張永康

0 引言

在電纜分支箱、箱式變壓器及環(huán)網(wǎng)柜等全絕緣設(shè)備中，由于各個帶電部件都是全絕緣的，無法直接判斷線路是否帶電，同時對于架空高壓輸電線路，由于架設(shè)距離較高，且電壓等級較高也無法直接判斷線路是否帶電，為了對上述設(shè)備是否帶電進行準(zhǔn)確判斷，本文提出一種基于場強法的高壓輸電線路帶電指示器，可以廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)和室外電壓等級為10～500 kV電氣設(shè)備上，以翻牌形式顯示出高壓設(shè)備帶電運行狀況，可有效防止誤觸電、帶電掛地線等引起的人身、設(shè)備和電力系統(tǒng)停電事故，對電力系統(tǒng)的安全可靠運行具有重要意義。

1 高壓輸電線路帶電指示器設(shè)計原理

1.1 從高壓輸電線路上間接獲取電壓信號

1.1.1 工頻電場計算原理[1～5]

本文主要研究工頻交變電場，頻率為 50（或60）Hz，其波長遠大于所研究場域的幾何尺寸，故可以用靜電場的一般概念來分析。關(guān)于輸電線路及附近工頻電場的算法，根據(jù)“國際大電網(wǎng)會議第36.01工作組”推薦的方法，一般采用以鏡像法為理論基礎(chǔ)的等效電荷法計算高壓送電線下空間工頻電場強度。

高壓輸電線的電場計算采用等效電荷法，高壓輸電線路上的等效電荷是線電荷，由于高壓輸電線半徑r遠遠小于架設(shè)高度h，所以等效電荷的位置可以認為是在送電導(dǎo)線的幾何中心。下文假設(shè)輸電線路為無限長并平行于地面，且把地面視為良導(dǎo)體，研究計算單位長度導(dǎo)線上的電荷。

1.1.2 單位長度導(dǎo)線上等效電荷的計算

設(shè)輸電線路為無限長且與地面平行，地面可視為良導(dǎo)體，利用鏡像法計算輸電線上的等效電荷。為了計算多導(dǎo)線線路中導(dǎo)線的等效電荷，采用麥克斯韋電位系數(shù)法計算，可列出下列矩陣方程：

式中，[U]為各導(dǎo)線對地電壓單列矩陣；[Q]為各導(dǎo)線上等效電荷單列矩陣；[λ]為各導(dǎo)線自電位系數(shù)和互電位系數(shù)組成的n階方陣（n為導(dǎo)線數(shù)目）。

[U]矩陣可由輸電線的電壓和相位確定，以額定電壓作為計算電壓，由三相線間電壓可計算各導(dǎo)線對地電壓為。矩陣[λ]可以由鏡像原理求得。地面為電位等于零的平面，地面的感應(yīng)電荷可由對應(yīng)地面導(dǎo)線的鏡像電荷代替，用i，j…表示相互平行的實際導(dǎo)線，用i′，j′…表示它的鏡像，如圖1所示。

圖1 電位系數(shù)計算圖

電位系數(shù)可寫為

式中，ε0為空氣介電常數(shù)，

Ri為送電導(dǎo)線半徑，對于分裂導(dǎo)線可以用等效的單根導(dǎo)線代替，Ri計算式為

式中，R為分裂導(dǎo)線半徑（圖2）；n為次導(dǎo)線根數(shù)；r為次導(dǎo)線半徑。

圖2 等效半徑計算圖

由[U]和[λ]矩陣，利用式（1）即可解出[Q]矩陣：

由于交流電壓隨時間不斷變化，根據(jù)上述原理就會產(chǎn)生變化的電荷，變化的電荷就會產(chǎn)生電流。對于已知的固定排列的三相或多相輸電線，[U]和[λ]（[τ]）均為定值，理論上[Q]也為定常值，電位系數(shù)[λ]的逆陣[τ]，即為空間某點導(dǎo)體與高壓導(dǎo)線之間的電容量。

1.1.3 電場和電壓信號的獲取電路

當(dāng)電極與高壓輸電線路接觸時，電極與輸電線路之間就可以等效為一電容，如圖3所示，利用電容的分壓特性在電容C兩端可以獲得與輸電線路電壓成分完全一致的電壓信號，將該信號送到信號處理電路處理后，就可作為輸電線路是否存在電壓的判據(jù)。

