吳小剛

（上海鐵路局杭州供電段，浙江杭州，310009）

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電壓指示型感應(yīng)高壓驗(yàn)電器研究及實(shí)現(xiàn)方案

吳小剛

（上海鐵路局杭州供電段，浙江杭州，310009）

摘要：在現(xiàn)有高壓驗(yàn)電器的設(shè)備上，增加電壓指示功能，并能在標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)環(huán)境下及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下校準(zhǔn)，用于檢測(cè)各種工況帶電設(shè)備的電壓值及停電線路的感應(yīng)電壓值；同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行分析，明確驗(yàn)電地理位置，確定合理的驗(yàn)電器起動(dòng)電壓值。為了保障我國(guó)電氣化鐵路安全運(yùn)行，本文對(duì)電壓指示型感應(yīng)高壓驗(yàn)電器的使用、管理及安全措施等提出了合理的建議，對(duì)實(shí)際工作具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：驗(yàn)電器；感應(yīng)電壓；電壓指示型

引言

目前，我國(guó)電氣化鐵路發(fā)展迅猛，雙線電氣化鐵路的接觸網(wǎng)檢修、應(yīng)急處置作業(yè)大多采用“V”型天窗形式進(jìn)行。由于接觸網(wǎng)與鐵路設(shè)均為平行架設(shè)，既有為信號(hào)電源供電的10kV貫通、自閉線（大多與接觸網(wǎng)平行架設(shè)）；同時(shí)還有與電力線交叉跨越的情況。10kV貫通、自閉線或接觸網(wǎng)一旦停電后，其感應(yīng)電壓十分復(fù)雜，有的停電線路上的感應(yīng)電壓可達(dá)到幾千伏，最高時(shí)電壓可達(dá)上萬(wàn)伏（如在地區(qū)樞紐、動(dòng)車所、線路跨越處感應(yīng)電壓較高），也有因接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在帶電設(shè)備的某部位測(cè)試驗(yàn)電器不報(bào)警[1]。如何正確識(shí)別停電和帶電線路，對(duì)確保電力和接觸網(wǎng)檢修作業(yè)人員的人身安全和可靠供電非常迫切。本文對(duì)感應(yīng)高壓驗(yàn)電器研究及實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)實(shí)際工作很有指導(dǎo)意義。

1　感應(yīng)電壓測(cè)試設(shè)備研究背景

鐵路接觸網(wǎng)和電力現(xiàn)使用的均為電容型驗(yàn)電器，其工作原理圖1，等同于場(chǎng)強(qiáng)計(jì)，是檢測(cè)流過(guò)驗(yàn)電器對(duì)地雜散電容中的電流來(lái)判斷電壓是否存在的裝置，在驗(yàn)電點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到驗(yàn)電器的報(bào)警門坎時(shí)驗(yàn)電器會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，因接觸網(wǎng)的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，處在等電位場(chǎng)強(qiáng)處的驗(yàn)電器所檢測(cè)到的場(chǎng)強(qiáng)壓差較小就不會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。電容型驗(yàn)電器驗(yàn)電結(jié)果存在不確定性，通常包括兩個(gè)方面：一是在已知停電線路上驗(yàn)電，因感應(yīng)電壓較高，出現(xiàn)驗(yàn)電器誤報(bào)警；二是在已知帶電設(shè)備的不同部件上驗(yàn)電，出現(xiàn)有的位置不報(bào)警，驗(yàn)電器無(wú)法正確指示。這就給現(xiàn)場(chǎng)檢修及應(yīng)急處置工作帶來(lái)了較大的困惑，嚴(yán)重危及人身和供電安全[2-3]。

圖1　電容型驗(yàn)電器原理

從圖1分析，絕緣操作桿及操作人員身體均屬于空間雜散電容的范疇，交變回路中電容的電流：I＝2πfCU，式中：C為空間雜散電容，U為指示器所跨越的等電位線的電壓差。

驗(yàn)電器指示器內(nèi)部的工作電流及原理如圖2。

圖2　驗(yàn)電器內(nèi)工作電流示意圖

a)指示器內(nèi)部的工作電流的大小取決于U的大小，Z的大小（通過(guò)調(diào)整Z1——Z5的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)電器起動(dòng)電壓的設(shè)定），Vcc為電池電壓。

b）U的大小取決于流過(guò)驗(yàn)電器對(duì)地雜散電容中的電流的大?。ㄒ?yàn)轵?yàn)電器指示器內(nèi)部接觸電極與電池負(fù)極的阻抗已確定），其主要受以下因素影響：

