35 kV电容型验电器启动电压试验仿真与分析

朱东良，顾燕苏，危凯琪，张 雄

(1.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004；2.国网福建省电力有限公司，福建 福州 350000)

0 引言

随着电力工业的快速发展，电容型验电器作为一种常见的电力安全工具，其使用越来越频繁，在电力检修等关系人身安全的活动中起着关键作用。为保证验电器正常工作，给操作人员发出清晰准确的指示信号，需要在验电器的检测试验中准确测出启动电压数值，并在同相、反相电场干扰试验中保证验电器的正确指示。

1 验电器杂散电容仿真计算

电容型验电器是一种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的装置。从原理上分析，在验电器接触带电设备进行验电时，带电设备、验电器电极、验电器地之间会形成一个杂散电容；验电器地、验电器绝缘杆、操作者人体和大地形成另一个电容，两个电容的串联回路中会流过一个微弱的电流，通过对微弱电流进行检测，在达到一定数值后，验电器会发出有电指示以提醒操作者。

杂散电容由电容型验电器接触电极与内部电路板电源地形成，电路板电源负极由导线连接到一个圆形金属片。由于无法通过计算公式得出电容，且需要考虑电场边缘效应，因此，若通过多物理场仿真软件进行有限元仿真计算，首先先建立相应的几何模型(见图1)，再设置材料及终端电压等边界条件并进行网格划分，最后计算出杂散电容的值为25 pF。

图1 电容型验电器几何模型

2 验电器原理及启动电压仿真试验

2.1 验电器电路

电容型验电器作为一种接触式验电器，由接触电极、验电器本体、伸缩绝缘杆组成；验电器本体由电路板、纽扣电池、一个自检按钮AN、两个LED灯及一个蜂鸣器组成。以35 kV GSY型电容型验电器为例，其电路结构如图2所示。

图2 35 kV GSY型电容型验电器电路结构

整个电路主要由限流电路、缩放电路、滤波及谐波振荡电路、声光报警电路等部分组成。电流经电极、电阻R1、反向二极管D1流入PNP三极管Q1基极，当电流达到一定阈值后，Q1导通，R3电压拉升至高电平，经过C1电容滤波后输入4011B与非门，经过谐波振荡电路调整后输出矩形方波脉冲信号，点亮D2，D3发光二极管，并使蜂鸣器发出声响。在按下自检按钮AN后，4011B与非门输入高电平，同样可以点亮D2，D3发光二极管，并使蜂鸣器发出声响。

2.2 验电器电路仿真与启动电压试验

采用电子电路仿真软件搭建该款验电器仿真电路，如图3所示，研究验电器内部电流、电压波形变化情况。

图3 35 kV GSY型电容型验电器仿真电路

C4为验电器杂散电容，V1为验电器在电场中的感应电压，逐渐增大V1，观察Q1集电极电流及4011BP与非门输出电压波形，结果见表1。

表1 验电器电路仿真结果

因此，根据上述仿真试验结果可知，当验电器电极与验电器地之间的感应电压达到2.45 kV时，验电器启动，发光二极管和蜂鸣器发出清晰指示。

3 验电器实际启动电压试验

按照DL/T 740—2014《电容型验电器》对35 kV验电器进行实际启动电压试验，结果见表2。

表2 验电器启动电压

启动电压平均值为7.85 kV，符合标准中启动电压在0.1Un～0.45Un范围内的要求。

4 验电器启动电压试验仿真模型

根据DL/T 740—2014《电容型验电器》标准，35 kV电容型验电器启动电压试验布置如图4所示，球电极接试验变压器高压输出，试验时环电极接地。

图4 电容型验电器启动电压试验布置

建立仿真模型，设置材料及静电边界条件，验电器电极和球电极终端电压设为7.85 kV，验电器地设置为浮动电位，环电极和地面接地。

验电器电极周围电势分布如图5，靠近电极附近电场强度最大，即电位梯度最大，随着距离增加，电势快速下降，并逐渐平缓，电位梯度随即降低。根据仿真结果，验电器地悬浮电位为5.383 kV，与验电器电极(电位为7.85 kV)的电势差为2.467 kV，与验电器电路仿真启动电压试验结果基本一致。

图5 验电器电极周围电势分布

5 结束语

以上通过对35 kV验电器原理及电路结构进行了分析，并采用电路仿真模型与静电物理场仿真模型对35 kV验电器启动电压试验进行了仿真，经实际试验验证分析，结果基本一致，为电力安全工器具的试验提供了一种验证分析方法。