麥子穎 陳 爍 胡曉婧 涂傳英 程 順

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

目前，配網(wǎng)電表箱在安全方面存在一定的隱患，電表箱裝設(shè)于戶外、電桿、臺(tái)變和電房旁等處，所處位置環(huán)境較為復(fù)雜，大部分都處于一個(gè)行人比較容易靠近的地方。除此之外，有時(shí)候電表需要人工到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行抄表工作，或者是電表的消缺檢查作業(yè)，這樣作業(yè)人員就不可避免地需要觸碰、打開電表箱，如果電表箱漏電，毫不知情的路人或者是未按規(guī)程驗(yàn)電后再作業(yè)的工作人員，就會(huì)面臨觸電受傷乃至身亡的風(fēng)險(xiǎn)，但是目前針對(duì)電表箱箱體、柜門等可觸碰的地方卻可能僅有一個(gè)“止步，高壓危險(xiǎn)”這種警示牌或者標(biāo)語(yǔ)，不足以讓行人、作業(yè)人員提高警惕，謹(jǐn)防漏電的危險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)一種裝設(shè)于電表箱內(nèi)部的漏電檢測(cè)盒，可以有效地檢測(cè)到電表箱箱體、外殼上的漏電壓大小是否已經(jīng)超過(guò)人體最大承受電壓，并及時(shí)地通過(guò)內(nèi)部的蜂鳴器發(fā)出告警的聲音，確保附近的人員能夠聽到告警聲，并迅速遠(yuǎn)離，及時(shí)向供電所作出反饋；而作業(yè)人員在做好相應(yīng)的防護(hù)措施前提下，才能靠近電表箱進(jìn)行作業(yè)，從而防止人員誤觸碰帶電設(shè)備[1]。

當(dāng)前，市面上還沒有應(yīng)用于金屬電表箱內(nèi)的漏電檢測(cè)裝置，僅有與之相關(guān)或類似的技術(shù)：如具備漏電保護(hù)開關(guān)的電能表，但是漏電保護(hù)開關(guān)不能對(duì)箱體、外殼進(jìn)行監(jiān)測(cè)、保護(hù)、告警；以及各個(gè)供電所里都會(huì)有配備蜂鳴式驗(yàn)電棒，使用驗(yàn)電棒接觸待測(cè)設(shè)備，確認(rèn)蜂鳴器是否告警，以此判斷被測(cè)設(shè)備是否帶電；但是對(duì)于在電表箱附近經(jīng)過(guò)的人員來(lái)說(shuō)，并不可能隨時(shí)配有驗(yàn)電棒，因此還是不能起到直接的警示作用。

1 漏電情況

如果火線和電器機(jī)殼出現(xiàn)連接/連通情況，就會(huì)導(dǎo)致其和大地之間存在一定電位差，導(dǎo)致漏電；另外帶電導(dǎo)體如果出現(xiàn)破損情況，就可能會(huì)和非帶電體接觸，從而產(chǎn)生漏電[2]。漏電作為電箱中的一種常見的事故，包括短路性漏電、電容性漏電、靜電性漏電以及電阻性漏電等[3]。首先因電箱內(nèi)部存在一些輻射以及摩擦，可能還會(huì)引發(fā)靜電性漏電，如果這一過(guò)程中不能實(shí)現(xiàn)放電而造成靜電電壓積累，長(zhǎng)期作用下可能產(chǎn)生電火花從而傷害人體。采用如圖1 所示的模型分析另外3 種漏電情況。

圖1 漏電模型中的R1表征電箱箱殼兒和帶電體之間的電阻，R2表征電箱箱殼兒和大地之間的絕緣電阻，R3表征人體電阻。另外C1表示電箱箱殼和內(nèi)部帶電體之間的分布電容，C2為機(jī)殼與大地之間的分布電容。電箱內(nèi)常見的漏電類型包括電容型漏電、電阻型漏電以及短路型漏電等[4]。

