电压指示型感应高压验电器研究及实现方案

吴小刚

（上海铁路局杭州供电段，浙江杭州，310009）



电压指示型感应高压验电器研究及实现方案

吴小刚

（上海铁路局杭州供电段，浙江杭州，310009）

摘要：在现有高压验电器的设备上，增加电压指示功能，并能在标准的检测环境下及现场环境下校准，用于检测各种工况带电设备的电压值及停电线路的感应电压值；同时进行现场数据采集，进行分析，明确验电地理位置，确定合理的验电器起动电压值。为了保障我国电气化铁路安全运行，本文对电压指示型感应高压验电器的使用、管理及安全措施等提出了合理的建议，对实际工作具有指导意义。

关键词：验电器；感应电压；电压指示型

引言

目前，我国电气化铁路发展迅猛，双线电气化铁路的接触网检修、应急处置作业大多采用“V”型天窗形式进行。由于接触网与铁路设均为平行架设，既有为信号电源供电的10kV贯通、自闭线（大多与接触网平行架设）；同时还有与电力线交叉跨越的情况。10kV贯通、自闭线或接触网一旦停电后，其感应电压十分复杂，有的停电线路上的感应电压可达到几千伏，最高时电压可达上万伏（如在地区枢纽、动车所、线路跨越处感应电压较高），也有因接触网的结构复杂，在带电设备的某部位测试验电器不报警[1]。如何正确识别停电和带电线路，对确保电力和接触网检修作业人员的人身安全和可靠供电非常迫切。本文对感应高压验电器研究及实现方案，对实际工作很有指导意义。

1　感应电压测试设备研究背景

铁路接触网和电力现使用的均为电容型验电器，其工作原理图1，等同于场强计，是检测流过验电器对地杂散电容中的电流来判断电压是否存在的装置，在验电点的场强达到验电器的报警门坎时验电器会发出声光报警，因接触网的电场结构复杂，处在等电位场强处的验电器所检测到的场强压差较小就不会发出声光报警。电容型验电器验电结果存在不确定性，通常包括两个方面：一是在已知停电线路上验电，因感应电压较高，出现验电器误报警；二是在已知带电设备的不同部件上验电，出现有的位置不报警，验电器无法正确指示。这就给现场检修及应急处置工作带来了较大的困惑，严重危及人身和供电安全[2-3]。

图1　电容型验电器原理

从图1分析，绝缘操作杆及操作人员身体均属于空间杂散电容的范畴，交变回路中电容的电流：I＝2πfCU，式中：C为空间杂散电容，U为指示器所跨越的等电位线的电压差。

验电器指示器内部的工作电流及原理如图2。

图2　验电器内工作电流示意图

a)指示器内部的工作电流的大小取决于U的大小，Z的大小（通过调整Z1——Z5的大小来实现验电器起动电压的设定），Vcc为电池电压。

b）U的大小取决于流过验电器对地杂散电容中的电流的大小（因为验电器指示器内部接触电极与电池负极的阻抗已确定），其主要受以下因素影响：

（1）验电点环境的场强（影响因素有高压设备的电压，设备验电点距接地体的距离）；

（2）验电器指示器所在位置的场强分布（即指示器所在位置等电位线的疏密情况，如接触高压设备的尖端，此时指示器所在位置的等电位线较密集，所以指示器所跨越的等电位线较多，电压差U较大，验电器内部感应的电压U较高，易报警；接触高压设备的拐角凹处（如接触网定位器），此时指示器所在位置的等电位线较疏松，指示器所跨越的等电位线较少，电压差U较小，验电器内部感应的电压U较低，不易报警；

（3）空间杂散电容C＝ωS/4πkd（影响因素有气候环境、验电器的绝缘介质，验电器指示器内部电源距带电设备的距离d）；

（4）频率f。直流频率为0就没有电流了，不报警，高频的频率高，电流也大，易报警。

综上所述，现有的电容型验电器在铁路电气化线路上的使用存在很大的局限性，有必要专门研发一种带电压指示功能的高压验电器，使之满足标准要求的起动电压范围，并能在标准环境及现场环境情况下进行校准指示电压，进而规范验电位置，确保现场检修安全。

2　总体设计要求及技术指标

2.1总体设计要求

在现有电容型验电器上需增设电压指示功能，验电器和电压指示共用检测回路，电压指示部分能够在规定的检测起动电压标准环境下校准并指示电压，能够依据现场环境情况进行校准并指示电压，两种校准环境指示电压状态可切换，且互不影响，互为验证。