圖3 電場耦合式電壓信號采集電路圖

1.2 從高壓輸電線路上間接獲取電能

當(dāng)高壓輸電線路上有較大電流通過時，在其周圍就會耦合出磁場，這樣使輸電線路穿過截面較小的電流互感器（下文簡稱CT），利用鐵心的磁飽和特性可以得到較為穩(wěn)定的直流電壓，這就是該電源設(shè)計的理論依據(jù)。小CT取電即從高壓母線上感應(yīng)得到交流電能，然后經(jīng)整流、濾波、泄放、DC-DC變換等，得到穩(wěn)定的5 V和3.3 V電壓，為后面的電子電路提供電能，設(shè)計框圖如圖4所示。從高壓側(cè)取得的這部分能量相對于一次側(cè)的總能量是非常小的，不會對高壓側(cè)產(chǎn)生影響。

當(dāng)小CT在進入飽和狀態(tài)后，輸出電壓穩(wěn)定，圖5為小CT的鐵心深度飽和時的波形圖。

圖4 小CT取電電路原理框圖

從圖5可以看出，鐵心未飽和時，磁感應(yīng)強度隨時間變化近似成線性；當(dāng)鐵心飽和后磁感應(yīng)強度增長極其緩慢，可以近似地認為此時的磁感應(yīng)強度維持在一個定值（BS）不變。其二次側(cè)電壓值為

式中，e2為二次側(cè)電壓值，N2為二次側(cè)線圈匝數(shù)，Φ為主磁通，S為鐵心截面積。

在時間t1到t2區(qū)間對e2進行積分：

由式（7）可得，在鐵心進入飽和后半個周期內(nèi)的電壓值是一個定值，如圖5中上面的曲線，而且可以看出，其大小與母線電流無關(guān)，只與鐵心截面積，二次側(cè)線圈匝數(shù)和飽和磁感應(yīng)強度有關(guān)。

圖5 鐵心深度飽和時磁感應(yīng)強度和電動勢的曲線圖

2 高壓輸電線路帶電指示器的設(shè)計

高壓輸電線路帶電指示器主要包括電場耦合式電壓信號采集電路、信號處理電路、小CT取電電路、電池電源電路、微處理器、翻牌指示驅(qū)動電路、翻牌指示器和接口電路。其原理結(jié)構(gòu)見圖6。

該帶電指示器用專用結(jié)構(gòu)掛接在輸電線路上，當(dāng)輸電線路上的電流大于50 A時，利用電場耦合原理即可獲得指示器持續(xù)工作的電能，同時考慮采用小截面鐵心，利用磁場飽和技術(shù)解決了大電流時的限流問題，使指示器電流超過3 000 A時仍然可以可靠地工作，當(dāng)輸電線路電流小于50 A時采用電池為指示器提供持續(xù)工作的電能，指示器正常工作時電流小于2 mA。當(dāng)輸電線路上有電壓時，則指示器翻紅牌，輸電線路上沒有電壓時，則指示器翻白牌。

圖6 高壓輸電線路帶電指示器原理結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

利用上述原理設(shè)計了高壓輸電線路帶電指示器，首先利用磁場耦合原理為指示器工作提供持續(xù)的電能，利用磁場飽和技術(shù)解決大電流時的限流問題，利用電場原理解決非接觸耦合方式測量輸電線路電壓問題，使輸電線路帶電指示器的設(shè)計變得簡單而可靠，高壓輸電線路帶電指示器經(jīng)現(xiàn)場使用，完全滿足輸電線路帶電指示的要求，為輸電線路檢修、維護和故障巡檢提供了全新的可靠的方法。

[1]李國定.電磁場理論基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[2]徐榮杰，劉利華，王然冉.輸電線周圍工頻電場的探測問題[J].沈陽建筑工程學(xué)院學(xué)報，1994，10（4）：399-405.

[3]張啟春，阮江軍，喻建輝.高壓架空線空間場強的數(shù)學(xué)模型[J].高電壓技術(shù)，2000，26（1）：19-21.

[4]張家利，姜震，王德忠.高壓架空輸電線下電場的數(shù)學(xué)模型[J].高電壓技術(shù)，2001，27（4）：10-14.

[5]林曉宇.高壓輸電線路電暈放電電磁輻射影響分析[J].電力環(huán)境保護，2004，20（3）：60-62.