（1）驗(yàn)電點(diǎn)環(huán)境的場(chǎng)強(qiáng)（影響因素有高壓設(shè)備的電壓，設(shè)備驗(yàn)電點(diǎn)距接地體的距離）；

（2）驗(yàn)電器指示器所在位置的場(chǎng)強(qiáng)分布（即指示器所在位置等電位線的疏密情況，如接觸高壓設(shè)備的尖端，此時(shí)指示器所在位置的等電位線較密集，所以指示器所跨越的等電位線較多，電壓差U較大，驗(yàn)電器內(nèi)部感應(yīng)的電壓U較高，易報(bào)警；接觸高壓設(shè)備的拐角凹處（如接觸網(wǎng)定位器），此時(shí)指示器所在位置的等電位線較疏松，指示器所跨越的等電位線較少，電壓差U較小，驗(yàn)電器內(nèi)部感應(yīng)的電壓U較低，不易報(bào)警；

（3）空間雜散電容C＝ωS/4πkd（影響因素有氣候環(huán)境、驗(yàn)電器的絕緣介質(zhì)，驗(yàn)電器指示器內(nèi)部電源距帶電設(shè)備的距離d）；

（4）頻率f。直流頻率為0就沒(méi)有電流了，不報(bào)警，高頻的頻率高，電流也大，易報(bào)警。

綜上所述，現(xiàn)有的電容型驗(yàn)電器在鐵路電氣化線路上的使用存在很大的局限性，有必要專門研發(fā)一種帶電壓指示功能的高壓驗(yàn)電器，使之滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的起動(dòng)電壓范圍，并能在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況下進(jìn)行校準(zhǔn)指示電壓，進(jìn)而規(guī)范驗(yàn)電位置，確保現(xiàn)場(chǎng)檢修安全。

2　總體設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo)

2.1總體設(shè)計(jì)要求

在現(xiàn)有電容型驗(yàn)電器上需增設(shè)電壓指示功能，驗(yàn)電器和電壓指示共用檢測(cè)回路，電壓指示部分能夠在規(guī)定的檢測(cè)起動(dòng)電壓標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下校準(zhǔn)并指示電壓，能夠依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況進(jìn)行校準(zhǔn)并指示電壓，兩種校準(zhǔn)環(huán)境指示電壓狀態(tài)可切換，且互不影響，互為驗(yàn)證。

2.2主要技術(shù)指標(biāo)

電壓指示型高壓驗(yàn)電器應(yīng)符合DL740《電容型驗(yàn)電器》、鐵運(yùn)[2007]69號(hào)《接觸網(wǎng)安全工作規(guī)程》、鐵運(yùn)[1999]101號(hào)《牽引變電所安全工作規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)；具有標(biāo)態(tài)/現(xiàn)態(tài)校準(zhǔn)后電壓指示功能，明確指示電壓；具有在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下校準(zhǔn)并指示電壓功能；具有在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下校準(zhǔn)并指示線路電壓功能；以上兩種校準(zhǔn)狀態(tài)可以切換進(jìn)行，顯示校準(zhǔn)后電壓指示偏差不大于額定電壓的10％；具有電壓顯示最大值保持功能、電壓顯示跟隨和清零功能；伸縮式操作桿，長(zhǎng)度可選；具有語(yǔ)音報(bào)電壓功能；主從機(jī)結(jié)構(gòu)，主機(jī)（檢測(cè)、顯示、報(bào)警）安裝在伸縮式操作桿頭部，從機(jī)（顯示、報(bào)警、語(yǔ)音）安裝在操作桿手柄上方，主從機(jī)采用無(wú)線方式通訊。