圖1 漏電模型

2 漏電檢測(cè)流程分析

漏電檢測(cè)整體的實(shí)現(xiàn)流程如圖2 所示。在漏電檢測(cè)的探測(cè)端子設(shè)計(jì)中需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行，合理布置位置同時(shí)合理安排探測(cè)端子密度。在各個(gè)探測(cè)端子的協(xié)調(diào)配合下，實(shí)現(xiàn)電箱內(nèi)各點(diǎn)電位變化的檢測(cè)，每個(gè)探測(cè)點(diǎn)均需要采樣，同時(shí)這一過(guò)程需要按照一定頻率進(jìn)行，另外采集到的各種信息首先需要在信號(hào)調(diào)理電路中進(jìn)行處理，然后傳遞到AD 采樣輸入通道（微控制器）中。微控制器在得到相關(guān)的采集數(shù)據(jù)之后，需要進(jìn)一步科學(xué)處理，最終得到每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)一步分析，分析電位變化量的同時(shí)分析電位變化率，以這些參數(shù)來(lái)確定檢測(cè)位置和檢測(cè)區(qū)域的漏電情況。如果監(jiān)測(cè)分析得到的電位變化率呈現(xiàn)一致的特征，則判定電箱沒有出現(xiàn)漏電情況，剩余電流保護(hù)器不動(dòng)作；同樣如果監(jiān)測(cè)分析得到的電位變化率不一致，則判定電箱區(qū)域漏電，然后進(jìn)行分析和定位具體漏電點(diǎn)，如果檢測(cè)到的具體漏電電流變化量達(dá)到相應(yīng)剩余電流保護(hù)器的動(dòng)作閾值、需要進(jìn)行動(dòng)作，則斷開相應(yīng)電路。

圖2 漏電檢測(cè)實(shí)現(xiàn)流程圖

3 應(yīng)用于電箱內(nèi)的漏電檢測(cè)盒的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原理分析

為了規(guī)避金屬電表箱在出現(xiàn)漏電情況后的風(fēng)險(xiǎn)，在缺少告警的前提下，人員不小心直接觸碰到漏電的金屬電表箱；路人或者供電所人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏電的情況，從而延誤消缺；防止出現(xiàn)行人意外接觸電表箱箱體而導(dǎo)致的人身傷亡事件、作業(yè)人員未驗(yàn)電操作而引起的人身觸電事故的問(wèn)題，應(yīng)用于金屬電表箱內(nèi)的漏電檢測(cè)盒應(yīng)運(yùn)而生。

漏電檢測(cè)盒所設(shè)計(jì)的線路板電路圖，把漏電檢測(cè)盒安裝在電箱內(nèi)，2 條電源連接線和開關(guān)始終連接。當(dāng)想要測(cè)試電箱內(nèi)電壓時(shí)，將一條測(cè)試線與地線相連，另一條連接另一個(gè)測(cè)試點(diǎn)。如果電箱內(nèi)的電壓超過(guò)36 V 安全電壓線路板將會(huì)給一個(gè)信號(hào)到喇叭，喇叭報(bào)警，圖3 為漏電檢測(cè)盒模型圖。

電路原理：當(dāng)電箱內(nèi)漏電時(shí)，交變磁場(chǎng)通過(guò)檢測(cè)電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，使導(dǎo)通的場(chǎng)效應(yīng)晶體管VT1 變?yōu)榻刂?，VT2導(dǎo)通，發(fā)光二極管LED 點(diǎn)亮，蜂鳴器兩端產(chǎn)生壓差從而發(fā)出聲音；當(dāng)電箱內(nèi)沒有漏電時(shí)，電VT1 導(dǎo)通，使VT2 截止。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管VT1，采用的是N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管3DJ6 型，晶體管VT2 用的是硅NPN 型低頻晶體管3DX201B，放大倍數(shù)大于100。發(fā)光二極管用平時(shí)透明、通電后發(fā)紅光的進(jìn)口管，電源用AC_DC 模塊電源，其擁有可以直接安裝于金屬電表箱內(nèi)，所占用空間小、集成度高且可靠的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 漏電檢測(cè)盒模型圖

3.2 具體設(shè)計(jì)方案

3.2.1 電流測(cè)量單元設(shè)計(jì)