2.2主要技术指标

电压指示型高压验电器应符合DL740《电容型验电器》、铁运[2007]69号《接触网安全工作规程》、铁运[1999]101号《牵引变电所安全工作规程》标准；具有标态/现态校准后电压指示功能，明确指示电压；具有在标准环境下校准并指示电压功能；具有在现场环境下校准并指示线路电压功能；以上两种校准状态可以切换进行，显示校准后电压指示偏差不大于额定电压的10％；具有电压显示最大值保持功能、电压显示跟随和清零功能；伸缩式操作杆，长度可选；具有语音报电压功能；主从机结构，主机（检测、显示、报警）安装在伸缩式操作杆头部，从机（显示、报警、语音）安装在操作杆手柄上方，主从机采用无线方式通讯。

3　主要技术难点及解决方法

3.1研究制定检测回路

研制验电器及电压指示器共同检测回路。一般的电压采样回路采用的是电阻分压的原理，而全回路自检的验电器是通过检测采样回路的电流来判断现场设备是否带电，为此在验电器的采样回路上利用隔离运放直接采样的电流转化为电压进行指示，从原理上保证验电及电压指示效果上的严格一致。如在可调压设备上验电，逐渐升高设备电压，当验电器刚刚发出声光报警时，此时电压指示型验电器指示的电压值即为电压指示型验电器在此验电环境下的启动电压值。

3.2设置低通电路

为防止验电接触带电设备时拉弧过程中的高频信号对电压采样造成影响，需设计低通电路，截止频率为100HZ，防止拉弧时的高频信号串入电压采样回路。

3.3提高抗电火花性能

由于内部主芯片采用微处理器，相对集成电路的验电器其抗电火花的能力要偏弱些，需采用一系列的措施如：增加TVS瞬变抑制高效能保护器件，免受各种浪涌脉冲的损坏、采用大面积屏蔽、软件看门狗，以确保抗电火花试验通过。

3.4正确判断感应电压

当停电设备的感应电压达到足以使验电器发出声光报警时，验电器就会指示设备带电。而此时设备是否真正带电呢？这确实是一个难题。除了进行现场的一些间接判断方法外，用电压指示型验电器可以为此种情况提供又一判据。即按照如下的操作方法：

a）用电压指示型验电器在已知的带电设备验电点上进行现场环境电压校准；

b）验电前在已知电源的验电点上或验电器用高压发生器对电压指示型验电器的有效性进行验证，判定其验电功能及电压指示功能正常；

c）对需验电设备的验电点进行验电，根据其是否发出声光报警及指示的电压值进行判断。若已发出声光报警但指示的电压不在额定电压的范围则可以认为其带有较高的感应电压。其中额定电压范围的认定是关键，需要根据实际情况进行确认。

4　方案和技术实现

4.1系统组成及工作原理

通过对上述技术难点及解决方法的攻关，由主机、伸缩式绝缘操作杆、电压指示型验电器、从机组成电压指示型高压验电器，如图3所示。主机安装在伸缩式绝缘操作杆头部，从机安装在伸缩式绝缘操作杆手柄上部。主机通过检测流过验电器对地杂散电容中的电流来指示电压是否存在并显示所带电压值。

主机与从机采用无线通讯的方式实现数据通信及状态切换。

图3

4.2技术性能

符合D L 7 4 0《电容型验电器》、铁运[2007]69号《接触网安全工作规程》、铁运[1999]101号《牵引变电所安全工作规程》标准。校准后电压指示偏差不大于额定电压的10％。伸缩式操作杆，杆长度可选，具有标态/现态校准后电压指示功能，明确指示线路电压，具有在标准环境（标准中规定的起动电压检测环境）下校准并指示电压功能，具有在现场环境下校准并指示线路电压功能，以上两种校准状态可以切换进行显示，具有电压显示最大值保持功能、电压显示跟随功能；电压显示清零功能；主从机结构，主机（检测、显示、报警）安装在伸缩式操作杆头部，从机（显示、报警、语音）安装在操作杆手柄上方，主从机采用无线方式通讯，从机接收主机发送的状态及电压信息进行状态及电压值显示，并可切换主机工作状态；从机具有语音报电压功能。

4.3可靠性分析

可直接作电容型验电器使用，由于增加了电压指示功能，而电压指示与验电器共用一个采样回路，所以电压指示的结果同时也反映了验电的情况。电压指示型验电器自身带有自检功能，可以检测内部所有电路及电池电压。电压指示型验电器与电容型验电器的预防性试验周期相同。采用此设备可以检测已知带电设备不同位置电压采样值并与标准起动电压检测环境的电压值进行对比，可以明确电容型验电器禁止验电的区域或部件。采用此技术的验电器可以检测各工况下停电设备的感应电压，也可测出不同带电部位的场强压差，从而为判断现场设备是否带电提供更多判据。