3　主要技術(shù)難點(diǎn)及解決方法

3.1研究制定檢測(cè)回路

研制驗(yàn)電器及電壓指示器共同檢測(cè)回路。一般的電壓采樣回路采用的是電阻分壓的原理，而全回路自檢的驗(yàn)電器是通過(guò)檢測(cè)采樣回路的電流來(lái)判斷現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否帶電，為此在驗(yàn)電器的采樣回路上利用隔離運(yùn)放直接采樣的電流轉(zhuǎn)化為電壓進(jìn)行指示，從原理上保證驗(yàn)電及電壓指示效果上的嚴(yán)格一致。如在可調(diào)壓設(shè)備上驗(yàn)電，逐漸升高設(shè)備電壓，當(dāng)驗(yàn)電器剛剛發(fā)出聲光報(bào)警時(shí)，此時(shí)電壓指示型驗(yàn)電器指示的電壓值即為電壓指示型驗(yàn)電器在此驗(yàn)電環(huán)境下的啟動(dòng)電壓值。

3.2設(shè)置低通電路

為防止驗(yàn)電接觸帶電設(shè)備時(shí)拉弧過(guò)程中的高頻信號(hào)對(duì)電壓采樣造成影響，需設(shè)計(jì)低通電路，截止頻率為100HZ，防止拉弧時(shí)的高頻信號(hào)串入電壓采樣回路。

3.3提高抗電火花性能

由于內(nèi)部主芯片采用微處理器，相對(duì)集成電路的驗(yàn)電器其抗電火花的能力要偏弱些，需采用一系列的措施如：增加TVS瞬變抑制高效能保護(hù)器件，免受各種浪涌脈沖的損壞、采用大面積屏蔽、軟件看門狗，以確?？闺娀鸹ㄔ囼?yàn)通過(guò)。

3.4正確判斷感應(yīng)電壓

當(dāng)停電設(shè)備的感應(yīng)電壓達(dá)到足以使驗(yàn)電器發(fā)出聲光報(bào)警時(shí)，驗(yàn)電器就會(huì)指示設(shè)備帶電。而此時(shí)設(shè)備是否真正帶電呢？這確實(shí)是一個(gè)難題。除了進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的一些間接判斷方法外，用電壓指示型驗(yàn)電器可以為此種情況提供又一判據(jù)。即按照如下的操作方法：

a）用電壓指示型驗(yàn)電器在已知的帶電設(shè)備驗(yàn)電點(diǎn)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境電壓校準(zhǔn)；

b）驗(yàn)電前在已知電源的驗(yàn)電點(diǎn)上或驗(yàn)電器用高壓發(fā)生器對(duì)電壓指示型驗(yàn)電器的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，判定其驗(yàn)電功能及電壓指示功能正常；

c）對(duì)需驗(yàn)電設(shè)備的驗(yàn)電點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)電，根據(jù)其是否發(fā)出聲光報(bào)警及指示的電壓值進(jìn)行判斷。若已發(fā)出聲光報(bào)警但指示的電壓不在額定電壓的范圍則可以認(rèn)為其帶有較高的感應(yīng)電壓。其中額定電壓范圍的認(rèn)定是關(guān)鍵，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行確認(rèn)。

4　方案和技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1系統(tǒng)組成及工作原理

通過(guò)對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)及解決方法的攻關(guān)，由主機(jī)、伸縮式絕緣操作桿、電壓指示型驗(yàn)電器、從機(jī)組成電壓指示型高壓驗(yàn)電器，如圖3所示。主機(jī)安裝在伸縮式絕緣操作桿頭部，從機(jī)安裝在伸縮式絕緣操作桿手柄上部。主機(jī)通過(guò)檢測(cè)流過(guò)驗(yàn)電器對(duì)地雜散電容中的電流來(lái)指示電壓是否存在并顯示所帶電壓值。

主機(jī)與從機(jī)采用無(wú)線通訊的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信及狀態(tài)切換。

