一种220V/10kV非接触式验电装置的设计与实现

苏华，金立我，黄俊杰，张新宝

(1.国网常州供电公司，江苏常州，213000；2.武汉科迪奥电力科技有限公司，湖北武汉，430000)

0 引言

验电器是用于检测高压设备、架空线路、电缆线路等是否带电的检测装置。目前多数10kV电压等级的验电器主要为电容式验电器,具有体积小、操作简单、携带方便等优点，但使用时需直接接触裸露的金属导线，存在一定安全隐患。本文设计一种220V/10kV非接触式验电装置，该装置集成220V和10kV两个电压等级的验电功能，通过档位调节开关进行不同电压等级切换。作业人员无需携带多个不同电压等级的验电器,为线路不停电作业工作带来很大便利。

1 整体方案设计

图1为本验电装置的设计框图，其主要构成有：电场传感器探头、信号处理电路、电源模块及报警灯、蜂鸣器等。电场传感器探头用于探测带电设备附近的工频电场，并输出相关的双路差分电压信号，分压电路接收双路差分电压信号并进行限流降压处理，差分放大电路将限流降压处理后的双路差分电压信号转换成新的电压信号，滤波电路从新的电压信号中提取工频电压信号并消除其中的直流分量和谐波分量，模数转换电路采集并传输工频电压信号至微控制器，对工频信号进行幅值提取、电压电场数据转换及阈值判断，电场信号幅值大于或等于所述阈值时输出报警信号，功率放大电路放大报警信号并控制报警灯、蜂鸣器工作，进行声光提示。档位调节电路通过选定档位控制电源的开关、自检或测试的进行。

图1 验电装置设计框图

2 电场传感器探头设计

2.1 传感器结构设计

常用的电场传感器有旋叶式、光纤式及电容式等，旋叶结构可对轴向和径向电场进行测量，但功耗较高，难以满足连续工作的需求；光纤式电场传感器抗干扰能力强，检测精度高，但体积较大，且价格昂贵；电容式电场传感器多为平板型、盒型结构，由于边缘效应，极板的边缘处会聚集电荷，造成极板周围电场畸变较大，从而影响传感器精度。

本文提出一种双球壳结构的电场传感器，主要由内球壳、外球壳以及填充介质组成。外球壳为两个不锈钢材质的半球壳通过导电材料焊接形成；在外球壳和内球壳之间填充橡胶材质的填充介质，形成感应球头。当感应球头置于电场区域中时，将在电极上积聚微小的电荷，从而产生感应电压，经对感应电压信号进行计算可得到被测电场大小。电场传感器结构如图2所示。

图2 电场传感器结构示意图

2.2 传感器的测量原理

当双球壳结构的电场传感器置于待测电场E中时，传感器外球壳的上半球面和下半球面为传感器的两个电极，设传感器圆心A所在的位置为待测点，传感器放入电场前该点的电场强度为EA，当把传感器放入电场中A点之后，由于存在开孔，外球壳无法完全屏蔽电场，在静电感应的作用下，传感器两半球壳的外表面上产生感应电荷。

设上半球壳表面积为S，球壳外表面的面电荷密度为σ，则半球壳的感应电荷量为:

球型传感器放入电场后，球壳上的表面电荷量Q与球心处的电场强度EA成正比:

其中，K为比例系数。传感器电容为：

其中，ε为绝缘介质介电常数，a、b为内、外球壳半径。

感应电荷将在内外球壳间产生一个微小的电压:

结合上式可得:U=KE（Ab-a）/4πεab。

电场传感器感应电压U与电场强度EA成正比，因此，可通过测量感应电压计算电场强度，进而判断待测设备带电状态。当其测量感应电压大于验电器设定的阀值电压时，验电器发出报警提示，实现验电。

3 装置设计与实现

3.1 结构设计

本文设计的非接触式验电装置可用于220V/10kV线路绝缘导线或裸导线的非接触式带电检测，当被测部件周围存在电场，指示灯和蜂鸣器发出连续的声光信号时，指示物体带电。装置组成包括：外筒，感应球头、主板、电池仓、蜂鸣器、底座等。外筒的一侧设置有开关，用作电压挡位调节和自检档位选择；外筒的顶部连接有感应球头（外部安装自检罩、外罩）与灯板（外部安装环形灯罩、透光板）；外筒的内腔安装有主板支撑座、主板盖、电池仓、蜂鸣器；外筒的底部安装有底座，底座的下侧有连接绝缘伸缩杆的螺纹接口，具体结构如图3所示。

图3 装置结构设计

3.2 PCB整体电路设计

本文设计PCB板如图4，设计时主要采用了以下几点来增加系统抗电磁干扰能力:（1）将数字电路信号、模拟电路信号和有大噪声产生的电路尽可能的分开，减少信号耦合。（2）布线尽量为垂直方向，尽量减小走线的长度和器件引脚的弯折。（3）在电源电路中跨接去耦电容，以降低电源噪声干扰。（4）电路板外的引线采用具有屏蔽效果的屏蔽线。

图4 电路板设计

3.3 使用步骤设计

使用本装置进行验电操作时，首先取下外罩将开关切换至“220V”档位，然后将自检罩在衣物上快速摩擦，若环形灯板与蜂鸣器发出间歇性声光报警提示则表示通过自检操作，可通过开关“220V/10kV”档位的切换进行相应电压等级的验电操作。操作步骤如图5所示。

图5 装置操作流程

3.4 测试及结果分析

为了验证所设计的非接触式验电器的可行性,在实验室中使用高压发生器模拟10kV高压线路,将研制的验电装置靠近高压线路，距离在0～80cm之间变化，对导线带电状态进行检测,实验数据如表1和图6所示。

图6 模拟测试场景

表1 10kV模拟导线实验电场测试数据

35 0.23×104 40 0.22×104 45 0.21×104 50 0.2×104 55 0.2×104 60 0.18×104 65 0.17×104 70 0.16×104 75 0.14×104 80 0.12×104

由图7可知，电场强度随着距离的增大而减小，在0-20cm距离区间内，随着距离的增大电场衰减趋势较为明显，此后随着距离继续增加，电场保持平稳缓慢的下降直至接近于零。因此，推断可利用电场传感器在离带电体0-20cm距离范围内进行非接触式验电，根据场强的变化规律设置报警电压参数以及各距离下的报警频率，通过检测到的电场强度，并结合距离的关系来判断待测设备带电状态。

图7 10kV模拟导线电场分布曲线

继续进行实际线路的装置测试，根据模拟场景实验分析结果，设置20cm处电场强度为报警阈值，选取220V/10kV线路为测试目标，将所设计的验电装置与导线距离在0-20cm变化 ,对导线带电状态进行检测,根据报警次数统计，验证装置的可靠性，测试结果如表2所示。

图8 装置真实线路测试场景

表2 220V/10kV线路验电报警情况统计

50 50 100%5 50 49 98%10 50 50 100%15 50 49 98%20 50 48 96%0 10

表2结果表明，本验电装置在在20cm检测范围内能保持较好的检测效果，且测试距离越近，验电效果越好。因此可以设置一个合理的报警阈值，根据电力安规要求的安全距离，尽量选择靠近待测物的位置进行验电操作。

4 结束语

本文针对目前验电作业存在的一些问题，设计了一种220V/10kV非接触式验电装置。研制的样机，在模拟环境和实际线路上的测试结果表明：本验电器在0～20cm的非接触距离内，具有优良的验电效果；本设计也可为其他更高电压等级的验电器设计提供参考。