4.4现场检测与分析

感应电压能量有大有小，不同的检测设备检测的感应电压值也不相同，在有感应电压的情况下，验电器是否会报警、感应电压是多少只有用带电压指示功能的验电器检测才行。初期研发完成的电压指示型高压验电器进行了现场检测，先后在京沪线昆山至陆家浜火车站变台杆、10kV贯通线路、苏州西至外跨塘10kV自闭线路、京沪线接触网、沪宁高铁虹封联络线接触网、苏西牵引所主变压器、馈出线、隔离开关和上海虹桥铁路枢纽等进行了检测，并在验电器起动电压试验的标准环境下校准后对不同工况下停电设备、带电设备，所带电压进行了检测，得到了许多的试验数据，通过对现场数据的汇总，总结分析如下：

（1）验电器及电压指示型验电器相当于一个场强计，由于验电点所处环境的电场强度及梯度差不同会造成电压指示结果不同。如存在等电位的场所并在等电位的场所中验电，电压指示值偏小；在距另一相或地构件较近的点验电，电压指示偏高；

（2）在相同的验电环境下验电，电压指示基本相同，仅受气候环境的影响；

（3）在接触网上距带电体很近的接地构件上验电，因其电场存在，验电器有可能指示有电，所以验接地构件时，应远离带电体；

（4）在距复杂构件一定距离的环境下验电，因其环境较单一，电场梯度基本相同,其结果一致性较好；

（5）在尚未明确规定验电位置的情况下，接触网使用的验电器其起动电压应不超过额定电压的25％。即（27.5×O.25）6875V（牵引变电所安全规程的要求），且一定要避免在有等电位场的区域验电；

（6）在实施V型天窗接触网停电验电时，不能在接触网定位管、凹处和复杂的构架上验电，一定要避免在有等电位场的区域验电；

（7）验电器起动电压越小越灵敏，但接触网使用的验电器其起动电压不可设的过低，至少应超过4500V，以减小误报警的机率；根据经验个别感应电压较高的场所，验电器起动电压可设在6000～6875V之间，已基本能解决接触网感应电误报警的问题，最好此验电器专用；

（8）在10kV的电线路上验电时，验电点不应选在有电缆引下线的拐角区域等等电位场所。而应选在变压器桩头、接地环等周围近处无带电设备的场所；10kV验电器的起动电压不应超过额定电压的30％；

（9）停电设备因感应电使验电器发出报警时，可使用电压指示功能判断设备是否带电，并判断停电前后两者指示值的差别，至少相差30％，才可认为停电。

（10）现场指示的数据是同标准环境下的电压值进行对比，所以要求在用的验电器也应在标准环境下检测起动电压，使用单位应配置验电器标准环境的监测装置。

（11）使用电压指示型验电器，在使用前应使用工频高压发生器对验电器进行有效性验证，确保作业所带验电器完好。

5　结束语

电压指示型高压验电器在原有验电器的基础上增加了电压指示功能，且电压指示与验电共用检测回路，电压指示为验电情况提供了更直观的显示，加上语音提示电压、实用性更强、更安全可靠。能在标准的检测环境下及现场环境下校准，用于检测各种工况带电设备的电压值及停电线路的感应电压值，通过在现场不同工况下进行测试并根据原理进行分析，明确了接触网验电位置及注意事项并确定了合理的验电器起动电压值。通过以上验电管理措施的实施，大大提高了验电结果的正确性，确保了作业人员及供电安全。

参考文献

[1]许学文,覃家露,冯家威.10kV验电器“声光”功能失效的探究与原因分析 《通讯世界》,2015(24).

[2]李禾,邓志祥,王闯,卫昕卓,彭宗仁.电容型验电器验电盲区问题的研究 《 低压电器》 2014,15.

[3]马雷,白家琨.27.5kV电容型高压验电器验电死区问题的探讨《电气化铁道》,2013(4):14-15.

吴小刚(1957-7)，本科，工程师。研究方向：电力运行检修技术。

E-mail:13906514736@163.com

Voltage Indicator Research and Scheme of Induction Type High Voltage Electroscope

Xiaogang Wu
(Hangzhou Power Supply Section of Shanghai Railway Section,Zhejiang,Hangzhou,310009,China)

Abstract:In the existing high voltage electroscope equipment,application technology can increase the voltage indication function,and can calibrate in the standard testing environment and field environment for detection of various conditions.Charged device voltage and power line induced voltage value;technology acquisition scene of visual data analysis is carried out at the same time,clear electrical inspection location determined reasonable electroscope starting voltage value.In order to ensure the safe operation of electrified railways,this paper provides a voltage instructions electroscope type of use,management and safety measures is put forward.It is reasonable,has great guiding significance to the practical work.

Key words:Electroscope;Induction voltage;Voltage type

作者简介：

DOI:工业技术创新 URL:http//www.china-iti.com10.14103/j.issn.2095-8412.2016.01.004

中图分类号：TH2

文献标识码：A

文章编号：2095-8412(2016)01-644-05