圖3

4.2技術(shù)性能

符合D L 7 4 0《電容型驗(yàn)電器》、鐵運(yùn)[2007]69號(hào)《接觸網(wǎng)安全工作規(guī)程》、鐵運(yùn)[1999]101號(hào)《牽引變電所安全工作規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)。校準(zhǔn)后電壓指示偏差不大于額定電壓的10％。伸縮式操作桿，桿長(zhǎng)度可選，具有標(biāo)態(tài)/現(xiàn)態(tài)校準(zhǔn)后電壓指示功能，明確指示線路電壓，具有在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境（標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的起動(dòng)電壓檢測(cè)環(huán)境）下校準(zhǔn)并指示電壓功能，具有在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下校準(zhǔn)并指示線路電壓功能，以上兩種校準(zhǔn)狀態(tài)可以切換進(jìn)行顯示，具有電壓顯示最大值保持功能、電壓顯示跟隨功能；電壓顯示清零功能；主從機(jī)結(jié)構(gòu)，主機(jī)（檢測(cè)、顯示、報(bào)警）安裝在伸縮式操作桿頭部，從機(jī)（顯示、報(bào)警、語(yǔ)音）安裝在操作桿手柄上方，主從機(jī)采用無(wú)線方式通訊，從機(jī)接收主機(jī)發(fā)送的狀態(tài)及電壓信息進(jìn)行狀態(tài)及電壓值顯示，并可切換主機(jī)工作狀態(tài)；從機(jī)具有語(yǔ)音報(bào)電壓功能。

4.3可靠性分析

可直接作電容型驗(yàn)電器使用，由于增加了電壓指示功能，而電壓指示與驗(yàn)電器共用一個(gè)采樣回路，所以電壓指示的結(jié)果同時(shí)也反映了驗(yàn)電的情況。電壓指示型驗(yàn)電器自身帶有自檢功能，可以檢測(cè)內(nèi)部所有電路及電池電壓。電壓指示型驗(yàn)電器與電容型驗(yàn)電器的預(yù)防性試驗(yàn)周期相同。采用此設(shè)備可以檢測(cè)已知帶電設(shè)備不同位置電壓采樣值并與標(biāo)準(zhǔn)起動(dòng)電壓檢測(cè)環(huán)境的電壓值進(jìn)行對(duì)比，可以明確電容型驗(yàn)電器禁止驗(yàn)電的區(qū)域或部件。采用此技術(shù)的驗(yàn)電器可以檢測(cè)各工況下停電設(shè)備的感應(yīng)電壓，也可測(cè)出不同帶電部位的場(chǎng)強(qiáng)壓差，從而為判斷現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否帶電提供更多判據(jù)。

4.4現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與分析

感應(yīng)電壓能量有大有小，不同的檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)的感應(yīng)電壓值也不相同，在有感應(yīng)電壓的情況下，驗(yàn)電器是否會(huì)報(bào)警、感應(yīng)電壓是多少只有用帶電壓指示功能的驗(yàn)電器檢測(cè)才行。初期研發(fā)完成的電壓指示型高壓驗(yàn)電器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，先后在京滬線昆山至陸家浜火車站變臺(tái)桿、10kV貫通線路、蘇州西至外跨塘10kV自閉線路、京滬線接觸網(wǎng)、滬寧高鐵虹封聯(lián)絡(luò)線接觸網(wǎng)、蘇西牽引所主變壓器、饋出線、隔離開(kāi)關(guān)和上海虹橋鐵路樞紐等進(jìn)行了檢測(cè)，并在驗(yàn)電器起動(dòng)電壓試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下校準(zhǔn)后對(duì)不同工況下停電設(shè)備、帶電設(shè)備，所帶電壓進(jìn)行了檢測(cè)，得到了許多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的匯總，總結(jié)分析如下：

（1）驗(yàn)電器及電壓指示型驗(yàn)電器相當(dāng)于一個(gè)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)，由于驗(yàn)電點(diǎn)所處環(huán)境的電場(chǎng)強(qiáng)度及梯度差不同會(huì)造成電壓指示結(jié)果不同。如存在等電位的場(chǎng)所并在等電位的場(chǎng)所中驗(yàn)電，電壓指示值偏??；在距另一相或地構(gòu)件較近的點(diǎn)驗(yàn)電，電壓指示偏高；

（2）在相同的驗(yàn)電環(huán)境下驗(yàn)電，電壓指示基本相同，僅受氣候環(huán)境的影響；

（3）在接觸網(wǎng)上距帶電體很近的接地構(gòu)件上驗(yàn)電，因其電場(chǎng)存在，驗(yàn)電器有可能指示有電，所以驗(yàn)接地構(gòu)件時(shí)，應(yīng)遠(yuǎn)離帶電體；