作為電箱中檢測(cè)裝置的從機(jī)部分，電流測(cè)量單元能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸電纜中的負(fù)荷電流和剩余電流的有效測(cè)量，同時(shí)在這一過(guò)程中能夠結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行手動(dòng)切換。該文電箱內(nèi)的監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)采用鉗形表頭互感器（直徑6 cm，開口式），為保障準(zhǔn)確測(cè)量，在導(dǎo)磁片外圍設(shè)置必要的特殊合金屏蔽罩。合金屏蔽罩設(shè)置的主要目的是實(shí)現(xiàn)外界磁場(chǎng)干擾的屏蔽，最終保證監(jiān)測(cè)到相關(guān)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確性。如果傳輸電纜中存在剩余電流，則監(jiān)測(cè)互感器中中性線和相線的電流會(huì)存在差異，出現(xiàn)交變磁場(chǎng)，同時(shí)在二次線圈中出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。然后進(jìn)行該輸出信號(hào)的采集，并進(jìn)行預(yù)處理，最終傳遞到MCU 中。

3.2.2 無(wú)線通信單元設(shè)計(jì)

無(wú)線通信單元作為整個(gè)設(shè)計(jì)中的主機(jī)，需要保證其能夠接收并發(fā)送超過(guò)30 m的從機(jī)數(shù)據(jù)信息以及執(zhí)行。因此，需要在從機(jī)和主機(jī)中分別設(shè)置相應(yīng)的外置天線，通信方式選用FSK 雙向半雙工方式，為了保證通信正常，選用433 MHz的通用頻率以及<10 dBm 的發(fā)射功率。數(shù)據(jù)傳送中采用IIC總線，如果高電平時(shí)鐘信號(hào)出現(xiàn)則說(shuō)明數(shù)據(jù)穩(wěn)定；如果低電平時(shí)鐘信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致高低電平發(fā)生變化。為了保障電箱內(nèi)漏電監(jiān)測(cè)裝置科學(xué)地工作，無(wú)線通信單元設(shè)計(jì)中的主機(jī)采用MCUSTM32F103RCT6，另外的主機(jī)設(shè)計(jì)中采用STM32F103RCT6。

3.2.3 圖顯及操作單元設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電箱內(nèi)漏電監(jiān)測(cè)裝置的可視化，該文采用LCD 液晶顯示屏顯示相關(guān)監(jiān)測(cè)分析信息，其尺寸根據(jù)從機(jī)和主機(jī)的不同進(jìn)行一定的區(qū)分，其中主機(jī)采用LCD 液晶屏，尺寸大約為10 cm；為了降低成本，從機(jī)采用OLCD 屏設(shè)計(jì)，并縮減其尺寸，大約為3.2 cm。主機(jī)中STM32F103RCT6 的鍵盤輸入采用20 個(gè)管腳，并且采用上拉輸入的方式進(jìn)行。另外，在這一過(guò)程中一共設(shè)置了50 mA～500 mA 共計(jì)6 檔剩余電流超限告警值，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)漏電監(jiān)測(cè)中能夠根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合按鍵進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定和更改，另外，在使用中還能夠結(jié)合配套的無(wú)線接收主機(jī)設(shè)定更改相關(guān)檔位。通過(guò)圖顯及操作單元能夠?qū)崿F(xiàn)超限漏電情況的24 h 連續(xù)監(jiān)測(cè)，包括漏電量以及超限漏電次數(shù)，甚至漏電地點(diǎn)等，針對(duì)超限漏電問(wèn)題還能夠給出相應(yīng)的警告和預(yù)警信息指示。

3.2.4 供電單元設(shè)計(jì)

