的穩(wěn)定性得到加強(qiáng)。

倍壓整流電路
倍壓整流電路將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號。驗(yàn)電器最后只需檢測出高壓線有電和無電兩種狀態(tài)，信號經(jīng)過整流之后就轉(zhuǎn)化為直流信號供后續(xù)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?qū)⑦^強(qiáng)的信號衰減到合適的值。

放大電路
不同現(xiàn)場中信號強(qiáng)弱不一樣，有些現(xiàn)場的信號經(jīng)過倍壓之后不足以驅(qū)動后續(xù)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(fā)電路
現(xiàn)場中信號在電力機(jī)車通過的時候難免出現(xiàn)一定幅度的波動，在之前設(shè)計的驗(yàn)電器中曾經(jīng)出現(xiàn)過指示燈連續(xù)跳動的問題，跳動頻率幾十赫茲。施密特觸發(fā)電路可以很好的解決這個問題。本電路采用NE555設(shè)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(jiān)控信號發(fā)送電路
指示燈將高壓線有電或無電信號在驗(yàn)電器上顯示出來，監(jiān)控信號發(fā)送電路將有電或無電信號送入監(jiān)控室。施密特觸發(fā)電路輸出的信號控制兩路并聯(lián)繼電器，一路控制信號燈，另一路繼電器根據(jù)輸入端的信號發(fā)出斷開、閉兩個狀態(tài)將有電無電信號送如室內(nèi)監(jiān)控設(shè)備。

結(jié)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(xiàng)目從2007年元月開始使用，經(jīng)過幾個月的運(yùn)行至今沒有出現(xiàn)問題，能正確發(fā)出有電、無電指示信號和監(jiān)控信號，電力機(jī)車通過時的干擾信號得到有效的衰減，整個設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，完全可以滿足實(shí)際應(yīng)用。因此本裝置設(shè)計原理和思路的正確性得到驗(yàn)證。非接觸式驗(yàn)電器的出現(xiàn)將會對新型驗(yàn)電器的發(fā)展起到一點(diǎn)推動作用。

本裝置也存在不足：從有電狀態(tài)向無電狀態(tài)跳變時有幾秒的延遲，現(xiàn)場中表現(xiàn)出來的現(xiàn)象為指示燈、繼電器和監(jiān)控信號的發(fā)出同時都有幾秒的延遲。此處原因在于觸發(fā)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(tài)跳變時電容有較長時間的放電過程，因此出現(xiàn)較長時間的延遲。由于延遲時間較短，不影響驗(yàn)電器運(yùn)行和使用，并且觸發(fā)器輸入端電容起穩(wěn)定電路和濾波作用而不能去掉，故此處電路沒做改動。