（4）在距復(fù)雜構(gòu)件一定距離的環(huán)境下驗(yàn)電，因其環(huán)境較單一，電場(chǎng)梯度基本相同,其結(jié)果一致性較好；

（5）在尚未明確規(guī)定驗(yàn)電位置的情況下，接觸網(wǎng)使用的驗(yàn)電器其起動(dòng)電壓應(yīng)不超過(guò)額定電壓的25％。即（27.5×O.25）6875V（牽引變電所安全規(guī)程的要求），且一定要避免在有等電位場(chǎng)的區(qū)域驗(yàn)電；

（6）在實(shí)施V型天窗接觸網(wǎng)停電驗(yàn)電時(shí)，不能在接觸網(wǎng)定位管、凹處和復(fù)雜的構(gòu)架上驗(yàn)電，一定要避免在有等電位場(chǎng)的區(qū)域驗(yàn)電；

（7）驗(yàn)電器起動(dòng)電壓越小越靈敏，但接觸網(wǎng)使用的驗(yàn)電器其起動(dòng)電壓不可設(shè)的過(guò)低，至少應(yīng)超過(guò)4500V，以減小誤報(bào)警的機(jī)率；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)個(gè)別感應(yīng)電壓較高的場(chǎng)所，驗(yàn)電器起動(dòng)電壓可設(shè)在6000～6875V之間，已基本能解決接觸網(wǎng)感應(yīng)電誤報(bào)警的問(wèn)題，最好此驗(yàn)電器專用；

（8）在10kV的電線路上驗(yàn)電時(shí)，驗(yàn)電點(diǎn)不應(yīng)選在有電纜引下線的拐角區(qū)域等等電位場(chǎng)所。而應(yīng)選在變壓器樁頭、接地環(huán)等周圍近處無(wú)帶電設(shè)備的場(chǎng)所；10kV驗(yàn)電器的起動(dòng)電壓不應(yīng)超過(guò)額定電壓的30％；

（9）停電設(shè)備因感應(yīng)電使驗(yàn)電器發(fā)出報(bào)警時(shí)，可使用電壓指示功能判斷設(shè)備是否帶電，并判斷停電前后兩者指示值的差別，至少相差30％，才可認(rèn)為停電。

（10）現(xiàn)場(chǎng)指示的數(shù)據(jù)是同標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的電壓值進(jìn)行對(duì)比，所以要求在用的驗(yàn)電器也應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下檢測(cè)起動(dòng)電壓，使用單位應(yīng)配置驗(yàn)電器標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的監(jiān)測(cè)裝置。

（11）使用電壓指示型驗(yàn)電器，在使用前應(yīng)使用工頻高壓發(fā)生器對(duì)驗(yàn)電器進(jìn)行有效性驗(yàn)證，確保作業(yè)所帶驗(yàn)電器完好。

5　結(jié)束語(yǔ)

電壓指示型高壓驗(yàn)電器在原有驗(yàn)電器的基礎(chǔ)上增加了電壓指示功能，且電壓指示與驗(yàn)電共用檢測(cè)回路，電壓指示為驗(yàn)電情況提供了更直觀的顯示，加上語(yǔ)音提示電壓、實(shí)用性更強(qiáng)、更安全可靠。能在標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)環(huán)境下及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下校準(zhǔn)，用于檢測(cè)各種工況帶電設(shè)備的電壓值及停電線路的感應(yīng)電壓值，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)不同工況下進(jìn)行測(cè)試并根據(jù)原理進(jìn)行分析，明確了接觸網(wǎng)驗(yàn)電位置及注意事項(xiàng)并確定了合理的驗(yàn)電器起動(dòng)電壓值。通過(guò)以上驗(yàn)電管理措施的實(shí)施，大大提高了驗(yàn)電結(jié)果的正確性，確保了作業(yè)人員及供電安全。

參考文獻(xiàn)

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吳小剛(1957-7)，本科，工程師。研究方向：電力運(yùn)行檢修技術(shù)。

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

作者簡(jiǎn)介：

DOI:工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL:http//www.china-iti.com10.14103/j.issn.2095-8412.2016.01.004

中圖分類號(hào)：TH2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8412(2016)01-644-05