為了保證電箱內(nèi)漏電監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)用性，該文設(shè)計(jì)中為其配備了可充電的高容量鋰電池，大大提高了其續(xù)航能力。并且在鋰電池的充電中選用TP4056 充電控制器，保證其4.2 V 的恒壓/恒流線性控制充電電壓，在外部電阻器的配合下實(shí)現(xiàn)充電電流的有效設(shè)置。在充電過(guò)程中如果浮充電壓后降至設(shè)定值的0.1 時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效停止檢測(cè)器充電。電壓在移除之后，集成電路經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)之后會(huì)進(jìn)入低電流狀態(tài)，保證<2 μA 的漏電流。同樣利用分壓電阻在進(jìn)行大電流充電過(guò)程中，能夠有效降低TP4056功耗，同樣在這一過(guò)程中通過(guò)科學(xué)合理的電路設(shè)置還能夠計(jì)算電池電壓如果電池電壓低于 3.4 V，MCU 將執(zhí)行關(guān)機(jī)操作，以免耗盡電池進(jìn)而影響使用壽命。

4 電表箱內(nèi)的漏電檢測(cè)盒應(yīng)用效果分析

4.1 應(yīng)用流程簡(jiǎn)介

通過(guò)以上設(shè)計(jì)的漏電檢測(cè)盒經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后，當(dāng)測(cè)試線之間的電壓超過(guò)36 V 時(shí)，漏電檢測(cè)盒可靠告警，發(fā)出蜂鳴聲。在試驗(yàn)合格后，將漏電檢測(cè)盒投入各試點(diǎn)中應(yīng)用。在電箱內(nèi)裝置漏電檢測(cè)盒，在保留智能電表的保護(hù)功能的同時(shí)，通過(guò)告警裝置，發(fā)出聲音提醒路人、作業(yè)人員此電箱有危險(xiǎn)，需要遠(yuǎn)離，同時(shí)也方便群眾報(bào)障、檢修人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并對(duì)其進(jìn)行消缺。安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝固定時(shí)使用漏電檢測(cè)盒背面4 個(gè)角上的雙面膠進(jìn)行黏連，可以比較方便地固定在電箱內(nèi)部，不需要考慮在電箱上設(shè)置專門的位置放置，安裝兼容性較高。漏電檢測(cè)盒運(yùn)行使用電箱內(nèi)部的電源，通過(guò)交直流變換模塊，直接為電路板供電，不需要外接電源。

4.2 應(yīng)用效果分析

當(dāng)漏電檢測(cè)盒試驗(yàn)合格，供電所將其安裝應(yīng)用于電箱后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀察，發(fā)現(xiàn)漏電檢測(cè)盒不僅能夠有效提高用電臺(tái)區(qū)的節(jié)能減損工作，而且通過(guò)漏電監(jiān)測(cè)裝置的引入，還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)了解漏電情況，并對(duì)漏電位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)和電箱漏電的科學(xué)、高效排查。圖4為漏電檢測(cè)盒現(xiàn)場(chǎng)安裝圖片。

供電所通過(guò)開展電箱漏電監(jiān)測(cè)的工作，有效提高了電箱安全用電管理水平。通過(guò)科學(xué)合理的漏電監(jiān)測(cè)，能夠有效發(fā)現(xiàn)電箱內(nèi)的漏電問(wèn)題以及漏電安全隱患問(wèn)題，并可以對(duì)此進(jìn)行針對(duì)性的處理，同時(shí)結(jié)合監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行科學(xué)檢查、科學(xué)宣傳，最終有效提高了電箱安全用電管理水平。

圖4 漏電檢測(cè)盒現(xiàn)場(chǎng)安裝

5 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了一種漏電檢測(cè)的方法，提出了一種新型典型內(nèi)漏電監(jiān)測(cè)儀器設(shè)計(jì)方案，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性。漏電檢測(cè)盒在檢測(cè)到漏電壓時(shí)，通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行告警，使附近人員直觀地意識(shí)到電表箱存在漏電危險(xiǎn)，及時(shí)遠(yuǎn)離，避免受到傷害；同時(shí)，漏電檢測(cè)盒的告警聲也有利于路人向供電所人員進(jìn)行反饋，從而及時(shí)進(jìn)行消缺。此外，對(duì)于某些位于金屬電表箱內(nèi)，需要人工進(jìn)行抄表的，可以有效防止抄表人員因?yàn)楦鞣N原因忽略驗(yàn)電，從而產(chǎn)生的觸電風(fēng)險(xiǎn)。